Спосіб енергозберігаючого заряджання свинцево-кислотного акумулятора

Реферат: Спосіб енергозберігаючого заряджання свинцево-кислотного акумулятора включає подачу на акумулятор послідовності зарядних імпульсів, тривалість зарядних імпульсів tз, встановлюють величиною сумірною з часом протікання електрохімічної стадії tex., до подачі зарядних імпульсів акумулятор розміщують в постійному магнітному полі, напрям силових ліній якого перпендикулярний напряму струму в акумуляторі, у міру збільшення заряду акумулятора амплітуду зарядних імпульсів знижують, а паузи між імпульсами збільшують, при цьому контроль процесу здійснюють за допомогою періодичного зняття потенціограми акумулятора, який заряджають. Тривалість зарядних імпульсів tз, встановлюють сумірною з часом протікання електрохімічної та концентраційної поляризації, встановлюють амплітуду зарядних імпульсів та шпаруватість; одночасно реєструють потенціограму у вигляді часової залежності напруги на клемах акумулятора, яка служить сигналом відгуку акумулятора на зарядний імпульс, та по значеннях параметрів електрохімічного процесу, які визначають із сигналу відгуку, здійснюють контроль за процесом заряджання. UA 104856 U (12) UA 104856 U UA 104856 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до енергетики, а саме до технології експлуатації свинцевокислотних акумуляторів та акумуляторних батарей і може бути використана при заряджанні акумуляторів у складі автономних систем електрозабезпечення. Свинцево-кислотні акумулятори знаходять широке застосування як резервних джерел електроенергії в децентралізованих системах електрозабезпечення, в гібридному та електротранспорті, а також в інших галузях промисловості, де немає обмежень на вагові та габаритні параметри, завдяки низьким ціновим показникам та добре відпрацьованій технології виробництва. Одним із недоліків свинцево-кислотних акумуляторів є порівняно тривалий час заряджання до рівня повної, тобто 100 % зарядженості внаслідок специфічної поведінки цієї електрохімічної системи. Із літературних джерел відомо (Ю.Б. Каменев, М.В. Лушина, И.А. Васина. Работа свинцово-кислотного аккумулятора в условиях постоянного недозаряду //Электрохимическая энергетика. 2008. Т.8, № 3. С. 146-151), що заряджання свинцево-кислотного акумулятора до рівня зарядженості 100 % потребує в середньому приблизно 16…20 годин при цьому заряджання до рівня 80-90 % потребує 1…3 години, а решта часу 15…17 годин припадає на заряджання решти 20…10 % Така велика різниця в тривалості заряджання до 100 % рівня пояснюється низьким коефіцієнтом використання зарядного струму на останній стадії заряджання, який знаходиться в межах 5…10 %. Головною причиною низького коефіцієнта використання зарядного струму на цій стадії заряджання є високий дифузійний опір, обумовлений підвищенням напруги поляризації. Низький коефіцієнт використання зарядного струму призводить до додаткових витрат електроенергії, потрібної для заряджання акумулятора на останній стадії, тобто від 80 % зарядженості до 100 %. Але проведення цієї стадії заряджання необхідно для вирівнювання зарядженості окремих акумуляторів у складі батареї, зниження сульфатації активних мас та уповільнення процесу корозії струмовідводів електродів, що в цілому забезпечує збільшення терміну експлуатації акумулятора. Виходячи із результатів огляду джерел патентної інформації, можна зробити висновок, що в основі відомих способів підвищення ефективності використання зарядного струму акумулятора лежить застосування імпульсних однополярних та асиметричних зарядних струмів, які характеризуються чергуванням зарядних та розрядних імпульсів з паузами між ними, при цьому розрядний імпульс використовують як деполяризаційний для зменшення впливу поляризації на процес заряджання. 7 Відомий спосіб заряджання свинцевого акумулятора (патент № 2180460 РФ, МПК Н 01 М 10/44, Н 02 J 7/00 надрук. 10.03.2002 р.) заснований на чергуванні імпульсів зарядного та розрядного струмів, частоту надходження імпульсів зарядного струму вибирають з одним із значень f/n - де f частота мережі змінного струму, n - коефіцієнт ділення (n+1, 2, 3…) і тривалість цих імпульсів менша або рівна одній четвертій періоду коливань в мережі змінного струму при тривалості імпульсів розрядного струму dроз.