Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания. Учебное пособие.pdf
Рис. 69. Зависимость разрядной емкости аккумуляторов от температуры:
1 – НК с металловойлочными электродами;
2 – НК с ламельными электродами; 3 – свинцовый аккумулятор
Режимы заряда открытых НК-аккумуляторов
Заряд открытых аккумуляторов и батарей производят при постоян-
ном напряжении (1,4–1,55 В) с ограничением тока в начале заряда. Мо-
мент окончания заряда определяют по истечении заданного интервала
времени, длительность которого определяется величиной зарядного
напряжения. Так, согласно данным из [7] при заряде постоянным напря-
жением 1,4 В (ограничение тока – 0,2С
) аккумулятор заряжается за 20 ч,
ном
а при напряжении 1,5 В – за 10 ч. Нужно заметить также, что по результа-
там заряда при напряжении 1,4 В разрядная емкость не превышает 85 % от
номинальной даже при длительности заряда 30 ч. Очевидно, что длитель-
ность заряда зависит и от величины зарядного тока. По данным того же
источника аккумулятор заряжается на 80 % при ограничении тока 0,1С
за 10 ч, а при ограничении тока 0,5С
– за 2–2,5 ч.
ном
ном
При достижении степени заряженности аккумулятора 80 % эффек-
тивность заряда существенно падает, что связано с началом процесса вы-
деления кислорода на положительном электроде. Поэтому считается, что
циклирование НК-аккумулятора энергетически более эффективно, если
121
его заряд останавливать при степени заряженности 80 %. Это позволяет
уменьшить газовыделение и потери воды из электролита, увеличить срок
службы аккумулятора [7].
Режимы заряда герметичных НК-аккумуляторов
Герметичные аккумуляторы заряжают постоянным током, величину
которого обычно выбирают из диапазона (0,1–0,5)C
. Момент окончания
ном
заряда определяют по времени, по напряжению, по внутреннему давле-
нию или по величине емкости, переданной аккумулятору. Как и откры-
тым, герметичным аккумуляторам для зарядки до номинальной емкости
требуется передать на 5–50 % выше номинальной емкости. Растущее
в процессе заряда напряжение следует ограничивать на уровне, не превы-
шающем 1,6 В, так как при большем напряжении на положительном элек-
троде может начаться выделение водорода [7].
В работе [16] приведен метод заряда токами, регулируемыми посред-
ством ШИМ. Согласно методу коэффициент заполнения модулированного
сигнала изменяется так, чтобы поддерживать среднее значение тока заря-
да не более 0,1С
и среднее значение напряжения не более 1,43–1,45 В.
ном
Авторы уверяют, что импульсный характер токов позволяет уменьшить
газовыделение НК-аккумуляторов.
В статье [17] описан другой метод, согласно которому сначала про-
водится заряд постоянным током, значение которого выбирается не более
0,45С
. Заряд продолжается до достижения величины напряжения
ном
1,54–1,55 В, после чего начинается заряд при поддержании постоянного
напряжения. Он длится до тех пор, пока ток заряда не упадет до величины
0,2С
. После фиксации снижения тока заряд производится по сложному
ном
алгоритму: если напряжение аккумулятора достигает 1,54–1,55 В, заряд
останавливается ровно до тех пор, пока напряжение аккумулятора не сни-
зится до 1,44–1,45 В. После фиксации снижения напряжения снова начи-
нается заряд и т. д.
122
Контроль заряда НК-аккумуляторов
В конце заряда НК-аккумулятора повышается его температура. Это
дает возможность определять момент окончания заряда НК-акку-
муляторов путем контроля его параметров – температуры и напряжения.
На сегодняшний день широко применяются следующие методы контроля
заряда:
1) метод определения момента окончания заряда по абсолютной тем-
пературе T
. При осуществлении этого метода постоянно контролирует-
max
ся температура батареи в процессе заряда, и при достижении некоторого
порогового значения заряд либо продолжается малыми токами (0,1–0,2)C
ном
(«капельный заряд»), либо прекращается совсем. Недостатком данного
метода является зависимость от температуры окружающей среды. Если
она понизится, температура батареи может не достичь порогового значе-
ния и будет перезаряжаться, а если она значительно повысится – батарея
может быть недозаряжена;
2) метод определения момента окончания заряда по скорости измене-
ния температуры ΔT/Δτ. При осуществлении этого метода постоянно кон-
тролируется крутизна (первая производная) кривой зависимости темпера-
туры батареи от времени заряда. Когда этот параметр достигает опреде-
ленного значения, заряд либо останавливается, либо переключается в ре-
жим капельного заряда. Этот метод способен определить момент оконча-
ния заряда вне зависимости от изменений температуры окружающей сре-
ды. Однако при использовании только этого метода аккумуляторы в бата-
реях могут перегреваться при повышенных температурах окружающей
среды. Для исключения таких случаев можно применить комбинацию ме-
тодов контроля абсолютной температуры и ее скорости изменения. Нужно
заметить, что быстрый рост температуры наблюдается не только в конце,
но и в начале заряда батареи. Поэтому для предотвращения преждевре-
менной остановки заряда используют таймеры отсрочки контроля скоро-
сти ΔT/Δτ;
123
3) метод определения момента окончания заряда по спаду (дельте)
напряжения заряда –ΔU. При заряде постоянным током повышение тем-
пературы аккумулятора в конце заряда приводит к характерному спаду
напряжения (рис. 70). При реализации этого метода непрерывно контро-
лируется напряжение заряда в ожидании начала его падения. После фикса-
ции падения напряжения контролируется величина спада напряжения ΔU.
