Введение к работе
313"
Аісгуальность темы. Длительные режимы заряда герметичных никель-кадмиевых (НК) аккумуляторных батарей (АБ) являются основной проблемой при их эксплуатации. Время заряда АБ стандартными режимами в соответствии с техническими условиями (ТУ) на батарею складывается из времени предварительного разряда батареи до уровня 1 В на аккумулятор и времени заряда номинальным режимом постоянного тока за 13-16 часов в зависимости от типа батареи. При этом гарантируются технико-эксплуатационные характеристики, указанные в ТУ: разрядная ёмкость, минимальное число зарядно-разрядных циклов, сохранность ёмкости при длительном хранении и др. Для некоторых типов АБ в ТУ приводятся короткие трехчасовые и сверхкороткие получасовые режимы заряда постоянным током со снижением разрядной ёмкости до 0,9С1КШ и 0,8C„OJ1„ соответственно, но не приводится сведений о количестве зарядно-разрядных циклов, гарантируемых при данных режимах заряда.
В настоящее время наиболее распространены способы заряда батарей постоянным током с контролем напряжения или тока. Появились устройства ускоренного заряда постоянным током, которые контролируют напряжение на АБ в процессе заряда и определяют окончание заряда по времени, напряжению батареи, температуре и другим критериям. Одним из способов сокращения времени заряда является создание аккумуляторов с использованием тонких электродов, что позволяет повысить зарядные и разрядные токи.
Возможным путём снижения времени заряда АБ является применение заряда асимметричным током. Описаны способы успешного применения асимметричного тока для ускорения процесса заряда и формирования аккумуляторов и АБ. Широкое внедрение их тормозится отсутствием развитой теории нестационарного электролиза и сложностью устройств, реализующих переменно-токовые режимы, Появление однокристальных микропроцессоров, имеющих внутреннюю перепрограммируемую память программ и данных, развитое программное обеспечение, богатый набор периферийного оборудования, мощные выходы для питания светодиодов и оптронных развязок, даёт возможность максимально упростить схемотехническую часть зарядных устройств, тем самым передав максимальную нагрузку по выполнению всех функций на аппаратную и программную части микроконтроллера, что позволяет создавать экономичные, приемлемые по цене для массового потребителя устройства ускоренного заряда, реализующие переменно-токовые режимы.
Все это делает актуальными вопросы изучения закономерностей поведения НК аккумуляторов и батарей при ускоренном заряде асимметричным током и создания автоматизированных устройств, реализующих ускоренный заряд, что позволит сократить временные и энергетические затраты при производстве и эксплуатации АБ, а также решить задачу промышленного внедрения средств ускоренного заряда.
Цель диссертационной работы состояла в разработке критериев оценки состояния батарей в процессе ускоренного заряда асимметричным током, способов заряда асимметричным током герметичных НК АБ, позволяющих сократить время заряда в 6-Ю раз по сравнению со стандартными способами без ухудшения их технико-эксплуатационных характеристик, автоматизированных устройств, способных обеспечить такой заряд, и алгоритмов их работы.
Достижение цели осуществлялось решением следующих задач:
исследование закономерностей зарядно-разрядных процессов на основе анализа полученных экспериментальных данных поведения НК вентилируемых 42НК-125 и герметичных 4НКПЛГЦ-0,5, ЮНКГЦ-1,8-1, 10НКГЦ-1,3, ЮНКГЦ-0,94, ЮНКГЦ-0,9 АБ при ускоренных режимах заряда постоянным и асимметричным токами;
выбор критериев определения окончания заряда при ускоренном заряде асимметричным током герметичных НК АБ;
исследование влияния ускоренных режимов заряда на технико-эксплуатационные характеристики АБ 4НКПЛГЦ-0,5, ЮНКГЦ-1,8-1, ЮНКГЦ-1,3, ЮНКГЦ-0,94;
определение требований к устройствам, позволяющим формировать асимметричный ток заряда с требуемыми параметрами, на основе анализа недостатков известных способов ускоренного заряда и средств их реализации;
разработка способов и устройств автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током без ухудшения технико-эксплуатационных характеристик герметичных НК АБ;
технико-экономическая оценка разработанных способов и устройств ускоренного заряда НК АБ.
Научная новизна. Определены параметры асимметричного тока, позволяющего значительно ускорить заряд герметичных и вентилируемых НК АБ без увеличения газообразования и разогрева (патент РФ №2207665).
Разработаны критерии определения окончания заряда для режима ускоренного заряда асимметричным током НК батарей (патенты РФ №2210841, №2215353).
Для герметичных НК АБ установлена возможность проведения автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током без ухудшения их технико-эксплуатационных характеристик.
Техническая новизна. Разработаны устройства с авторским приоритетом и алгоритмы их работы, реализующие автоматизированный ускоренный заряд асимметричным током АБ различных типов и номиналов без ухудшения их технико-эксплуатационных характеристик (патенты РФ №2215353, №2219638, №2219639, №2216087).
Практическая ценность работы. Разработан стенд для автоматического циклирования НК аккумуляторов и батарей и сбора параметров о ходе заряда (разряда), предназначенный для проведения в непрерывном режиме
зарядно-разрядных циклов аккумуляторов и батарей с номинальным напряжением от 1 В до 12 В постоянным, импульсным или асимметричным токами и исследования характеристик АБ.
Разработаны и изготовлены опытные образцы бестрансформаторных устройств ускоренного заряда с конденсаторами в качестве токоограничи-вающих элементов. На устройстве данного типа проводились производственные испытания режима заряда асимметричным током АБ 4НКПЛГЦ-0,5 на заводе «Автономные источники тока» («АИТ»), г. Саратов (акт испытаний приведен в приложении к диссертационной работе).
Разработана техническая документация и изготовлены опытные образцы устройств ускоренного заряда с питанием от сети постоянного тока.
На основании анализа полученных результатов и опыта создания устройств ускоренного заряда были разработаны принципиальные схемы, алгоритмы работы, программное обеспечение и компоновка блоков зарядных устройств БЗ-281 и БЗ-282 для одновременного заряда пяти и четырёх АБ средств связи, соответственно (акты внедрения способа заряда приведены в приложениях к диссертационной работе).
По заказу МО РФ в рамках создания зарядных устройств УУЗ-1 и УУЗ-2 на заводе «Электроавтоматика», г.Ставрополь, в соответствии с договором 36/99 ОАО «ВЭлНИИ», г. Новочеркасск, совместно с ОАО «Схема», г. Ставрополь, на заводе «Электроаппарат», г. Ростов-на-Дону, выпущена опытно-промышленная партия блоков зарядных БЗ-281 и БЗ-282 как составных частей зарядных устройств УУЗ-1 и УУЗ-2, которые успешно прошли приемо-сдаточные и квалификационные испытания (акт квалификационных испытаний приведён в приложении к диссертационной работе).
Для ускоренного ввода в эксплуатацию и обслуживания электровозных НК АБ 42НК-125 в депо была создана станция автоматическая зарядно-разрядная САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202. Устройства данного типа в настоящее время эксплуатируются в локомотивных депо ст. Каменоломни, Ростовская обл., Северо-Кавказская железная дорога, и депо «Самара», г. Самара, Куйбышевская железная дорога (акты промышленной эксплуатации приведены в приложениях к диссертационной работе).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научно-технических конференциях ОАО «ВЭлНИИ» в 1997 и 2000 гг. и научно-практической конференции ШИ ЮРГТУ (НПИ) в 2005 г.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в трёх научных статьях и шести патентах на изобретения.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Текст диссертации изложен на 150 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 12 таблиц и б приложений. Список литературы включает 199 наименований.
