Спосіб зарядки електрохімічного конденсатора з подвійним електричним шаром (варіанти)

Реферат: Винахід належить до способів для автоматичної зарядки електрохімічного конденсатора з подвійним електричним шаром. Зарядка може виконуватися, поки не буде досягнуто попередньо задане значення збільшення напруги, виміряне на виводах пристрою накопичення. Можуть застосовуватися повторювані періоди зарядки та спокою, з виконанням вимірювання напруги та збільшення напруги, що визначається після проходження заданої кількості електричної енергії. Забезпечується автоматичне завершення процесу зарядки незалежно від особливостей конструкції та кількості пристроїв накопичення енергії (наприклад, конденсаторів) в модулі, початкового стану зарядки та/або температури пристрою накопичення або значення, та/або нестабільності зарядного струму за часом. UA 100848 C2 (12) UA 100848 C2 UA 100848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Цей винахід належить до зарядки електрохімічних конденсаторів, призначених для накопичення електричної енергії. Зокрема, цей винахід спрямований на надання ефективного способу зарядки електрохімічних конденсаторів, коли енергія зарядки змінюється в часі, і на забезпечення своєчасного завершення процесу зарядки після досягнення оптимального стану зарядки. Пристрої накопичення енергії з гетерогенним електрохімічним суперконденсатором (HES) набувають все більш широкого використання для накопичення електричної енергії (див., наприклад, Патент США № 6518734, A. Nourai і ін., під назвою "Система та спосіб формування модулів накопичення електричної енергії на основі конденсатора"). Традиційно, накопичення електричної енергії перезарядними джерелами живлення здійснюється за допомогою акумуляторних батарей. Однак певні характеристики пристроїв з HES роблять їхнє використання для накопичення електричної енергії переважним порівняно з батареями. Наприклад, хоча пристрої з HES можуть поступатися батареям за величиною питомої по масі та обсягу накопиченої енергії, вони можуть перевершувати батареї за циклічним ресурсом, діапазоном допустимих значень зарядного струму, здатності до швидкої зарядки. Таким чином, пристрої з HES добре підходять, без жодних обмежень, у якості енергоємних джерел живлення для промисловості, телекомунікаційних систем, комунальних підприємств, електричних транспортних засобів і гібридних транспортних засобів; в якості пристроїв накопичення електричної енергії, виробленої стаціонарними або портативними (перевізними або польовими) вітровими і гідроелектричними установками; і в якості портативних джерел енергії, що заряджаються від генераторів з мускульним приводом, тощо. Для ефективного використання будь-якого герметичного пристрою накопичення електричної енергії необхідно забезпечити управління процесом його зарядки. Перелік параметрів, контрольованих і керованих протягом процесу зарядки, у значній мірі залежить від параметрів електрохімічної системи, її конкретної конструкції та галузі використання пристрою накопичення енергії. Відома велика кількість способів управління процесом зарядки батарей. Наприклад, існують різні методики зарядки, у яких визначається стан зарядки (ступені зарядженості), і управління зарядкою здійснюється за допомогою контролю зміни головних параметрів батареї та наступної керованої зміни режиму зарядки. Наприклад, в одному з таких варіантів способу зарядки виконуються вимірювання струму та напруги протягом циклу заряд-розряд, і виміряні параметри порівнюються із заданими значеннями, які можуть бути визначені експериментально або шляхом математичного моделювання. Керована зміна режиму зарядки здійснюється потім, виходячи із зазначеного порівняння. В іншому варіанті способу зарядки вимірюється перша або друга похідна напруги за часом, контролюють температурні зміни протягом процесу зарядки та здійснюють керовані зміни струму або напруги на різних етапах процесу зарядки. Ще в одному варіанті способів напругою або струмом зарядки управляють шляхом зміни параметрів імпульсів зарядного струму або вимірювання параметрів цугу зондувальних імпульсів. Однак є фундаментальні відмінності між батареями та пристроями накопичення енергії з електрохімічним конденсатором, які перешкоджають або затрудняють використання