Способ заряда аккумуляторных батарей асимметричным током и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области электротехники, в частности, касается ускоренного заряда никель-кадмиевых батарей, формирования и восстановления их емкости при вводе в эксплуатацию, техническом обслуживании, регламентных работах.

Известны способы ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током. Заряд батареи ведут разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного токов, процесс заряда прекращают при достижении напряжения на батарее порогового значения, контроль напряжения на батарее производят в паузе между зарядным и разрядным импульсами тока. (Патенты России №2313863, 2313864).

К недостаткам данных способов относится невозможность их применения в многоканальных системах заряда аккумуляторных батарей из-за возникновения в них больших общих импульсных токов, протекающих в системе, увеличения уровня излучаемых помех и высоких требований к емкости буферного накопителя.

Наиболее известна система автоматического контроля и заряда аккумуляторных батарей, включающая блок управления заряда и разряда, блок зарядно-разрядный, блок управления и индикации, блок управления режимом работы, блок питания, блок управления режимом асимметричного тока, блок интерфейса с микроконтроллерным устройством аккумуляторной батареи. В системе имеются блок обратного преобразования энергии разряда и буферный накопитель энергии. В системе ограниченное количество каналов - 4. (Заявка на полезную модель №2015117818/28 от 12.05.2015 г., положительное решение от 11.06.2015).

Наиболее известен способ ускоренного формирования и восстановления емкости аккумуляторных батарей асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов с паузами между ними. (Заявка на полезную модель №2015117818/28 от 12.05.2015 г., положительное решение от 11.06.2015).

Недостатком этого способа является то, что из-за отсутствия синхронизированного смещения по времени разрядных импульсов в 4 каналах системы возникают большие значения суммарного тока, а без контроля за скоростью нарастания силы и спада тока в системе возникает большой уровень помех, при этом количество каналов ограничено четырьмя.

Технический результат: увеличение надежности работы системы заряда и разряда аккумуляторных батарей за счет минимизирования общих импульсных токов, протекающих в системе, уменьшения уровня излучаемых помех, снижения требований к емкости буферного накопителя и расширение функциональных возможностей системы за счет увеличения количества обслуживаемых каналов.

Данный результат достигается тем, что в способ заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, включающий заряд батарей с чередованием зарядного и разрядного импульсов с паузами между ними, введены синхронизированные смещения разрядных импульсов по времени относительно друг друга и контроль скорости нарастания тока, а управление спектром излучаемых помех осуществляют изменением скорости нарастания и спада тока, при этом в автоматизированную систему заряда и разряда аккумуляторных батарей, включающую источник питания, систему управления, блок сохранения режимов, блок управления и индикации, блок зарядно-разрядный, содержащий управляемый стабилизатор напряжения, цифроаналоговый преобразователь установки напряжения, цифроаналоговый преобразователь установки тока, блок интерфейса с микроконтроллерным устройством аккумуляторной батареи, нормирующий усилитель измерения напряжения, нормирующий усилитель измерения тока, измерительный резистор, опорный резистор, дифференциальный усилитель, двухтактный усилитель мощности и блок обратного преобразования энергии разряда введены блок синхронизации режима асимметричного тока, соединенный с центральным процессором с одной стороны и с блоком управления режимом асимметричного тока зарядно-разрядного блока, а с другой стороны блок управления скоростью изменения тока, связанный с цифроаналоговым преобразователем тока и центральным процессором, при этом блок управления асимметричным током и блок управления режимом работы введены в зарядно-разрядный блок.

На фиг. 1 представлен график зависимости тока заряда-разряда аккумуляторной батареи от времени в течение одного периода данного процесса.

Реализация способа пояснена на фиг. 2 (формирование фронтов импульсов разряда для уменьшения уровня излучаемых помех, смещение по времени разрядных импульсов и график суммарного тока разряда).

На фиг. 3 представлена схема устройства для его осуществления.

Для осуществления предлагаемого способа необходимо произвести следующие операции заряд аккумуляторных батарей с чередованием зарядного и разрядного импульсов с паузами между ними с периодом Т.

Период процесса заряда аккумуляторных батарей асимметричным током содержит восемь стадий:

1. Нарастание зарядного тока до значения I_зар в течение отрезка времени [t₀,t₁) продолжительностью t_ф.зар.

2. Заряд АБ током I_зар в течение отрезка времени [t₁,t₂) продолжительностью t_зар.

