2015-06-28
569
В сучасному світі практично у всіх областях технічної і господарської діяльності людини (техніці, транспорті, гірничодобувній промисловості, засобах зв'язку і комунікації, енергетиці і т.д.) використовуються електрохімічні накопичувачі електричної енергії акумулятори або акумуляторні батареї. На сьогоднішній день розроблені численні типи акумуляторів з використанням різноманітних електрохімічних систем і конструктивних рішень, що враховують специфіку умов експлуатації АКБ. Проте термін служби АКБ та її надійність в експлуатації залежать не тільки від конструкції і виду навантаження. Найважливішим аспектом проблеми забезпечення надійності і довговічності АКБ є спосіб їх заряду і відновлювального обслуговування. Тому батарею і зарядний пристрій слід розглядати як єдине ціле, яке відповідає умовам застосування.
В процесі служби свинцево-кислотних акумуляторів (як при розряді, так і при заряді) протікають процеси, що приводять до його зносу і втрати працездатності. До таких процесів перш за все відноситься зменшення провідності електродів за рахунок накопичення на їх поверхні з'єднань, які складно розпинаються та незадовільно проводять струм, наприклад, сульфату свинцю (PbS04) на свинцевих електродах. Так, у ряді робіт, наводяться дані про те, що при великих струмах навантаження у верхній частині пластин позитивних електродів розряд відбувається з найвищою швидкістю, що приводить до утворення осаду сульфату свинцю, який складно розчинається на поверхні верхньої частини позитивних пластин [31].
|
|
|
Частинки сульфату свинцю, мають знижену міцність зчеплення з основним складом активної маси позитивного електроду, можуть випадати в осад і тим самим погіршувати якість електроліту і збільшувати внутрішній опір акумулятора. В результаті винесення частинок активної маси з поверхні позитивних пластин і електрофоретичного перенесу цих частинок до пластин негативного електроду може відбуватися коротке замикання по кромках пластин і через сепаратори, що приводить до виходу акумулятора з ладу при будь-якому напрацюванні АКБ.
До небажаних побічних реакцій, що протікають в процесі роботи і обслуговування акумуляторів та акумуляторних батареї, відносяться також корозія елементів акумуляторів і виділення водню і кисню в акумуляторах з водним електролітом. Процес надмірного воднюстворювання представляє велику небезпеку для техніки і обслуговуючого персоналу, оскільки може привести не тільки до відмови акумулятора через втрату електролітом води і до роздуття герметичних акумуляторів, але і до їх вибуху. У ряді випадків (наприклад, при використанні стаціонарних АКБ в системі захисту на енергоблоках атомних електростанцій і інших енерговиробничих підприємствах) це може з'явитися причиною техногенних аварій та катастроф [32].
|
|
|
В даний час для обслуговування акумуляторів різних типів застосовують два способи їх заряду:
- заряд при постійної величини напрузі;
- заряд при постійної величини сили зарядного струму [33]. Обидва ці способу допускають дію на АКБ високих струмів навантажень, що, за наявності істотних розбіжностей величин характеристик окремих акумуляторів, форсує в деяких з них протікання описаних вище руйнівних процесів. Слідством цього є часті виходи з ладу АКБ до напрацювання встановленого гарантійного ресурсу і створення нештатних ситуацій, аж до аварійних.
Таким чином, традиційні способи зарядки і обслуговування АКБ не забезпечують необхідної надійності і довговічності їх експлуатації.
В даний час розроблений новий ефективний і економічний спосіб обслуговування акумуляторних батарей - спосіб відновлювального обслуговування акумуляторів у складі акумуляторної батареї [34, 35].
На відміну від існуючих способів обслуговування, що використовують високі струмові навантаження з перших моментів здійснення заряду батареї, даний спосіб передбачає дію на АКБ стабілізованої напруги, величина якої східчасто змінюється від мінімально можливих до максимально допустимих величин відповідно до заданого алгоритму поступальної зміни зарядного сіруму.
Запропонований спосіб застосовний для роботи з АКБ будь-якого типу. Його використовування забезпечує:
максимально можливу повноту заряду всіх акумуляторів у складі АКБ в поєднанні з відсутністю чинників, що викликають наростання розбіжності величин характеристик окремих
акумуляторів;
· високоефективне споживання зарядного струму;
· попередження створення умов для протікання в акумуляторах обслуговуваної батареї процесів руйнівного характеру: інтенсивного розігрівання, прогресуючого газовиділення, інтенсивного наростання величини напруги заряду і в цілому високо інтенсивного електрокорозійного зносу елементів акумуляторів;
· створення умов для розчинення і перетворення в повністю заряджену активну масу продуктів розряду, які складно розчинаються, що нагромадилися;
· можливість достовірної діагностики технічного стану обслуговуваних акумуляторних батарей, підбору до складу високовольтних АКБ окремих акумуляторів (акумуляторних блоків) з однаковими (або максимально близькими) величинами характеристик;
· можливість своєчасного ухвалення рішення про необхідність заміни окремих акумуляторів;
· за даними діагностики АКБ, яка виконується без проведення загальноприйнятих контрольних розрядів, представляється можливим прогнозувати залишковий запас ресурсу подальшої надійної роботи АКБ.