відомих схем управління процесом зарядки. Насамперед, в електрохімічних конденсаторах, на відміну від батарей, саме значення напруги, до якого конденсатор заряджається, визначає значення накопиченої електричної енергії. Таким чином, бажане значення накопиченої електричної енергії отримується за допомогою зарядки такого конденсатора до заданого значення напруги, причому значення напруги зарядки вибирається з робочого діапазону напруги конденсатора. При виборі цього заданого значення напруги зарядки необхідно взяти до уваги поточний температурний стан конденсатора, який зазвичай швидко міняється в процесі зарядки великим струмом. Відомо, що конденсатори можуть заряджатися різними способами. Наприклад, постійним струмом, при постійній напрузі або при постійній потужності. Зарядка постійним струмом до заданої напруги є, як правило, найбільш використовуваним способом зарядки. Як зазначено вище, значення заданої напруги залежить від робочої температури, значення зарядного струму та задається дослідним шляхом для даної конструкції конкретного конденсатора. Наприклад, у патентній заявці PCT/RU03/00109, WG03/081618, авт. І. Варакін та ін., озаглавленої "Спосіб зарядки та розрядки конденсатора з подвійним електричним шаром", за величину максимальної робочої напруги береться напруга, при якій для даної виміряної температури електроліту струм витоку та енергоспоживання конденсатора є оптимальними. Коли задане значення напруги досягнуте, зарядка конденсатора може тривати при постійній напрузі. Коли стан зарядки зростає, значення зарядного струму знижується. Зарядку при 1 UA 100848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 постійній напрузі можна вважати повною, наприклад, після закінчення заданого часу або коли зарядний струм зменшується до заданого значення. Один із способів зарядки на постійному струмі описаний у патенті США 5,640,080 ('080 патент), авт. Mikitaka Tamai, озаглавленому "Зарядка перезаряджуваної акумуляторної батареї". Описаний там процес зарядки виконується з чергуванням періодів зарядки та спокою. Протягом кожного інтервалу зарядки кількість електрики Q, яке проходить через батарею, обмежується значенням, яке не викликає якого-небудь погіршення параметрів батареї внаслідок перезаряду. Ця кількість електрики визначається як частина повної ємності батареї (наприклад, не більше 5 % номінальної ємності). Зарядка вважається завершеною, коли напруга, вимірювана на виводах батареї протягом періоду спокою, стає рівною або більшою заданого значення напруги. Батареї згідно з патентом '080 заряджаються шляхом чергування періодів зарядки (що мають початкову тривалість Tcha) і спокою (що мають постійну тривалість Тrе). Потім виміряна напруга Vch порівнюється протягом періодів зарядки із заданим значенням напруги Vcha. Коли виміряна на виводах напруга Vch дорівнює або перевищує задане значення напруги Vcha, батарея вважається повністю зарядженою. Щораз, коли виміряна напруга Vch досягає заданого значення Vcha кількість електрики, що поступає в кожний наступний період зарядки (який іде за періодом спокою), зменшується. Процес зарядки завершується, коли кількість електрики, що поступає для зарядки, досягає нульового значення. Для варіювання процесу зарядки патентом '080 передбачається, що щораз, коли виміряна напруга Vch досягає заданого значення Vcha, передбачена кількість зарядженої електрики може залишатися незмінною, в той час як тривалість наступного періоду спокою збільшується. Значення Vcha може бути змінене з урахуванням температури батареї. Коли HES заряджається, напруга на його виводах, Uch, залежить від параметрів HES і умов процесу зарядки: (1) Uch=Uo+IR+U Причому U0 відповідає стаціонарній напрузі, яка встановлюється на зарядженому конденсаторі після завершення зарядки та процесів деполяризації, IR відповідає кидку напруги, коли зарядний струм включається та відключається, і U пояснюється більш докладно нижче. Значення стаціонарної напруги U0 визначається за допомогою величини заряду Q і ємністю конденсатора С. Крім того, відомо, що ємність конденсатора, у свою чергу, є функцією потенціалу поляризованого електрода (), ступені зарядженості і його температури T (тобто U0=Q/C (Q, (), Т)). Кидок напруги IR відображає спад напруги на омічному