CC BY
139
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2008. Т. 8, №3. С.164-167
УДК 621.355.82
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАРЯДА НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ АСИММЕТРИЧНЫМ И ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
Г. П. Сметанкин, А. С. Бурдюгов, С. С. Матекин
Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения
(ОАО «ВЭЛНИИ»), Новочеркасск, Россия
Поступила в редакцию 22.07.08 г.
По графикам изменения напряжения на батарее при заряде постоянным и асимметричным током и соответствующих им разрядах находятся их математические описания, интегрированием определяются затраты энергии на заряд и количество отданной энергии при разряде, определяются сравнительные характеристики эффективности заряда.
Using graphs of voltage change on the battery charged with direct and asymmetric current and of corresponding discharges we find this mathematical descriptions, energy consumption for charging and quantity of energy for discharge are specified by integration; comparative characteristics of charge efficiency are specified.
ВВЕДЕНИЕ
Для сокращения времени заряда аккумуляторных батарей (АБ) и снижения расхода электроэнергии необходимы разработки новых эффективных методов заряда. Одним из таких методов является заряд асимметричным током, когда зарядные импульсы чередуются через определенные промежутки времени разрядными импульсами тока. По сравнению с зарядом постоянным током такой метод позволяет при значительном повышении величины тока заряда снизить напряжение на АБ в процессе заряда и соответственно сократить время и энергию, затрачиваемые на заряд.
При ускоренном заряде аккумуляторов (/зар> >0.1 Сном) одной из главных проблем является повышенное газовыделение. В никель-кадмиевых аккумуляторах емкость, как правило, ограничивается положительным электродом, поэтому при заряде в первую очередь начинается выделение кислорода. На пористом электроде кислород начинает выделяться до того, как произойдет превращение всей активной массы электрода в высшие оксиды [1-4].
В работах [2, 3] при исследовании поведения электрохимических моделей пористого оксидноникелевого электрода были получены графики распределения количества электричества по глубине пористого электрода при протекании постоянного и переменного (асимметричного) тока с разными плотностями. Исследованиями авторов этих работ было доказано, что при увеличении плотности постоянного тока происходит вытеснение зарядных реакций на поверхность электрода. Постоянный ток имеет очень ограниченные возможности регулирования параметров. В то же время распределение зарядных реакций по глубине электрода при заряде асимметричным
током зависит от плотности тока, частоты и скважности разрядного импульса и соотношения амплитуд зарядного и разрядного импульсов.
Целью данной работы является исследование показателей ускоренного заряда, который позволяет снижать потенциал поверхности пластин аккумуляторов в процессе заряда и соответственно снизить расход электроэнергии, затрачиваемой на заряд АБ, и повысить коэффициент полезного действия АБ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследовались герметичные никель-кадмиевые батареи 10НКГЦ-1,8-1 в количестве 8 шт и батареи 10НКГЦ-0,9 в количестве 2 шт. Для этих батарей в технических условиях нет данных об их поведении при циклировании в режиме ускоренных зарядов постоянным током.
Аккумуляторные батареи испытывались на режимах ускоренного заряда асимметричным током Г3 = 0.25Сном и режимах номинального заряда постоянным током /- = 0ЛСном.
При заряде постоянным током батареи отключались от цепей заряда по достижении на них предельно допустимой величины напряжения согласно техническим условиям или по окончании заданного интервала времени (гзар=16 ч).
Разряд проводился номинальным постоянным током /р=0.2Сном до напряжения ^бат=10 В (1 В на аккумулятор). Отключение батареи в конце заряда при использовании устройств автоматического ускоренного заряда асимметричным током происходило по заданному алгоритму, в соответствии с изменением напряжения на аккумуляторной батарее в процессе заряда, до начала газовыделения, что особенно важно для герметичных аккумуляторных батарей.
© Г. П. СМЕТАНКИН, А. С. БУРДЮГОВ, С. С. МАТЕКИН, 2008
При циклировании произвольно взятых аккумуляторных батарей 10НКГЦ-1,8-1 и 10НКГЦ-0,9 были получены графики изменения напряжения на батарее при заряде постоянным и асимметричным током и соответствующие им графики разряда, которые представлены на рис.1, 3 и 2, 4 соответственно.
Графики, приведенные на рис. 1 и 3, имеют протяженный участок медленного роста в средней части и явно выраженный участок значительного роста напряжения на батарее в конце заряда. При заряде асимметричным током напряжение в конце заряда (при получении 75—80% номинальной емкости) резко возрастает с последующим спадом напряжения (спад для батареи 10НКГЦ-1,8-1 на рис. 1 не показан).
