Спосіб батарейного формування з водяним охолодженням свинцево-кислотних акумуляторних батарей

Спосіб батарейного формування з водяним охолодженням свинцево-кислотних акумуляторних батарей, який полягає в тому, що батареї залива 40509 характеристики акумуляторних батарей під час випробувань на холодному старті. Найбільш близьким технічним рішенням, яке вибрано в якості прототипу, є спосіб формування й заряду свинцевих акумуляторних батарей різних типів (Патент США № 4604564, МКП H02J 7/00, Н01М 10/50), який проводиться при водяному охолодженні акумуляторів і полягає в тому, що батареї заливають електролітом, збирають у групи, встановлюють у резервуари, які заповнюють рідиною для охолодження, і після відстоювання формують постійним та/або імпульсним струмом, причому спочатку подають струм силою 0,08-0,1 СН протягом 5 хвилин, а потім - стр ум силою 0,350,45 СН протягом 12-16 годин. У відомому способі-прототипі за рахунок значного поліпшення відведення тепла ризик підвищення температури за межі припустимого (5560°С) стає малоймовірним, тому можливе проведення заряду й формування великим струмом за короткий термін часу. Однак сам процес не є оптимізованим і має низку недоліків, таких як значне виділення газу, неекономне використання електрики і незадовільні характеристики акумуляторних батарей під час випробувань на холодному старті. Однією з причин неможливості зниження газовиділення й витрат на електрику, а також поліпшення характеристик акумуляторних батарей під час холодного старту є неадекватність програм, що задають режим формування акумуляторних батарей, хімічним та електрохімічним процесам, які відбуваються на електродах і в активній речовині. В основу запропонованого винаходу поставлено задачу удосконалення способу батарейного формування з водяним охолодженням свинцевокислотних акумуляторних батарей, в якому внаслідок застосування нових параметрів процесу забезпечується оптимальне формування активної речовини позитивних і негативних електродів. За рахунок цього досягається підвищення зарядного струму, зниження газовиділення й затрат на електрику. Крім того, значно покращуються стартерні характеристики акумуляторних батарей під час холодного старту, що підвищує якість випускаємої продукції. Поставлена задача вирішується тим, що у запропонованому способі батарейного формування з водяним охолодженням свинцево-кислотних акумуляторних батарей, який полягає в тому, що батареї заливають електролітом, збирають у групи, встановлюють у резервуари, які заповнюють рідиною для охолодження, і після відстоювання формують постійним та/або імпульсним струмом, згідно з винаходом, підведення струму проводять у чотири етапи, причому на першому етапі спочатку через батареї протягом 5-20 хвилин пропускають струм, який не перевищує 0,02 від номінальної ємності СН акумуляторної батареї, а потім протягом 0,3-1,5 годин силу струму підвищують до 0,30,7 СН, на другому етапі через батареї протягом 0,5-3 годин пропускають струм силою 0,3-0,7 СН, на третьому етапі протягом 0,5-2 годин силу струму знижують до 0,1-0,2 СН, на останньому, четвертому етапі протягом 5-10 годин проводять деформування струмом, сила якого дорівнює 0,1-0,2 СН. Кожний етап запропонованої програми подання струму формування має свою мету. На першому етапі формування проводять підготовку батареї до прийняття заряду. Якщо тривалість першого ступеня на першому етапі менша за 5 хвилин і якщо сила струму на першому ступені перевищує 0,02 СН, під час формування різко підвищується напруга на акумуляторній батареї, внаслідок чого стає можливим виділення на негативному електроді водню, а на позитивному - кисню. За таких умов на поверхні електродів формуються бар'єрні газонасичені прошарки, які ускладнюють подальше формування акумуляторних батарей. З тих же самих причин подальше підвищення сили струму до 0,3-0,7 СН не може бути проведене швидше ніж за 0,3 години. Тривалість першого ступеня більша за 20 хвилин і подальше підвищення сили струму до 0,3-0,7 СН більше ніж за 1,5 години недоцільне, бо призводить до невиправданого затягування процесу формування. На другому етапі забезпечується підведення основного формуючого заряду. Якщо сила струму перевищує 0,7 СН, по-перше, створюється небезпека погіршення процесу формування й заряду, причиною якого є підвищення напруги на батареях, яке сприяє проходженню сторонніх реакцій з газовиділенням і утворенням бар'єрних прошарків на поверхні електродів. По-друге, при силі струму