=n/f-dзар. Крім цього, величину струму зарядного імпульсу вибирають в межах Іроз.=(0,1…0,4) І0, де І0 - ефективний постійний струм заряджання, залежний від амплітуди зарядного струму та їх шпаруватості. Недоліком цього способу є складність пристрою для його здійснення, а також втрата частки енергії акумулятора на формування імпульсу розрядного струму. Такий недолік характерний і для інших способів та пристроїв для заряджання акумулятора, в основі функціонування яких лежить застосування імпульсних асиметричних струмів. За найближчий аналог вибрано спосіб заряду свинцево-кислотного акумулятора (патент № 7 86508 Україна, МПК Н 01 М 10/44, Н 02 J 7/00, надрук. 27.04.2009 р. Бюл. № 8, 2009 p.), що включає подачу на акумулятор послідовності зарядних імпульсів, тривалість зарядних імпульсів t3 встановлюють величиною, сумірною з часом протікання електрохімічної стадії поляризації tex, їх амплітуда рівна (0,3…0,1)l20 А, а паузи між імпульсами складають (2…5)t3, при цьому до подачі зарядних імпульсів акумулятор розміщують в постійному магнітному полі, напрям силових ліній якого перпендикулярний напряму струму в акумуляторі, а напруженість в просторі розташування електродних пластин і електроліту складає 20…30 мТл, причому у міру збільшення зарядженості акумулятора амплітуду зарядних імпульсів знижують до значень (0,05…0,03)С20 А, а паузи між імпульсами збільшують до (6…8)t3, при цьому контроль процесу заряду здійснюють за допомогою періодичного зняття потенціограми акумулятора, що заряджається. Недоліком даного способу є порівняно коротка тривалість зарядного імпульсу із, яка сумірна з часом протікання електрохімічної стадії поляризації, що дозволяє прискорити швидкість протікання електрохімічної реакції для подолання опору подвійного електричного шару на межі 1 UA 104856 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 електрод-електроліт та сприяє підвищенню коефіцієнта використання зарядного струму за рахунок підвищення його щільності лише впродовж часу протікання електрохімічної стадії поляризації. Але більш вагомим чинником, який суттєво впливає на коефіцієнт використання зарядного струму, є дифузійний опір на стадії концентраційної поляризації, який обумовлений нерівномірним розподілом іонів в об'ємі електроліту в порах активних мас електродів, де проходять основні електрохімічні реакції при заряджанні акумулятора, що призводить до підвищення концентраційної поляризації. Із електрохімії відомо що одним із ефективних методів вирівнювання концентрації іонів в електроліті і, відповідно, зниження концентраційної поляризації, величина якої пропорційна величині дифузійного опору, є механічне перемішування зарядів, яке можна здійснювати зовнішніми фізичними чинниками, у тому числі і магнітним полем, як це здійснюють у найближчому аналогу. Враховуючи інерційні властивості зарядів, які мають певну масу, часу впродовж перебігу електрохімічної стадії поляризації недостатньо для їх рівномірного розподілення в об'ємі протікання електрохімічних реакцій. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення коефіцієнта використання зарядного струму акумулятором шляхом впливу на нього зовнішнім магнітним полем впродовж часу протікання електрохімічної та концентраційної стадій поляризації, внаслідок чого забезпечують рівномірне розподілення зарядів в об'ємі електроліту, що призводить до зниження дифузійного опору. Поставлена задача вирішується тим, що в способі енергозберігаючого заряджання свинцево-кислотного акумулятора, який включає подачу на акумулятор послідовності зарядних імпульсів, тривалість зарядних імпульсів t3, встановлюють величиною, сумірною з часом протікання електрохімічної стадії tex, їх амплітуда рівна (0,3…0,1)С20 А, а паузи між імпульсами складають (2…5)t3, при цьому до подачі зарядних імпульсів акумулятор розміщують в постійному магнітному полі, напрям силових ліній якого перпендикулярний напряму струму в акумуляторі, а напруженість в просторі розташування електродних пластин і електроліту складає 20…30 мТл, причому у міру збільшення зарядженості акумулятора амплітуду зарядних імпульсів знижують до значень (0,05…0,03)С20 А, а паузи між імпульсами збільшують до (6…8)t3, при цьому контроль процесу здійснюють за допомогою періодичного зняття