и, В
С, А-ч
Рис. 1 График изменения напряжения на батарее 10НКГЦ-1,8-1 при заряде: 1 — постоянным током; 2 — асимметричным током
С, А-ч
Рис. 2 График изменения напряжения на батарее 10НКГЦ-1,8-1 при разряде: 1 — после заряда постоянным током; 2 — после заряда асимметричным током
Приведенные на рис. 2 графики показывают, что батарея, заряженная асимметричным током, отдала на 10% больше емкости, чем после заряда постоянным током.
Полученные данные показывают преимущества заряда асимметричным током. Постоянный ток имеет ограниченные возможности для ускорения процесса заряда. Это связано с самой природой электродов, применяемых в аккумуляторах. Электрод щелочного аккумулятора представляет собой пористую систему конечной толщины. В пористых электродах всегда имеется градиент тока и потенциала по глубине электрода при заряде и разряде. Увеличение тока при ускоренном заряде приводит к более неравномерному распределению заряда по глубине электрода, благодаря чему поверхность быстро заряжается до величины потенциала газовыделения, образующиеся пузырьки газа частично или полностью закрывают устья пор, что создает дополнительное сопротивление протеканию тока по электролиту в глубину электрода. Одновременно с этим зарядная реакция концентрируется на поверхности электрода, а скорость заряда электрода в большей степени определяется градиентом потенциала в глубину электрода за счет протекания токов диффузии и ионообменных процессов. В начале процесса заряда градиент потенциала имеет максимальную величину, с ростом заряжен-ности глубины электрода происходит постепенное выравнивание потенциала по толщине электрода, величина градиента уменьшается, и токи диффузии уменьшаются. Соответственно доля зарядного тока, расходуемого на газовыделение, растет. Чем выше ток заряда, тем в большей степени заряд электрода определяется градиентом потенциала и током диффузии, так как большее количество пор закрывается, снижается эффективная площадь электрода, и зарядные реакции вытесняются на поверхность электрода. Интенсификация заряда возможна за счет изменения конструкции аккумулятора, в частности уменьшения толщины электродов.
и, В
С, А-ч
Рис. 3. График изменения напряжения на батарее 10НКГЦ-0,9 при заряде: 1 -— постоянным током; 2 — асимметричным током
Г. П. СМЕТАНКИН, А. С. БУРДЮГОВ, С. С. МАТЕКИН
С, А-ч
Рис. 4. График изменения напряжения на батарее 10НКГЦ-0,9 при разряде: 1 — после заряда постоянным током; 2 — после заряда асимметричным током
Значительно улучшить ситуацию позволяет заряд асимметричным током. Режимы заряда асимметричным током предоставляют большие возможности для управления процессом заряда. Параметрами, которые могут использоваться для управления процессом заряда, являются: амплитуда зарядного импульса, амплитуда разрядного импульса, частота, скважность, длительность пауз при переходе от разрядного к зарядному импульсу и от зарядного к разрядному. Эти параметры должны корректироваться в процессе заряда в зависимости от состояния аккумуляторов. Специфику электрохимических реакций в первую очередь определяет форма тока заряда, которая влияет на разделение тока между электрохимическими реакциями преобразования активной массы и реакциями газовыделения. Наиболее существенное сокращение времени заряда дают режимы асимметричного тока с коротким по длительности и большим по амплитуде разрядным импульсом.
Процесс заряда электрода определяется распределением тока по глубине пористого электрода. Чем равномернее будет распределение, тем полнее можно зарядить электрод при меньшем потенциале электрода.
Модели, отражающие реальный пористый оксидноникелевый электрод, достаточно сложны. Кроме электродных поляризационных характеристик, они должны учитывать сопротивление по твердой фазе и изменение свойств самого электрода под воздействием прошедшего заряда. Образующиеся при заряде высшие оксиды электрохимически активны, при их взаимодействии с оксидами более низкой валентности возникают гальванопары, происходит перераспределение заряда в глубине электрода. На распределение тока влияет изменение электрохимической активности, газонаполнение пор активной
массы и пр. Эти и другие явления усложняют рассмотрение задачи распределения тока в пористом электроде.
Заряд асимметричным током позволяет сократить время заряда в 3—4 [5, 6] раза и существенно уменьшить энергозатраты при заряде. Для оценки эффективности заряда асимметричным током по сравнению с постоянным были проведены заряды и разряды одних и тех же батарей, прошедших формирование и находящихся в начале циклирования. Вначале были получены графики изменения напряжения на батарее при заряде постоянным током и соответствующем ему разряде. Во избежание взаимного влияния при переходе от одного рода тока заряда к другому графики изменения напряжения на батарее при режиме заряда асимметричным током и соответствующем ему разряде были получены после прохождения нескольких циклов заряда асимметричным током.