опорі. Він є функцією перемінної амплітуди зарядного струму в часі І (t), а внутрішній опір залежить від стану зарядки, потенціалу поляризованого електрода та температури конденсатора (тобто R (Q, Ф, Т). Величина U дає істотний внесок у зміну напруги на виводах HES протягом процесу зарядки. Одна зі складових значення U визначається процесами поляризації HES. Вона залежить від значень Q, ф, Т, t, а також від використовуваного типу електрохімічної системи та конкретних параметрів конструктивних компонентів HES, таких як, наприклад, величина провідності, просторова структура та товщина поляризованих та неполяризованих електродів, величина провідності електроліту та товщина сепаратора. Друга істотна складова величини U визначається процесами, що мають місце протягом газового циклу HES, який реалізується в системах, що використовують у якості електроліту водні розчини неорганічної кислоти. Ця друга складова пов'язана із процесами виділення кисню на позитивному електроді та водню - на негативному електроді, коли значення потенціалів електродів перевищують рівноважні значення. Коли HES наближається до стану максимальної зарядки, кількість електрики, що вносить свій внесок у зарядку, зменшується, і кількість електрики, що вносить свій внесок у розкладання електроліту, збільшується. Напруга на виводах HES тоді досягає максимального значення. Ці процеси також призводять до відновлення виділюваного кисню на негативному електроді та утворення води, яка викликає деполяризацію потенціалу негативного електрода та, відповідно, зниження напруги на HES. Екзотермічні реакції, пов'язані з відновленням кисню, супроводжуються підвищенням температури HES. У результаті, надлишковий потенціал виділення кисню та водню на позитивному та негативному електродах, відповідно, знижується, і напруга на виводах HES починає зменшуватися. Коли зарядний струм продовжує протікати, також збільшується кількість кисню, що виділяється на позитивному електроді, і збільшується газовиділення усередині корпуса HES. Отже, у процесі зарядки пристроїв із HES максимальне значення напруги зазвичай представляє собою перемінний параметр. Максимальна напруга залежить від конкретних електрохімічних і конструктивних характеристик HES, а також від стану його зарядки, поточного 2 UA 100848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 температурного стану і швидкості зарядки. Значення кількості електрики зарядки, при якому досягається максимальна напруга, відповідає оптимальному стану зарядки HES і рівню його кулонівських і енергетичних втрат. З попереднього опису фахівцям у цій області техніки повинне бути очевидно, що деполяризація та електрохімічні процеси, що мають місце протягом газового циклу HES, викликають зменшення його кулонівської ємності, зменшення енергетичної ефективності циклу заряд-розряд і зростання його внутрішнього опору. Крім того, коли здійснюється неконтрольована зарядка, можливе зниження строку служби HES. На практиці також необхідно забезпечити такий алгоритм зарядки, який дозволяв би завершити ефективну зарядку HES незалежно від його початкового стану зарядки та теплового стану у випадку, коли значення зарядової потужності змінюється в широких межах. Наприклад, значна зміна теплового стану HES може відбутися, коли швидкість зарядки HES висока. Оскільки HES добре підходить для зарядки струмом різних значень, тривалість процесу зарядки може варіюватися від декількох хвилин до декількох годин. Здатність управляти змінами швидкості зарядки дозволяє вибрати оптимальну потужність і цінові параметри зарядного пристрою. Жорсткі вимоги до алгоритму процесу зарядки встановлені для "плаваючої (буферної) зарядки" (тобто, зарядки при постійній напрузі). Наприклад, для компенсації ємнісних і енергетичних втрат, які можуть виникати, коли пристрій накопичення електричної енергії використовується як резервне джерело живлення, або при тривалому зберіганні накопиченої електричної енергії в такому пристрої в стані його максимальної зарядженості, необхідно виконати додаткову зарядку. Коли пристрій накопичення електричної енергії представляє собою акумуляторну батарею, ця додаткова зарядка виконується різними способами. Наприклад, додаткова зарядка може бути виконана при постійній напрузі струмом малого