Когда она достигает определенного значения, заряд либо останавливается,
либо переключается в режим капельного заряда;
4) метод отключения по максимальному времени заряда τ
. Для ре-
max
ализации данного метода просто контролируется длительность заряда. Ко-
гда она достигает величины, рекомендуемой для батареи при заданных
условиях заряда (ток заряда, температура и т. п.), заряд останавливается;
Рис. 70. Зарядная характеристика НК-аккумулятора при постоянном токе
5) метод определения момента окончания заряда по максимальному
напряжению U
. Этот метод используется для отключения заряда акку-
max
муляторов с высоким внутренним сопротивлением (в конце срока служ-
бы) или при пониженной температуре [7].
«Тепловой разгон» НК-аккумуляторов
При заряде НК-аккумуляторов всех типов (открытых и герметичных)
методом постоянного напряжения может возникать «тепловой разгон».
124
Это явление имеет следующий механизм. В конце заряда на положитель-
ном электроде начинается выделение кислорода, который поглощается на
отрицательном электроде. Процесс поглощения кислорода сопровождает-
ся выделением тепла и, следовательно, разогревом аккумулятора. В ре-
зультате разогрева аккумулятора напряжение на нем снижается, ток воз-
растает, а это приводит к еще большему выделению кислорода и лавино-
образному разогреву аккумулятора.
Избежать теплового разгона можно, обеспечив благоприятный тепло-
вой режим (вдали от источников тепла) и правильно подобрав режим заряда
при заданных условиях окружающей среды. Сам заряд необходимо прово-
дить на установках, имеющих несколько уровней защиты (по времени,
напряжению, току, емкости). При выборе напряжения заряда необходимо,
чтобы после сообщения аккумулятору 110–150 % номинальной емкости
значение нормированного зарядного тока не превышало (0,02–0,003)C
ном
[7].
2.4.3. Никель-металлогидридные аккумуляторы и батареи
В 1950-х гг. началась разработка никель-металлогидридного (НМ)
аккумулятора. Спустя почти четверть века, в 1975 г., был запатентован
первый НМ-аккумулятор. В качестве основного активного материала ме-
таллгидридного электрода в нем использовался интерметаллид пентани-
кельлантан LaNi5 [18]. Однако до начала промышленного использования
НМ-аккумуляторов прошло еще почти 10 лет. К этому моменту был со-
здан сплав LaNiCo, который способен обратимо абсорбировать водород
в течение более чем 100 циклов [19]. Работы по созданию НМ-аккумуля-
торов в СССР начались в конце 80-х гг., а промышленный выпуск был
налажен в 1993 г. [7].
Сегодня НМ-аккумуляторы применяются в электромобилях, гибрид-
ных автомобилях, радиотелефонах, радиостанциях, радиоприемниках,
устройствах охранной сигнализации, электрических бритвах, слуховых ап-
паратах, игрушках и т. п.
125
Реакции, протекающие на электродах НМ-аккумулятора, описывают-
( )
2
2
NiOOH + H O + e OH + OH
−
↔
2
MH+OH M+H O+e
−
↔
( )
2
NiOOH + MH OH + M↔
22
4OH 2H O + O + 4e
−
→
ся следующими уравнениями:
– на положительном оксидно-никелевом электроде (разряд – слева
направо):
– на отрицательном металлогидридном электроде (разряд – слева
направо):
Положительный оксидно-никелевый электрод аналогичен электроду,
используемому в НК-аккумуляторах. В качестве материала отрицательно-
го электрода применяется водородабсорбирующий сплав, который спосо-
бен поглощать объем водорода, в 1000 раз превышающий его собствен-
ный объем. В качестве электролита применяется гидроксид калия KOH
с добавкой гидроксида лития LiOH.
Уравнение общей реакции НМ-аккумулятора имеет вид (разряд –
слева направо)
Согласно этому уравнению водород передается от металлогидридно-
го к оксидно-никелевому электроду во время разряда и обратно при заря-
де. Израсходованная на оксидно-никелевом электроде вода восстанавли-
вается на металлогидридном электроде без потерь, следовательно, кон-
центрация электролита в процессе эксплуатации НМ-аккумулятора оста-
ется постоянной.