вищій за 0,7 СН, значно підвищується температура електроліту, яка може перевищити гранично допустиму (55-60°С). Якщо сила струму менша за 0,3 СН, по-перше, на позитивному електроді замість електроактивного β-РbО2 утворюється малоактивний α-РbО2, що призводить до втрати ємності акумуляторної батареї. По-друге, різко підвищується час, потрібний для формування й заряду акумуляторної батареї, що також негативно впливає на економічні показники процесу. Якщо тривалість другого етапу менша ніж 0,5 годин, підведення основного формуючого заряду не забезпечується у повному обсязі, а якщо тривалість етапу більша, ніж 3 години, процес формування має ті самі недоліки, що й при застосуванні сили струму, більшої 0,7 СН. На третьому етапі здійснюється перехід до режиму деформування. Якщо тривалість цього етапу надмірно мала (менша ніж 0,5 годин), частину ємності, яку можливо підвести більш високою силою струму, доводиться підводити малою силою струму, що спричиняє подовження наступного, четвертого етапу, а якщо тривалість етапу надто велика (більша ніж 2 години), можливий перезаряд, внаслідок чого різко посилюється газовиділення і підвищується температура електроліту. На четвертому етапі забезпечується остаточне доформування акумуляторних батарей. Сила струму ви ща за 0,2 СН, на цьому етапі призводить до значного газовиділення, яке в свою чергу призводить до ускладнень процесу заряду й руйнування електродів. Якщо сила струму менша за 0,1 СН, процес заряду триває дуже повільно, що призводить до значного подовження всього процесу формування. Тривалість цього етапу обумовлена попередніми етапами і становить від 5 до 10 годин. При дотриманні вищезазначених параметрів програми підведення струму, формування акуму 2 40509 ляторних батарей здійснюється найбільш оптимальним шляхом, що забезпечує невеликі затрати електричної енергії і незначне газовиділення. Батареї мають поліпшені характеристики холодного старту. За наявними у авторів відомостями, суттєві ознаки, що пропонуються й характеризують сутність винаходу, невідомі з рівня техніки, а отже, винахід відповідає критерію "новизна". Суть винаходу, що пропонується, не витікає для фа хівця явним чином із відомого рівня техніки. Сукупність ознак, що характеризують відомий спосіб, не забезпечує нових властивостей і тільки наявність відмінних ознак дозволяє отримати новий технічний результат. Отже, спосіб, що пропонується, відповідає критерію "винахідницький рівень". Технічне рішення, що пропонується, може бути використане на підприємствах електротехнічної промисловості, зокрема, на заводах по виробництву свинцево-кислотних акумуляторних батарей. Критерій "промислове застосування" підтверджується простотою процесу й можливістю використання для його впровадження існуючого устаткування виробничих ділянок батарейного формування. Спосіб формування, що пропонується, здійснюється наступним чином. Акум уляторні батареї після заливання в них електроліту збирають у групи та розміщують у формувальних ваннах. Ванни заповнюють водою до рівня електроліту в акумуляторах. Після відстоювання протягом 0,5-4 годин акумулятори з'єднують у гр упах послідовно і підключають до джерела струму. Формування проводять постійним та/або імпульсним струмом. За використанням імпульсного струму відношення тривалості періоду проходження струму до періоду його відсутності складає (202):1, а тривалість періоду відсутності стр уму знаходиться у межах 0,5-50 с. Під час формування спочатку через батареї протягом 5-20 хвилин пропускають струм, сила якого не перевищує 0,02 СН, а потім протягом 0,31,5 годин струм рівномірно або ступінчасто (кількість ступенів від одного до п'ятнадцяти, а їх тривалість 5-20 хвилин) підвищується до 0,3-0,7 СН. Далі через батареї протягом 0,5-3 годин пропускають струм силою 0,3-0,7 СН. Після цього протягом 0,5-2 годин силу струму рівномірно або ступінчасто (кількість ступенів становить від одного до десяти, а їх тривалість 10-60 хвилин) зменшують до 0,1-0,2 СН. Закінчують формування протягом 510 годин струмом, що дорівнює 0,1-0,2 СН. Загальна тривалість процесу формування акумуляторних батарей, незалежно від їхнього типу, становить 12-16 годин. Спосіб, що пропонується, пройшов випробування у заводських умовах. Приклад 1. Акум уляторні батареї 6СТ-55Азж (СН = 55 А•год.) заливали електролітом і розміщували у ванни, які заповнювали водою. Після відстоювання протягом чотирьох годин акумуляторні батареї збирали послідовно у групи та подавали