значення (який близький до значення струму витоку) або за допомогою періодичного включення плаваючої зарядки. Ці способи вимагають точної установки значення плаваючої напруги, обмеження значення максимального зарядного струму та підтримки стабільних температурних умов. Коли стаціонарний тепловий режим порушений, є високий ризик "теплового розгону", протягом якого можуть бути прискорені процеси газового циклу, може підвищитися температура і зарядний струм може критично швидко мимовільно збільшитися. В даний час моделювання кінетики процесів зарядки та розрядки відповідно до деяких з вищезгаданих параметрів дозволяє (з високим ступенем імовірності) передбачити енергетичні характеристики конденсаторів, що мають різні конструкції (див., наприклад, D. Dunn, J. Newman, "Пророкування питомих енергій і питомих потужностей конденсаторів з подвійним шаром з використанням спрощеної моделі", J. Electrochem. Soc, 147, 820 (2000); S. Kazaryan, S. Razumov, S. Litvinenko, G. Kharisov, and B. Kogan, "Mathematical model of heterogeneous electrochemical capacitors and calculation of their parameters. J. Electrochem. Soc., 153, (9), A1655A1671(2006)). Разом з тим, практичне завдання управління процесом зарядки пристроїв HES залишається невирішеним. Суть загальної концепції винаходу Цей винахід спрямований на одержання керованої та оптимальної зарядки електрохімічних конденсаторів. Процес зарядки, відповідно до цього винаходу, повинен забезпечити, наприклад: оптимальне або передбачене значення накопиченої енергії; своєчасне припинення процесу зарядки, щоб виключити будь-яке перезарядження; повну зарядку, незалежно від початкового стану зарядки; оптимальну зарядку у всьому діапазоні робочих температур конденсатора; попередження надмірного перегріву та можливого газовиділення через запобіжний клапан; і компенсацію втрат енергії під час роботи конденсатора як резервного джерела живлення або внаслідок саморозряду, підтримка конденсаторного пристрою в стані максимальної зарядки протягом тривалого періоду часу. Способи зарядки згідно з цим винаходом ґрунтуються на певних особливостях конструкції та принципах роботи пристроїв HES (див., наприклад, патент США 6,222,723, авт. R.S. Razumov і ін., озаглавлений "Асиметричний електрохімічний конденсатор і спосіб його виготовлення"). У такому HES використовуються два типи електродів: поляризований електрод і неполяризований електрод. У якості неполяризованих електродів краще використовувати позитивні електроди батарейного типу, електрохімічні властивості яких визначаються Фарадеєвськими процесами. Поляризований електрод (негативний електрод) використовує процес накопичення заряду в подвійному електричному шарі. Звичайно активним матеріалом таких поляризованих (негативних) електродів є різні композити на основі активованих вуглецевих матеріалів. Для забезпечення ефективної роботи таких пристроїв HES значення електричної (кулонівської) ємності неполяризованого електрода переважно вибирають в кілька разів більше, ніж значення електричної ємності поляризованого електрода. При цьому максимальна енергія 3 UA 100848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 розрядки HES у його вікні робочих напруг відповідає повній розрядці поляризованого електрода та визначається його накопиченою енергією. Оскільки ємність неполяризованого електрода набагато вища, у ході циклічної роботи HES неполяризований електрод у кожному розрядному циклі розряджається меншою мірою, ніж поляризований електрод. Тобто, коли HES повністю розряджається, його неполяризований електрод розряджається меншою мірою, ніж такий самий позитивний електрод акумуляторної батареї після її повної розрядки. Отже, термін служби HES порівняно з акумуляторною батареєю повинен бути значно більше, тому що, хоча ємність і енергетичні параметри пристрою HES визначаються параметрами поляризованого електрода, строк його служби залежить, насамперед, від параметрів неполяризованого електрода. В одному із прикладів способу зарядки по цьому винаходу зарядка HES здійснюється при постійному струмі, і немає необхідності в попередньому задаванні певного значення зарядної напруги. Відповідно до цього варіанта реалізації, управління процесом зарядки може бути досягнуте в такий спосіб: (1) установлюється