3. Снижение зарядного тока до 0 в течение отрезка времени [t₂,t₃) продолжительностью t_ф.зар.

4. Выдержка бестоковой паузы в течение отрезка времени [t₃,t₄) продолжительностью t_бт.

5. Нарастание разрядного тока до значения I_разр в течение отрезка времени [t₄,t₅) продолжительностью t_ф.paзp.

6. Разряд АБ током I_разр в течение отрезка времени [t₅,t₆) продолжительностью t_pзар.

7. Снижение разрядного тока до 0 в течение отрезка времени [t₆,t₇) продолжительностью t_ф.paзp.

8. Выдержка бестоковой паузы в течение отрезка времени [t₇,t₈) продолжительностью t_бт.

Где I_зар - сила тока заряда АБ;

I_разр - сила тока разряда АБ;

t₀ - время начала очередного периода процесса заряда АБ, начало нарастания тока заряда;

t₁ - время окончания нарастания зарядного тока, начало процесса заряда АБ;

t₂ - время окончания процесса заряда АБ, начало спада тока заряда;

t₃ - время окончания спада тока заряда, начало защитного промежутка с нулевым током;

t₄ - время завершения защитного промежутка с нулевым током, начало нарастания тока разряда;

t₅ - время окончания нарастания тока разряда, начало процесса разряда АБ;

t₆ - время окончания процесса разряда АБ, начало спада тока разряда;

t₇ - время окончания спада тока разряда, начало защитного промежутка с нулевым током;

t₈ - время завершения защитного промежутка с нулевым током, начало следующего цикла заряда-разряда;

t_ф.зар - продолжительность нарастания/спада тока заряда;

t_ф.разр - продолжительность нарастания/спада тока разряда;

t_бт - продолжительность паузы между режимами заряда и разряда с нулевым значением тока.

Представим ток разряда, протекающий через батарею в течение периода Т, в виде кусочно-линейной функции:

Где t - переменная времени.

Введем смещение функции тока в j-м канале по времени на величину Δt_j∈[0,T-(t_бт+2t_ф.разр+t_разр)].

Тогда суммарный разрядный ток в многоканальной системе принимает следующий вид:

где М - количество работающих в настоящий момент каналов системы.

I_разр.j - сила тока разряда АБ в j-м канале;

Δt_j - смещение по времени функции тока в j-м канале.

Вычисляем значение смещений по времени Δt_j, минимизирующих следующий функционал:

где I_Σmax - максимальное значение суммарного разрядного тока, достигаемое в течение цикла разряда-заряда.

Управление спектром излучаемых помех, вносимых переходными процессами в силовых цепях, производится изменением времени нарастания и спада тока t_ф. Спектр и величина излучаемых помех зависят от скорости изменения тока V_I и величины тока.

Вводим ограничение-равенство на скорость нарастания тока размерностью А/мс:

V_I=Vconst,

где V_I - скорость нарастания тока в системе,

V_const - некоторое выбранное числовое значение.

Находим t_ф.разр для j-го канала:

где t_{ф.разр.j} - время нарастания и спада тока разряда в j-м канале,

I_разр.j - ток разряда в j-м канале,

V_const - заданная, постоянная скорость нарастания силы тока в системе.

Способ заряда аккумуляторных батарей асимметричным током реализуется системой автоматического контроля и заряда АБ, состоящей из источника питания 1, включающего преобразователь 7, подсоединенный к блоку питания 8 и буферному накопителю энергии 9, блока сохранения режимов при пропадании питания 5, блока управления 2, содержащего центральный процессор 10, блок памяти программ 11, блок памяти параметров АБ 12, блок интерфейса с ПЭВМ 13. Аккумуляторная батарея 31 связана с зарядно-разрядным блоком 6, включающим блок управления режимом асимметричного тока 18, блок управления режимом работы 19, блок интерфейса с микроконтроллерным устройством АБ 23, нормирующий усилитель измерения напряжения 24, двухтактный усилитель мощности 29, дифференциальный усилитель 28, соединенные с управляемым стабилизатором напряжения 20 и с другой стороны с нормирующим усилителем измерения тока 25, соединенным с центральным процессором 10. Двухтактный усилитель мощности 29 соединен с цифроаналоговым преобразователем установки тока 22 через опорный резистор 27 и измерительный резистор 26, а также блоком обратного преобразования энергии разряда 30, соединенным с буферным накопителем энергии 9 и управляемым стабилизатором напряжения 20, соединенным с цифроаналоговым преобразователем установки напряжения 21, соединенным с центральным процессором 10. Центральный процессор 10 через блок контроля скорости изменения тока 32 подключен к цифроаналоговому преобразователю установки тока 22 и через блок синхронизации режима асимметричного тока 4 к блокам управления режимом асимметричного тока 18, к блоку памяти программ 11, блоку памяти параметров аккумуляторной батареи 12, к блоку интерфейса с ПЭВМ 13, а также к контроллеру блока управления и индикации 14, присоединенному к блоку графического интерфейса пользователя 15, к блоку звуковой сигнализации 16. Блок управления и индикации 3 включает контроллер 14, блок графического интерфейса пользователя 15, блок звуковой сигнализации 16 и блок органов управления 17.