· Спосіб відновлювального обслуговування акумулятора у складі батареї має ряд переваг порівняно зі всіма відомими в даний час способами обслуговування АКБ, основними з яких є:
· висока техніко-економічна ефективність;
· збільшення терміну служби АКБ всіх відомих типів в середньому в 1,5...2 рази в порівнянні з нині діючими нормами;
· зменшення енерговитрат на весь комплекс обслуговування АКБ на приблизно 12.17%;
· зменшення витрат праці обслуговуючого персоналу на обслуговування АКБ в 1,5...2,0 рази;
· можливість автоматизованого вибору і реалізації в поточному часі необхідного режиму обслуговування залежно від стану АКБ, працюючої на штатне навантаження;
· можливість постійного дистанційного моніторингу технічного стану АКБ, працюючих на штатне навантаження, і зменшення на підставі цього впливу «людського чинника» на безвідмовність роботи акумуляторної батареї;
|
|
|
· підвищення економності;
· зменшення в 10 і більш раз викидів в атмосферу шкідливих газів і пари;
· скорочення в 1,5...2 рази частоти зливу електроліту з вибракуваних акумуляторів;
· зменшення викиду в атмосферу тепла.
Для реалізації способу відновлювального обслуговування розроблено і пропонується до використання інтелектуальний автоматичний високоточний зарядно-розрядний пристрій (1АВЗРП), за допомогою якого можливо обслуговування будь-яких видів акумуляторних батарей з урахуванням типу, номіналу, комплектності, а також особливостей умов експлуатації на об'єкті використовування.
Для обслуговування акумуляторних батарей за пропонованим способом використовують імпульсний заряд стабілізованою напругою, величина якої східчасто підвищується із заданою скважністю. При цьому алгоритм зміни величини сили зарядного струму передбачає зменшення інтенсивності приросту (наростання) величини сили струму заряду у міру збільшення її абсолютної величини і величини зарядної напруги, що досягається, а верхня межа величини зарядної напруги, що допускається, не перевищує значення верхньої межі напруги «зрівняльного заряду» обслуговуваної АКБ. Таке рішення дозволяє проводити відновне обслуговування без вилучення АКБ з об'єкту її штатного використовування.
Нетривале 2-годинне тестування струмом розряду 0,2*С дає можливість одержувати інформацію про необхідність проведення відновлювального обслуговування з одночасним визначенням придатності даного акумулятора або акумуляторної батареї до подальшого використовування згідно штатному призначенню.
Застосування способу двохциклового відновлювального обслуговування АКБ, на відміну від всіх інших заснованих в сучасній техніці методів, забезпечує мінімізацію протікання процесів, що приводять до зносу акумуляторів і втрати ними працездатності, а саме:
- створюються умови протікання заряду, що виключають велике виділення газоподібного водню, втрату вологи електролітом, інтенсивне розігрівання і інші процеси електрокорозійного зносу елементів акумуляторів;
|
|
|
- відбувається розчинення і перетворення в повністю заряджену активну масу продуктів розряду, що нагромадилися на пластинах електродів, які складно розпинаються, внаслідок чого забезпечується відновлювання «відстаючих» і «частково засульфатованих акумуляторів» у складі обслуговуваних високовольтних АКБ, у тому числі тих, які не мають своїх зовнішніх полюсних виводів «+» та «-»;
- збільшується об'ємна пористість активної маси, що веде до підвищення ємності кожного акумулятора, що віддається, у складі акумуляторної батареї;
усуваються є розбіжності величин характеристик акумуляторів (зарядної напруги) у складі АКБ і попереджається подальше інтенсивне наростання цих розбіжностей.
На рис. 4.15 наведені графіки відновлювального заряду АКБ 6СТ-70, яка працювала 2 роки, та не заряджалася 6 місяців. При першому заряді (тест 1) АКБ отримала 38 А*год., при другому заряді (тест 2) АКБ отримала 48 А*год. Випробування проводились з 4.11.09 по 8.11.09 на кафедрі Автомобільної електроніки ХНАДУ.
Рис. 15. Графіки відновлювального заряду АКБ
Запропонований метод обслуговування дає можливість здійснювати якісне відновлювання глибоко розряджених АКБ та відновлювання окремих акумуляторів у складі високовольтних акумуляторних батарей.
Одноразове застосування способу відновлювального обслуговування дозволяє підвищити ємність акумуляторів, що віддається, у складі АКБ на 15...35 % від номінальної. При регулярному застосуванні даного способу (не рідше 1 разу протягом 3...4 місяців) представляється можливим збільшити ресурс надійної роботи обслуговуваних АКБ в 1,25... 1,3 рази порівняно з нині діючими нормами.
Можливість об'єктивної оцінки способу відновлювального обслуговування акумуляторів та оцінці технічного стану однотипних АКБ, у тому числі нових герметичних свинцево-кислотних акумуляторних блоків виробництва різних фірм, дозволяє вирішувати проблему підбору АКБ для високовольтного блоку живлення електропривода синергетичного автомобіля з максимально близькими величинами характеристик. Слід зазначити, що дотепер не було запропоновано жодного ефективного рішення проблеми мінімізації розбіжності характеристик акумуляторних блоків у складі АКБ, хоча відомо, що наявність розбіжності характеристик вельми негативно позначається на працездатності і строку служби високовольтних АКБ.