значення позитивного збільшення зарядної напруги, і, коли це значення досягається, процес переривається; (2) після проходження певної частини кількості електрики визначається збільшення напруги; і (3) коли збільшення напруги знижується до певного значення, процес зарядки припиняється. Задане позитивне значення збільшення напруги визначає стан зарядки HES по відношенню до його оптимального рівня зарядки. Оптимальний стан зарядки при певній швидкості зарядки та температурному стані HES відповідає нульовому збільшенню напруги. Якщо зарядка триває до досягнення негативного збільшення напруги, то відбувається швидкий ріст температури, падіння кулонівської ємності та енергетичної ефективності циклу заряд-розряд, і є ризик збільшення газового тиску усередині корпуса конденсатора вище критичного значення. У цьому варіанті реалізації задане значення кількості електрики, після проходження якого вимірюється напруга зарядки та визначається збільшення напруги, встановлює часову дискретність вимірів. Задане значення кількості електрики звичайно залежить від індивідуальних характеристик HES і його конструкції, а також від параметрів виміру та використовуваної системи управління зарядкою. У цьому варіанті реалізації своєчасне переривання процесу зарядки приводить до бажаного рівня накопиченої електричної енергії в HES. По суті, немає необхідності в точному визначенні максимального значення напруги наприкінці процесу зарядки або в безперервному вимірі температури кожного гнізда HES. В іншому прикладі реалізації цього винаходу, зарядка HES здійснюється в умовах нестабільності постійного зарядного струму. У реальних умовах така нестабільність може бути обумовлена початковими параметрами джерела живлення, може бути викликана магнітними наведеннями на джерело постійного струму або значними варіаціями навколишньої температури, або може виникати від випадкових змін потужності зарядки. У такому випадку напруга на виводах HES протягом процесу зарядки може досягати деяких локально максимальних значень, які не відповідають оптимальному стану зарядки. Збільшення напруги може також змінюватися в широких межах, змінюючи свій знак поблизу цих локальних максимумів. При виконанні зарядки з чергуванням періодів зарядки та спокою, цей варіант реалізації цього винаходу витримує такі ефекти, як неконтрольовані імпульси зарядного струму, повторювані зміни амплітуди постійного зарядного струму та випадкові зміни потужності зарядки. Відповідно до цього варіанта реалізації, коли ланцюг розривається слідом за перериванням зарядного струму, напруга на виводах HES падає поступово через деполяризацію електродів і саморозрядження конденсаторів. На початковій стадії падіння напруги визначається деполяризацією електродів. Потім процес саморозрядження стає головною причиною зниження напруги. Таким чином, процеси деполяризації та саморозрядження супроводжуються зменшенням напруги HES і витратами енергії. Зарядка HES відповідно до цього варіанта реалізації виконується доти, поки збільшення напруги, яка вимірюється наприкінці кожного періоду спокою, не досягне заданого значення. Повторювані зарядки послідовно виконуються при проходженні певної частини кількості електрики q. Потім зарядний струм переривається на період спокою. Тривалість кожного періоду спокою tr1 повинна бути достатньої, щоб виміряти напругу. Її встановлюють однаковою для всіх переривань заряду та підбирають конкретно залежно від конструкції HES, виходячи з часових характеристик процесів деполяризації електродів HES. Значення напруги Ur, виміряне наприкінці кожного періоду спокою, порівнюється із значеннями напруги, виміряними в попередній період спокою, і визначається збільшення напруги Ur. Зарядка HES припиняється, як тільки збільшення напруги зменшується до заданого значення. 