После заряда оксидно-никелевого электрода на 70–80 % на нем начи-
нается выделение кислорода согласно уравнению
(43)
126
Через пористый сепаратор кислород попадает на метоллогидридный
22
2H O + O + 4e 4OH
−
→
22
2H O + 2e H + 2OH
−
→
22
H + 2OH 2H O + 2e
−
→
электрод, где и восстанавливается:
(44)
Реакции (43) и (44) описывают замкнутый кислородный цикл, благо-
даря которому давление в герметичном корпусе НМ-аккумулятора при
перезаряде стабилизируется.
После исчерпания емкости оксидно-никелевого электрода на нем
начинается выделение водорода:
(45)
Газообразный водород проходит через сепаратор и окисляется на ме-
толлогидридном электроде:
(46)
Реакции (45) и (46) описывают замкнутый водородный цикл при пе-
реразряде (или переполюсовке) НМ-аккумулятора [7].
Конструктивно НМ-аккумуляторы мало чем отличаются от НК-акку-
муляторов. Напряжение, типоразмеры и конструктивные исполнения этих
аккумуляторов одинаковы. Они легко взаимозаменяемы в эксплуатации,
однако по ряду характеристик есть различия. Так, удельная энергия
и мощность НМ-аккумулятора более чем в 2 раза выше аналогичных ха-
рактеристик НК-аккумуляторов (табл. 8).
Можно выделить такие особенности НМ-аккумуляторов, как устой-
чивость к перезарядам и сверхглубоким разрядам (в том числе к перепо-
люсовкам). В отличие от НК- НМ-аккумулятор не подвержен дендритооб-
разованиям и не содержит токсичного кадмия Cd.
127
Таблица 8
Тип аккумулятора
Удельная энергия:
Сравнительные характеристики щелочных аккумуляторов
Параметр
Ni-Cd Ni-MH*
Номинальное напряжение, В 1,2 1,2
Вт·ч/кг 20–40 50–80
Вт·ч/дм3 60–120 100–270
Удельная мощность, Вт/кг 50–400 50–1100
Срок службы:
годы 1–5 1–5
циклы 500–1000 500–2000
Саморазряд (за 28 сут), % 20–30 20–40
Рабочая температура, °С –50…+60 –40…+60
* Краткое обозначение никель-металлогидридного аккумулятора.
НМ-, как и НК-аккумуляторы, выпускаются в корпусах трех видов:
дисковых, цилиндрических и призматических. При эксплуатации НМ-
и НК-аккумуляторов давления газов внутри их корпусов соизмеримы.
В обоих видах аккумуляторов используются однотипный щелочной элек-
тролит и одинаковые положительные электроды, поэтому и конструктив-
ные исполнения у них одинаковые.
Технические характеристики
Максимальное напряжение заряда НМ-аккумулятора зависит от за-
рядного тока (рис. 71) и температуры (рис. 72). При температуре 0 °С за-
рядное напряжение достигает 1,63 В, при 20 °С – 1,55 В, а при 40 °С –
1,50 В. Кроме того, от тока и температуры зависит и спад напряжения –
ΔU в конце заряда. При увеличении тока (рис. 71) или уменьшении темпе-
ратуры (рис. 72) спад становится более выраженным.
128
Рис. 71. Зарядные характеристики НМ-аккумулятора
при различных токах заряда:
1 – 0,1С
; 2 – 0,5С
ном
; 3 – 1С
ном
ном
Рис. 72. Зарядные характеристики НМ-аккумулятора
при номинальном токе и различных температурах:
1 – 0 °С; 2 – 20 °С; 3 – 40 °С
Разрядная емкость снижается при увеличении температуры, причем
при малых токах разряда это выражается сильнее. Так, при токе разряда
0,1C
от С
75 % от С
и температуре 0 °С разрядная емкость может достигать 110 %
ном
(рис. 73), при температуре 20 °С – 100 % от С
ном
.
ном
, а при 40 °С –
ном
129
Рис. 73. Зависимость разрядной емкости НМ-аккумулятора
от температуры при различных нормированных токах заряда:
1 – 0,1С
; 2 – 1С
ном
ном
При токе разряда 1C
достигать 130 % от С
ном
и температуре 0 °С разрядная емкость может
ном
(рис. 73), при температуре 20 °С – 110 % от С
ном
а при 40 °С – 95 %.
Скорость саморазряда НМ-аккумуляторов возрастает с увеличением
температуры хранения: за 30 суток хранения при 0 °С саморазряд аккуму-
лятора составляет 20 % (рис. 74), при 20 °С – 25 %, а при 40 °С – 80 %.
,
Рис. 74. Зависимость разрядной емкости НМ-аккумулятора
от времени хранения при различных температурах:
1 – 0 °С; 2 – 20 °С; 3 – 40 °С
130