струм 5 А (0,09 СН) протягом 5 хвилин. Потім імпу льсним струмом силою 25 А (0,45 СН, тривалість паузи становила 15 секунд, а тривалість імпульсу струму - 2,5 хвилини) батареї формували протягом 4 годин 35 хвилин, а потім таким саме імпульсним струмом силою 20 А (0,36 СН) - 8 годин 20 хвилин. Загальна тривалість процесу формування становила 13 годин, а підведена ємність - 256,2 А×год. Енергія, що була підведена до однієї акумуляторної батареї за увесь час формування, склала 4,1 кВт×год., а загальний об'єм газів, що виділилися за цей же час, становив приблизно 680 дм 3. Зміна напруги на акумуляторній батареї, зміна температури електроліту та швидкості газовиділення у процесі формування у першому прикладі приведені відповідно на фіг. 1, 2, 3; де U - напруга на акумуляторній батареї, Т - температура електроліту, V - питомий обсяг газів, що виділяються при формуванні з однієї батареї. Програму підведення струму, за поданим прикладом, побудовано у відповідності із способом, зазначеним у прототипі. Вона значно відрізняється від програми підведення струму, що пропонується, тому маємо на початку формування різке підвищення напруги на акумуляторній батареї (фіг. 1), яке негативно впливає на подальше формування і кінцеву якість батарей. Температура електроліту майже протягом усього процесу формування знаходиться на межі допустимого (близько 55°С, фіг. 2), а швидкість виділення газів вже на п'ятій годині формування сягає 20 см 3/с (фіг. 3). Загалом маємо, за значної підведеної ємності, високі витрати енергії (4,1 кВт×год.) і велику кількість газів, що виділилися за час формування (680 дм 3). Приклад 2. Акум уляторні батареї 6СТ-55Азж заливали електролітом і розміщували у ванни, які заповнювали водою. Після відстоювання протягом чотирьох годин акумуляторні батареї збирали послідовно у гр упи та подавали струм. На першому етапі, що складався із семи ступенів, силу струм у від 1 А (0,018 СН) підвищували до 25 А (0,45 СН). Перші п'ять ступенів силою постійного струму 1, 3, 5, 7, 9 А мали тривалість 10 хвилин. На шостому та сьомому ступенях використовували імпульсний струм (імпульс струму - 2,5 хвилини, пауза - 15 секунд) силою відповідно 12 і 18 А; тривалість шостого та сьомого ступенів становила 14 хвилин. Загальна тривалість першого етапу становила близько 1,5 годин, із них тривалість початкового ступеня зі струмом 1 А (0,018 СН) - 10 хвилин. Далі, як і у першому прикладі, батареї формували імпульсним струмом силою 25 А (0,45 СН) протягом 4 годин 35 хвилин, а потім таким саме імпульсним струмом силою 20 А (0,36 СН) протягом 7 годин 6 хвилин (у першому прикладі час становив 8 годин 20 хвилин). Загальна тривалість процесу формування, як і у першому прикладі, становила близько 13 годин. Підведена ємність дорівнювала 243,8 А×год. На фіг. 4 приведено зміну температури електроліту, на фіг. 5 - зміну швидкості газовиділення, а на фіг. 6 - зміну напруги на акумуляторній батареї у процесі формування за прикладом 2. Як і в першому прикладі, температура електроліту майже протягом усього процесу формування знаходилась на межі допустимого (фіг. 4), а 3 40509 швидкість виділення газів через шість годин після початку формування, як і в першому прикладі, досягла 20 см 3/с (фіг. 5). Як і в першому прикладі, маємо за значної підведеної ємності високі витрати енергії (4,0 кВт× год.) і велику кількість газів, що виділилися за час формування (655 дм 3). Однак, завдяки повільному підвищенню сили струму на першому етапі вдалося уникнути різкого підвищення напруги на акумуляторній батареї (фіг. 6), таким чином поліпшено процес формування і кінцеву якість батарей. Приклад 3. Акум уляторні батареї 6СТ-55Азж заливали електролітом і розміщували у ванни, які заповнювали водою. Після відстоювання протягом чотирьох годин акумуляторні батареї збирали послідовно у гр упи та подавали струм. Перший етап формування повністю збігався з першим етапом, наведеним у другому прикладі. Він складався із семи ступенів. Перші п'ять ступенів з постійним струмом силою відповідно 1, 3, 5, 7, 9 А мали тривалість 10 хвилин, а шостий і сьомий з імпульсним струмом силою відповідно 12 і 18 А мали тривалість 14 хвилин. Далі, на другому етапі, як в першому та другому прикладах, батареї формували імпульсним струмом силою 25 А (0,46 СН). На відміну від попередніх прикладів, формування на другому етапі тривало всього 2 години 4 хвилини. Потім на третьому етапі силу струму ступінчасто зменшували від 25 до 8 А (0,15 