4 UA 100848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Методики зарядки відповідно до цього варіанта реалізації цього винаходу передбачають використання потужності зарядки, яка випадково змінюється в часі. Це дозволяє використовувати недорогі джерела живлення, у яких відсутні спеціальні технічні засоби, що використовуються для стабілізації зарядного струму. Методика зарядки відповідно до іншого варіанта реалізації цього винаходу спрямована на компенсацію енергетичних втрат і збільшення накопиченої електричної енергії в HES. Відповідно до цієї методики зарядка періодично переривається, щоб одержати періоди зарядки та спокою. Періоди зарядки тривають стільки, скільки потрібно для проходження заданої частини кількості електрики q. Тривалість усіх періодів спокою tr1 залежить від конкретної конструкції HES і визначається часовими характеристиками процесів деполяризації електрода. Значення напруги Ur1, виміряне наприкінці періодів спокою, порівнюється із значеннями напруги, виміряними в попередній період спокою, і потім визначається збільшення напруги Ur1. Як тільки збільшення напруги зменшується до заданого значення Ur,set1, зарядка виконується з обмеженням верхньої зарядної напруги Uchmax, яке досягається наприкінці останнього періоду зарядки. Як тільки напруга наприкінці періоду зарядки досягає Uchmax, проводяться короткочасні відключення. Вимірюється напруга Ur2 протягом періодів спокою і порівнюється із значеннями напруги періоду спокою, виміряними в попередній період спокою. Потім визначається збільшення напруги Ur2. Зарядка вважається завершеною, коли збільшення напруги зменшується до заданого значення Ur,set2, або коли тривалість періодів зарядки зменшується в задану кількість раз. Відповідно до методики (методик) зарядки цього варіанта реалізації цього винаходу, немає необхідності в задаванні верхньої межі напрузі зарядки та немає необхідності управляти температурою HES. Крім того, компенсуються втрати, пов'язані з деполяризацією електродів, і оптимальна зарядка HES завершується автоматично. Методика зарядки цього варіанта реалізації цього винаходу може також бути використана для періодичної компенсації втрат енергії, викликаних саморозрядженням HES при довготривалому накопиченні заряду. З цією метою, після повної зарядки HES, продовжується контроль напруги на виводах. Як тільки вимірювана напруга досягає заданого значення, може бути виконана повторна зарядка HES. Таким чином, з попереднього опису можна зрозуміти, що є кілька варіацій зарядки HES відповідно до цього винаходу. Відповідно до першого варіанта реалізації, HES може бути приєднаний до джерела постійного струму для зарядки, протягом якої здійснюється часове управління проходженням через HES частин заданої електрики, вимірюються напруги, виміряні напруги порівнюються із їхніми заданими (наперед заданими) значеннями, і зарядка завершується. У цій варіації, частини кількості електрики визначаються виходячи із значень ємності HES і граничної чутливості реєструючої системи. Після проходження заданої частини електрики вимірюється напруга на виводах пристрою накопичення енергії та визначається збільшення напруги. Процес зарядки вважається завершеним, коли збільшення напруги досягає (знижується) до заданого значення. Такий процес зарядки може бути використаний незалежно від початкових значень стану зарядки та робочої температури HES. В іншому варіанті схеми зарядки цього винаходу, HES може бути заряджений з використанням джерела постійного струму, як описано вище. У цьому варіанті реалізації, однак, зарядка (!) періодично припиняється, щоб одержати період спокою після проходження заданої частини електрики. Усі періоди спокою мають постійну тривалість. Напруга наприкінці кожного періоду зарядки та кожного періоду спокою вимірюється, і напруга, виміряна наприкінці даного періоду спокою, порівнюється із напругою, виміряною наприкінці попереднього періоду спокою, щоб, тим самим, визначити збільшення напруги. Процес зарядки вважається завершеним, коли збільшення напруги протягом періодів спокою досягає заданого значення. Цей спосіб зарядки може бути використаний незалежно від початкових значень стану зарядки та робочої температури HES. Тривалість періодів спокою може бути встановлена рівною часу, протягом якого частка швидких процесів деполяризації в зниженні напруги зменшується в кілька заданих разів, або тривалість періодів спокою може бути встановлена рівною часу, необхідному для зниження напруги протягом періодів спокою в кілька заданих разів. Звичайно, також можуть бути встановлені інші тривалості періоду спокою. Ще в одній схемі зарядки цього винаходу, зарядка HES може бути досягнута з використанням джерела струму, яке періодично вимикається або