Автоматическая система заряда аккумуляторных батарей работает следующим образом:

Аккумуляторную батарею (АБ) 31 подключают к системе с помощью блока управления и индикации 3 и устанавливают тип батареи и режим заряда номинальным, средним током, режим быстрого заряда током, равным емкости батареи или режим заряда асимметричным током и производят пуск системы. Включают центральный процессор 10 в соответствии с программой, загруженной в блок памяти программ 11 в выбранном канале режим разряда. Двухтактный усилитель мощности 30 переводят в режим разряда стабильным током путем подключения блока управления заданным режимом работы 19. Величину силы тока определяют центральным процессором 10 через цифроаналоговый преобразователь установки тока 22. Ограничение скорости изменения установленного значения силы тока осуществляют с помощью блока контроля изменения скорости тока. При поступлении в аккумуляторную батарею стабильного тока начинают работать нормирующий усилитель измерения тока 25 и нормирующий усилитель измерения напряжения 24. Данные о напряжении АБ и силе тока разряда поступают в центральный процессор 10. Питание управляемого стабилизатора напряжения 20 всех каналов осуществляют с помощью буферного накопителя энергии 9. Падение напряжения на АБ определяют с помощью центрального процессора 10. На блок графического интерфейса пользователя 15 выводят текущее время разряда батареи и напряжение на батарее. По конечному времени разряда АБ определяют остаточную емкость батареи. Устанавливают режим заряда АБ стабильным или асимметричным током, подключая цифроаналоговый преобразователь установки тока 22 и блок управления заданным режимом работы 19 через блок управления асимметричным током 18 и блок синхронизации режима асимметричного тока 4. Энергию разрядных импульсов возвращают на вход управляемого стабилизатора напряжения 20 первого канала с помощью блока обратного преобразования энергии разряда 30 в режиме заряда АБ асимметричным током. Избыток энергии поступает в буферный накопитель 9, от которого поступает питание к управляемым стабилизаторам напряжения других каналов.

1. Способ заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, включающий заряд аккумуляторных батарей асимметричным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов с паузами между ними, отличающийся тем, что в него вводят синхронизированное смещение разрядных импульсов по времени относительно друг друга и контроль скорости нарастания тока, при этом управление спектром излучаемых помех осуществляют изменением скорости нарастания и спада тока.

2. Устройство автоматического контроля и заряда аккумуляторных батарей, включающее блок управления, блок сохранения режимов, блок управления и индикации, источник питания с буферным накопителем энергии, блок зарядно-разрядный для каждого канала системы, содержащий управляемый стабилизатор напряжения, соединенный с двухтактным усилителем мощности и дифференциальным усилителем, подключенными к нормирующему усилителю измерения тока, соединенному с центральным процессором, цифроаналоговый преобразователь установки тока, соединенный с двухтактным усилителем мощности через опорный и измерительный резисторы, подключенным к блоку обратного преобразования разряда, соединенному с буферным накопителем энергии и управляемому стабилизатором напряжения, соединенным с цифроаналоговым преобразователем установки напряжения, блок интерфейса с микроконтроллерным устройством аккумуляторной батареи, нормирующий усилитель измерения напряжения, отличающееся тем, что в него введен блок синхронизации режима асимметричного тока, соединенный с центральным процессором с одной стороны и с блоком управления режимом работы - с другой, а в блок зарядно-разрядный введены блок управления скоростью изменения тока, соединенный с цифроаналоговым преобразователем тока и центральным процессором, блок управления режимом асимметричного тока, подключенный к центральному процессору через блок синхронизации режима асимметричного тока и блок управления режимом работы, соединенный через блок управления асимметричным током, блок синхронизации режима асимметричного тока с центральным процессором.