В даний час розроблені алгоритми для відновлювального обслуговування, за допомогою ІАВЗРГІ, стартерних і інших бортових АКБ різних наземних автотранспортних засобів (автомобілів, електромобілів, сільгосптехніки, колісних і гусеничних військових машин і іншої спецтехніки), літаків і вертольотів, АКБ, які обслуговують об'єкти газотранспортних підприємств, АКБ безперебійного електроживлення та ін.
Застосування ІАВЗРП забезпечує можливість комп'ютеризувати процеси керування відновлювальним зарядом, юстування технічного стану обслуговуваної АКБ в поточному часі і т. д., а також дозволяє фіксувати і зберігати в електронному вигляді результати вимірювання параметрів, по яких оцінюється стан АКБ і визначається ресурс її надійної експлуатації, а саме вольт - амперна характеристика акумуляторної батареї.
Виготовлення ІАВЗРП може здійснюватися для обслуговування АКБ або окремих герметичних акумуляторних блоків номінальної напруги 4...48 В та відповідної ємності 4...6, 6...10, 10...17, 17...30, 30...55, 55...90, 90...132, 132...190 А*год.
Для практичного використання способу відновлювального обслуговування акумуляторів та обслуговування АКБ різних типів розроблений діючий модуль інтелектуального автоматичного високоточного зарядно-розрядного пристрою, який проходе апробацію та тестування на кафедрі Автомобільної електроніки ХНАДУ. Попередні дослідження свідчать про можливість використання способу відновлювального обслуговування акумуляторів та обслуговування блоків АКБ та системи інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ для створення екологічно чистого автотранспортного засобу.
Конструктивно система інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ виконана у модулі, зовнішній вигляд якого наведений на рис. 16.
Рис. 16. Модуль системи інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ
Система інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ призначена для виконання формовки активної маси та відновлювального обслуговування (профілактичного розряду та відновлювального заряду) окремих 12-ті вольтових свинцево-кислотних акумуляторних блоків номінальної ємності від 90 до 150А*год. При цьому автоматично утворюються умови для безкоагуляційного розчинення та перетворення до стану повністю зарядженої активної маси усіх важкорозчинних продуктів розряду. Для виконання формовки або відновлювального обслуговування достатньо проведення двох розрядно-зарядних циклів. Затрати часу на один цикл можуть досягати 60 год.
Технічні параметри системи інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ наведені у табл. 3.
Таблиця 3
Технічні параметри модуля ІАВЗРП
| 1 Найменування параметра | Значення |
| Вхідна напруга, В | 175...265 |
| Частота вхідної напруги, Гц | 47...53 |
| Максимальний вхідний струм, А | 4,4 |
| Максимальна потужність, Вт | |
| Номінальна вихідна напруга постійного струму, В | |
| Максимальний вихідний струм, А | 20,0 |
| Коефіцієнт корисної дії (при UBX=220 В, РВих>100Вт), % | 0,9 |
| Захист від внутрішнього КЗ | плавкі запобіжники вхідного та вихідного кіл |
| Захист від перегріву, °С | + 85 |
| Ступінь захисту корпусу | ІР-20 |
| Робоча температура навколишнього середовища, °С | - 10...+60 |
| Робоча відносна вологість, % | до 95 |
| Рівень акустичного шуму, дБ | |
| Габарити модуля (шхвхд), мм | 150 x 85 x 292 |
| Вага, кг | 2,5 |
| Режим роботи, охолодження | Довготривалий, повітряне примусове |
| Індикація | "IN USE/NORMAL" зеленого кольору -готовність до роботи / кінець заряду; "CHARGE" жовтого кольору -заряд; "DISCHARGE /ALARM" червоного кольору - розряд / аварійний кінець заряду |
Система інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ забезпечує розряд, заряд и підзаряд АКБ в автоматичному режимі без необхідності оперативного контролю з боку персоналу. В ході роботи система інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ розраховує ємність яка була витрачена при розряді та отримана при заряді, а також веде протокол роботи для подальшій передачі на комп'ютер.
Можливі режими роботи системи інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ:
- виконання двоступеневого профілактичного розряду, автоматичний перехід на відновлювальний заряд, виконання заряду та його автоматична зупинка;
- виконання відновлювального заряду та його автоматична зупинка (без попереднього розряду).
Інтенсивність зростання величини зарядної напруги та сили зарядного струму залежить від технічного стану акумуляторів у складі блоку, що обслуговується.
У схемі інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ використовується мікропроцесор, який дозволяє застосовувати запатентований алгоритм заряду акумуляторів у складі блоку акумуляторної батареї. Мікропроцесор забезпечує контроль вихідних параметрів, режимів роботи. Протокол циклу розряд/заряд зберігається на персональному комп'ютері для подальшого аналізу.