від'єднується від HES, як описано вище, щоб забезпечити періоди спокою, але значення струму якого може також змінюватися в часі випадковим чином. Значення струму можуть змінюватися в певних межах, припустимих для зарядки HES, і в цьому випадку процес зарядки вважається завершеним, коли збільшення напруги в періоди спокою досягає певного заданого значення. За допомогою цього 5 UA 100848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 способу також можливо, щоб, як тільки збільшення напруги в періоди спокою досягає заданого значення, зарядка тривала з обмеженням напруги в період зарядки, і значення напруги встановлюється рівним значенню напруги наприкінці попереднього періоду зарядки. У такому випадку процес зарядки вважається завершеним, коли кількість частин електрики в періоди зарядки, або тривалість періодів зарядки зменшується в кілька заданих разів або коли збільшення напруги досягає заданого значення. Особливо щодо цього останнього способу, і коли HES працює в режимі резервного джерела живлення, рекурентна повторювана зарядка може бути здійснена в заданих часових інтервалах або після того, як досягається задане значення максимальної напруги для компенсації енергетичних втрат, що виникають від саморозрядження HES. Короткий опис креслень Додатково до зазначених вище особливостей інші аспекти цього винаходу будуть очевидні з наступних описів креслень і прикладів варіантів реалізації, де аналогічні цифрові позначення на кількох видах відносяться до ідентичних або еквівалентних особливостей, і де: фіг. 1 зображує графік зміни напруги на виводах і зміни температури конденсаторного модуля на основі HES у процесі зарядки та розрядки постійним струмом залежно від а) часу; б) електричної ємності; фіг. 2 - графік зміни напруги протягом зарядки конденсаторного модуля на основі HES різними струмами та при різних температурах модуля залежно від а) часу зарядки; б) зарядної ємності; фіг. 3 - графік зміни збільшення напруги на виводах конденсаторного модуля на основі HES, кулонівської та енергетичної ефективності протягом зарядки частинами кількості електрики залежно від нормованого стану зарядки; фіг. 4 - приклад блок-схеми одного варіанта реалізації зарядного пристрою по цьому винаходу; фіг. 5 - схематичне представлення послідовності операцій зарядного пристрою по фіг. 4 протягом зарядки; фіг. 6 - приклад блок-схеми іншого варіанта реалізації зарядного пристрою по цьому винаходу; фіг. 7 - схематичне представлення послідовності операцій зарядного пристрою по фіг. 6; фіг. 8 - графік зміни напруги на виводах конденсаторного модуля на основі HES після переривання процесу зарядки; фіг. 9 - графік зміни напруги на виводах конденсаторного модуля на основі HES і струму його зарядки протягом зарядки при перемінній потужності; фіг. 10 - послідовність операцій для ще одного варіанта реалізації зарядки; фіг. 11 - графік зміни напруги на виводах конденсаторного модуля на основі HES протягом зарядки при обмеженні напруги протягом періодів зарядки; і фіг. 12. графік зміни напруги на виводах конденсаторного модуля на основі HES, коли зарядка рекурентно включається для компенсації в ньому енергетичних втрат. Докладний опис прикладу варіанта(-ів) реалізації Нижче наведений докладний опис певних конкретних, але приблизних варіантів реалізації цього винаходу. Приклад 1 Заряджали конденсаторний модуль, що складається із семи послідовно з'єднаних HES системи PbO2|H2SO4|C. Окремий HES при кімнатній температурі та зарядці постійним струмом 50 А мав у діапазоні напруг 2,4-0,8 В наступні параметри: Ємність 180 кФ Кулонівська ємність 62 Агодина Енергія, що віддається 110 Втгодин Імпеданс (на частоті 50 Гц) 1,2 мОм Струм саморозрядження 50 мА На фіг. 1 показана зміна напруги та температури цього конденсаторного модуля в процесі зарядки та розрядки постійним струмом 50 А при кімнатній температурі навколишнього повітря. Видно, що зарядна напруга в міру збільшення ступеня зарядженості досягає максимального значення Umax=16,8 В та що при продовженні заряду воно зменшується. Як показано на фіг. 2, коли конденсаторний модуль заряджається постійним струмом різних значень і при різних температурах навколишнього повітря, напруга конденсаторного модуля змінюється таким самим чином. Ця особливість