потенціограми акумулятора, який заряджається, згідно з корисною моделлю, тривалість зарядних імпульсів tз, встановлюють сумірною з часом протікання електрохімічної та концентраційної поляризації, амплітуду зарядних імпульсів встановлюють рівною 0,1 С 20 A, a шпаруватість встановлюють рівною 2, де С20 - ємність акумулятора при 20-ти годинному розряді, одночасно реєструють потенціограму у вигляді залежності напруги на клемах акумулятора, яка служить сигналом відгуку акумулятора на зарядний імпульс, та по значенням параметрів електрохімічного процесу, які визначають із сигналу відгуку,здійснюють контроль за процесом заряджання акумулятора. Суть способу пояснюється кресленням, де зображений сигнал відгуку акумуляторної батареї та відповідними позначками відмічені стадії електрохімічного процесу і його параметри, а саме: Ua1 - падіння напруги на внутрішньому активному опорі акумуляторної батареї в момент подачі на неї зарядного імпульсу, Uex - електрохімічно стадія поляризації, Uк - концентраційна стадія поляризації, Ua2 - падіння напруги на внутрішньому активному опорі в момент зняття зарядного імпульсу, Uдп - напруга деполяризації після зняття зарядного імпульсу. Спосіб реалізують таким чином. Акумулятор поміщають у магнітне поле так, щоб лінії магнітної індукції були направлені перпендикулярно напряму струму в акумуляторі і подають на нього зарядні імпульси постійного струму, величина амплітуди яких рівна 0,1 С20 А, їх тривалість встановлюють по досягненню величини напруги на клемах акумулятора, рівного 2,4 В, а шпаруватість встановлюють рівною 2. При такій тривалості імпульсів електрохімічний процес проходить усі стадії, що важливо як для контролю перебігу, так і для ефективного заряджання акумулятора. Відомо, що при переміщенні електричних зарядів, в тому числі і іонів, в магнітному полі виникає магнітогідродинамічний ефект, суть якого проявляється в одночасному впливу на заряди магнітофорезу, при якому в електроліті іони та катіони рухаються в протилежних напрямках, в результаті чого в об'ємі електроліту протікає електричний струм без дії зовнішньої напруги, та сили Лоренца, яка впливає на траєкторію руху іонів та змінює її з прямолінійної на гвинтову. Сукупна дія цих двох механізмів впливу магнітного поля на іони в об'ємі електроліту прискорює швидкість електрохімічних реакцій по подоланню опору подвійного електричного шару в момент подачі на акумулятор зарядного імпульсу та сприяє рівномірному розподілу 2 UA 104856 U 5 10 15 зарядів в об'ємі електроліту завдяки їх механічному перемішуванню під впливом сили Лоренца впродовж протікання концентраційної стадії поляризації. Таким чином, завдяки впливу магнітного поля на акумулятор у ньому підвищується швидкість електрохімічних реакцій без витрат електричної енергії від зовнішнього джерела напруги і, відповідно, підвищується щільність зарядного струму, а також знижується дифузійний опір на стадії концентраційної поляризації, що підвищує коефіцієнт використання зарядного струму. Одночасно з подаванням на акумулятор зарядних імпульсів реєструють потенціограму у вигляді часової залежності величини напруги на клемах акумулятора, яка служить сигналом відгуку акумулятора на зарядний імпульс, із сигналу відгуку визначають стадії та параметри електрохімічного процесу, по значеннях яких здійснюють контроль за протіканням зарядного процесу. При цьому показниками ефективності використання зарядного струму під впливом магнітного поля є зменшення величини падіння напруги Ua1 на внутрішньому активному опорі акумулятора в момент подання зарядного імпульсу, та в момент його зняття Ua2, яка пропорційна величині активного опору, збільшення значення величини крутизни електрохімічної К 20 25 Uex t ex , яка визначається відношенням величини напруги електрохімічної стадії поляризації стадії до величини часу протікання електрохімічної стадії та відповідає підвищенню швидкості протікання електрохімічних реакцій і, відповідно підвищенню щільності зарядного електричного струму, зниження величини концентраційної стадії поляризації Uк і відповідно, величини дифузійного опору, та збільшення величини площі під лінією спадання напруги деполяризації після зняття зарядного імпульсу, що свідчить про збільшення частки накопиченої в акумуляторі енергії