СН). Третій етап складався з трьох ступенів імпульсного струму силою відповідно 22, 18 і 12 А. Тривалість кожного ступеня становила 1 годину 30 хвилин. На останньому, четвертому етапі, батареї формували постійним струмом силою 8 А (0,15 СН) протягом 5 годин 6 хвилин. Загальна тривалість процесу формування становила 13 годин, а підведена ємність 169,6 А×год. Зміна температури електроліту, зміна напруги на акумуляторній батареї та швидкості газовиділення у процесі формування за прикладом 3 приведені відповідно на фіг. 7, 8, 9. Температура електроліту під час формування, на відміну від попереднього прикладу, на заключному четвертому етапі помітно знизилася (фіг. 7). Напруга на акумуляторній батареї (фіг. 8) на початку формування не підвищується і загалом вона дещо нижча ніж у другому прикладі. Газовиділення має максимум на третьому етапі формування (фіг. 9), що пов'язане зі значною тривалістю ступенів третього етапу. У третьому прикладі маємо за підведеної енергії на формування у 2,7 кВт×год загальне газовиділення 330 дм 3. Це значно менше ніж отримано у попередньому прикладі, але окремі короткочасні значення швидкості газовиділення досить значні і досягають 15-17 см 3/с. Приклад 4. Акум уляторні батареї 6СТ-55Азж заливали електролітом і розміщували у ванни, які заповнювали водою. Після відстоювання протягом чоти рьох годин акумуляторні батареї збирали послідовно у групи та подавали струм. Перший і другий етапи формування повністю збігалися з наведеними у третьому прикладі. Перший етап, складався із семи ступенів. Перші п'я ть ступенів з постійним струмом силою відповідно 1, 3, 5, 7, 9 А мали тривалість 10 хвилин, а шостий і сьомий з імпульсним струмом силою відповідно 12 і 18 А мали тривалість 14 хвилин. Далі, на другому етапі батареї формували переривчастим струмом силою 25 А (0,46 СН) протягом 2 годин 4 хвилин. Потім на третьому етапі силу струму ступінчасто зменшували від 25 до 8 А (0,15 СН). Третій етап, як і в третьому прикладі складався з трьох ступенів, сила імпульсного струму, на яких відповідно становила 22, 18 і 12 А. Тривалість кожного ступеня на відміну від третього прикладу, становила 30 хвилин. На останньому, четвертому етапі батареї формували постійним струмом силою 8 А протягом 8 годин 6 хвилин. Загальна тривалість процесу формування становила 13 годин, а підведена ємність 146,3 А×год. На фіг. 10 приведено зміну температури електроліту у процесі формування за прикладом 4, на фіг. 11 приведено зміну швидкості газовиділення, а на фіг. 12 - зміну напруги на акумуляторній батареї. На відміну від попередніх прикладів, температура електроліту впродовж усього процесу формування лише протягом менш ніж години перевищувала 50°С (фіг. 10), швидкість виділення газів не перевищила 10 см 3/с (фіг. 11), а напруга на акумуляторній батареї підвищується поступово і не перевищує 17,0 В (фіг. 12). Таким чином, за умов дотримання параметрів процесу, що пропонується, у четвертому прикладі досягнуто незначних витрат електричної енергії (2,2 кВт×год) і невелике загальне виділення газів 275 дм 3. Якість сформованих батарей не поступається стандартно сформованим, а показники холодного старту значно кращі за існуючі. Результати випробувань акумуляторних батарей, сформованих за наведеними прикладами, подано у таблиці, де показано, як змінюється час падіння напруги на акумуляторній батареї до 6 В у трьох послідовних випробуваннях за умов холодного старту (Т = -18°С). Таким чином, вищевикладені дані свідчать про те, що при використанні для формування акумуляторних батарей програми підведення струму, що пропонується, і має чотири, обумовлені формулою винаходу, етапи, досягається суттєве поліпшення характеристик акумуляторних батарей за умов холодного старту. Значно зменшується газовиділення і знижуються витрати енергії на процес формування. В результаті, знижується собівартість акумуляторних батарей і підвищується їхня якість. 4 40509 Таблиця № прикладу 1 2 3 4 № акумуляторної батареї I 153 159 151 158 166 152 198 188 183 195 212 195 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Фіг. 1 5 Час падіння напруги до 6 В, с II 161 162 159 169 173 149 183 169 171 205 210 204 III 128 148 142 143 146 148 154 142 146 201 215 208 40509 Фіг. 2 6 40509 Фіг. 3 Фіг. 4 7 40509 Фіг. 5 Фіг. 6 8 40509 Фіг. 7 Фіг. 8 9 40509 Фіг. 9 Фіг. 10 10 40509 Фіг. 11 Фіг. 12 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. 11 40509 (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 12