поведінки напруги протягом процесу зарядки пов'язана із протіканням "газового циклу" в пристроях HES. Максимальне значення Umax, яке 6 UA 100848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 може бути досягнуте при цих температурних умовах і певній постійній швидкості зарядки, відповідає максимальній величині зарядної ємності Qopt. На фіг. 3 показаний графік залежності збільшення напруги Umax від зарядної ємності, нормований на величину оптимальної зарядної ємності модуля Qopt. Експерименти показали, що ця залежність існує для всіх припустимих значень зарядного струму та робочих температур модуля. На фіг. 3 також показана зміна кулонівської Q і енергетичної E ефективності в різних режимах циклів зарядки та розрядки. З використанням цих залежностей виявляється можливим заряджати HES до бажаного оптимального значення стану зарядки, а також установити бажаний рівень його ємнісних і енергетичних втрат. На фіг. 4 показана схема одного варіанта реалізації пристрою зарядки 2 по цьому винаходу, який може використовуватися для зарядки HES. Конденсаторний модуль HES 1 з'єднаний з пристроєм зарядки 2. Видне, що пристрій зарядки 2 включає джерело живлення 3, датчик струму 4, контролер кількості електрики 5, контролер напруги 6 і ключ 7. Зарядка цим пристроєм 2 може бути виконана в послідовності, показаній на фіг. 5. З фіг. 5 можна бачити, що в момент перемикання (S1) пристрою зарядки 2 сигнал надсилається на контролер напруги 6, щоб виміряти початкову напругу Uсh0 (S2). Контролер напруги 6 вимірює напругу на виводах пристрою накопичення енергії та зберігає його в пам'яті. Після завершення цих операцій ключ зарядної схеми 7 перемикається, і починається відлік кількості електрики Q (S3). Якщо кількість електрики не перевищує заданої частини кількості електрики qset, зарядка триває (S4). Коли qset досягається, контролер кількості електрики 5 подає сигнал на контролер напруги 6 і встановлює значення кількості електрики на нуль. Контролер напруги 6 вимірює (S5) напругу Uсh1 на виводах модуля HES 1 і зберігає його в пам'яті. Виміряне значення напруги Uсh1 потім порівнюється із виміряним значенням напруги Uсh0, що зберігаються в пам'яті контролера, і визначає збільшення напруги Uch1-Uсh1 (S6). Якщо різниця Uсh1-Uch0 перевищує попередньо задане значення Uset, процес зарядки триває, і знову виміряне значення Uch1 зберігається в пам'яті контролера напруги 6. Потім операції, позначені тут як S3-S7, повторюються доти, поки різниця Uсh1-Uсh0 не буде нижче заданого значення Uset, у момент чого контролер напруги 6 включає ключ 7 і процес зарядки припиняється (S8). У цьому конкретному прикладі, діапазон рекомендованого значення qset був установлений, виходячи з результатів тестування різноманітних електрохімічних конденсаторів різного типу. Довготривала робота гетерогенних конденсаторів у циклічному режимі показала, що оптимальний режим роботи відповідає значенню кулонівської ефективності приблизно в інтервалі 0,93-0,98. Це означає, що надлишкова зарядка такого конденсатора, яка вимагається для стабільної циклічної роботи, становить приблизно 0,02-0,07 відносно номінальної (за технічною специфікацією) кулонівської ємності Qs пристрою накопичення енергії. Для забезпечення відповідної точності контролю та для підтримки бажаного рівня кулонівської ефективності, мінімальні та максимальні частини кількості електрики вибираються при цьому так, щоб бути, щонайменше, не менше ніж у три рази нижче оптимального ступеня надлишкової зарядки (тобто, qmin становитиме 0,007 Qs і qmax - 0,03 Qs). Клас точності вимірювального устаткування, пов'язаного із системою управління процесом зарядки, також накладає деякі вимоги на процедуру вибору значення q. Наприклад, оскільки розрахункове збільшення напруги на виводах модуля HES повинне перевищувати абсолютну помилку виміру напруги AU не менше ніж у три рази, то: qmin3CU=3 CUmax/100 причому С відповідає ємності модуля HES, і к відображає клас точності вимірювального пристрою, припускаючи, що Umax близько до верхньої межі діапазону вимірів устаткування. Отже, задана частина кількості електрики, після проходження якої вимірювання напруги здійснюються на виводах модуля HES, переважно вибирається такий, який перебував би в межах: min {0,007 Qs; 3СUmax/100)