за період зарядного струму. Спосіб енергозберігаючого заряджання свинцево-кислотного акумулятора був випробуваний на серії акумуляторних батарей ПАО "Веста-Дніпро". Для підтвердження можливості та ефективності його застосування у таблиці 1 наведені значення параметрів окремих акумуляторних батарей, що одержані в результаті обробки їх сигналів відгуку математичними методами, без впливу магнітного поля (а), та при розміщенні їх в магнітному полі (б). Таблиця 1 Тип батареї марка) 6СТ-60 (Forse) 6СТ-65 (Веста) 6СТ-55 (Fire ball) (торгова (a) (6) (a) (6) (a) (6) Ua1 (B) Uex (B) 0,560 0,490 0,660 0,563 0,595 0,532 tex, (c) 1,9375 1,9275 1,4300 1,4375 0,869 1,085 1,300 1,250 0,900 0,700 1,078 1,084 K=Uex/tcx, (B/c) 1,490 1,542 1,589 2,054 0,806 1,001 Uк, (B) 0,313 0,288 1,254 0,861 0,273 0,208 Ua2,(B) S 0,313 0,293 0,323 0,272 0,327 0,254 10,488 10,738 8,713 8,941 4,863 5,841 30 В таблиці 2 наведено результати порівняння відповідних параметрів у відсотках, які підтверджують ефективність способу енергозберігаючого заряджання свинцево-кислотної акумуляторної батареї під впливом постійного магнітного поля. Таблиця 2 Тип батареї (торгова ΔUa1, % марка) 6СТ-60 (Forse) -12,500 6СТ-65 (Веста) -14,772 6СТ-55 (Fire ball) -10,588 ΔK, % ΔUк, % 3,463 29,246 24,165 -8,00 -31,34 -23,81 ΔUa2, % -6,400 -15,814 -22,324 ΔS, % 2,384 2,617 20,111 35 40 У таблиці 2 знак "-" відповідає зниженню величини відповідного параметра під впливом магнітного поля. Аналіз результатів порівняння значень параметрів, наведених у таблиці 2, показує, що під впливом магнітного поля в свинцево-кислотній батареї акумуляторів зменшується величина падіння напруги на активному опорі в момент подання імпульсу Ua1 та в момент його зняття Ua2, що відповідає зменшенню величини активного опору, а також підвищується крутизна 3 UA 104856 U 5 10 електрохімічної стадії поляризації. Ці два показники підтверджують виникнення ефекту магнітофорезу, завдяки якому полегшується подолання зарядами подвійного електричного шару, внаслідок чого збільшується щільність зарядного струму без додаткових затрат енергії джерела зарядного струму. Зниження напруги концентраційної поляризації Uк підтверджує зниження дифузійного опору та, відповідно, підвищення коефіцієнта використання зарядного струму внаслідок дії сили Лоренца на іони в об'ємі електроліту, що супроводжується рівномірним їх розподілом в поровому просторі активних мас електродів. Таким чином, результати експериментальної перевірки впливу магнітного поля на свинцевокислотний акумулятор підтверджують ефективність застосування магнітного поля для підвищення коефіцієнту використання зарядного струму при заряджанні свинцево-кислотних акумуляторів і батарей. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 Спосіб енергозберігаючого заряджання свинцево-кислотного акумулятора, який включає подачу на акумулятор послідовності зарядних імпульсів, тривалість зарядних імпульсів tз, встановлюють величиною сумірною з часом протікання електрохімічної стадії tex, їх амплітуда рівна (0,3…0,1)С20 А, а паузи між імпульсами складають (2…5)tз, при цьому до подачі зарядних імпульсів акумулятор розміщують в постійному магнітному полі, напрям силових ліній якого перпендикулярний напряму струму в акумуляторі, а напруженість в просторі розташування електродних пластин і електроліту складає 20…30 мТл, причому у міру збільшення заряду акумулятора амплітуду зарядних імпульсів знижують до значень (0,05…0,03)С 20 А, а паузи між імпульсами збільшують до (6…8)tз, при цьому контроль процесу здійснюють за допомогою періодичного зняття потенціограми акумулятора, який заряджають, який відрізняється тим, що тривалість зарядних імпульсів t3, встановлюють сумірною з часом протікання електрохімічної та концентраційної поляризації, амплітуду зарядних імпульсів встановлюють 0,1 С 20 А, а шпаруватість встановлюють рівною 2, де С20 - ємність акумулятора при 20-годинному розряді; одночасно реєструють потенціограму у вигляді часової залежності напруги на клемах акумулятора, яка служить сигналом відгуку акумулятора на зарядний імпульс, та по значеннях параметрів електрохімічного процесу, які визначають із сигналу відгуку, здійснюють контроль за процесом заряджання. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4