Анализируя графики зарядов на рис. 1 и 3, необходимо отметить, что большую часть времени графики заряда асимметричным током расположены ниже графиков заряда постоянным током. При заряде активной массы в глубине электрода асимметричный ток поддерживает напряжение на аккумуляторе на более низком уровне, и только в конце заряда происходит его более резкий рост по сравнению с постоянным током. Соответственно заряд режимом асимметричных токов снижает затраты энергии.
Чтобы количественно оценить выигрыш по расходу электроэнергии при заряде асимметричным током, методом компьютерной аппроксимации были получены функции, описывающие зарядные и разрядные графики на постоянном и асимметричном токе для обоих типов батарей. Энергии заряда и разряда аккумуляторных батарей 10НКГЦ-1,8-1 и 10НКГЦ-0,9 были получены интегрированием этих функций.
Функции выражают зависимость напряжения на аккумуляторной батарее (и) от прошедшего заряда (С). Полученные результаты аппроксимации приведены в табл. 1, 2. Там же указаны абсолютные и среднеквадратичные отклонения.
Для аккумуляторной батареи 10НКГЦ-1,8-1 энергозатраты при заряде постоянным током по расчетным данным составили на один цикл Е- = = 32.52 (Вт-ч), в то время как при заряде асимметричным током Б“=25.76 (Вт-ч). При разряде батареи отдали для постоянного и асимметричного тока соответственно Е—=19.11 (Вт-ч) и Б“=21,04 (Вт-ч). КПД батареи при заряде постоянным током составляет 58.8%, а при заряде асимметричным током — 81.7%. Таким образом, при использовании режимов заряда асимметричным током энергетические показатели аккумуляторной батареи 10НКГЦ-1,8-1 повышаются
Таблица 1
Заряд аккумуляторной батареи 10НКГЦ-1,8-1
Ток заряда Аппроксимация зависимости и =/(С) Энергия заряда (Вт-ч)
Постоянный и = Ц-46.859^ + 10.7876с2 -38.8436с + 47.0266) аср.кв = 0.0526; атах = 0.418 Е-=32.52
Асимметричный и = ^(-207.29с2 + 152.88ехР(с)); аср.кв = °.131; атах = °.126 Е3 =25.76
Таблица 2
Заряд аккумуляторной батареи 10НКГЦ-0,9
Ток заряда Аппроксимация зависимости и =/(С) Энергия заряда (Вт-ч)
Постоянный и и п ^ 6 2 ' +41.081 “рО -238.486с + 312.636ехр(с)- _ —250.136с - 3 5 3.546 _ аср.кв = 0.0508; атах = 0.416 Е-=17.43
Асимметричный и = 1п аср.кв = +205.71“рЬ -226.966с2 + 214.226ехр(с)- -419.546 0.0526; атах = 0.418 Е“=14.87
на 22.9% по сравнению с режимом номинального заряда постоянным током.
Для аккумуляторной батареи 10НКГЦ-0,9 энергозатраты при заряде постоянным током по расчетным данным составили на один цикл Е- = 17.43 (Вт-ч), в то время как при заряде асимметричным током Е“ = 14.87 (Вт-ч). При разряде батареи отдали для постоянного и асимметричного тока соответственно Е- = 11.16 Вт-ч и Е“ = 11.53 Вт-ч. КПД батареи при заряде постоянным током составляет 64%, а при заряде асимметричным током — 77.5%. Таким образом, при использовании режимов заряда асимметричным током энергетические показатели аккумуляторной батареи 10НКГЦ-0,9 повышаются на 13.5% по сравнению с режимом номинального заряда постоянным током.
После циклирования ускоренными режимами асимметричного тока потери отдаваемой емкости не наблюдалось. Нагрев батарей практически отсутствовал.
При циклировании батарей режимами постоянного тока отдаваемая емкость по сравнению с асимметричным током была ниже на 10—15%.
По результатам исследований, проведенных в данной работе, можно сделать следующие выводы.
1. При ускоренном режиме заряда асимметричным током отдаваемая емкость на 10-15% выше по сравнению с зарядом постоянным током.
2. КПД аккумуляторных батарей при заряде асимметричным током повышается до 80%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Галушкин Н.Е., Кудрявцев ЮД. // Электрохимия. 1997. С. 605-606.
2. Галушкин Н.Е. Моделирование работы химических источников тока. Шахты: ДГАС, 1998. 223 с.
3. Кудрявцев Ю.Д. // Химические источники тока. Новочеркасск: Из-во НПИ, 1983. С. 67—74.
4. Кукоз Ф.И., Кудрявцев ЮД., Галушкин Н.Е. //Электрохимия. 1989. Т. XXV, вып. 7. С. 887—893.
5. Сметанкин Г.П. Способы и автоматизированные средства ускоренного заряда герметичных щелочных аккумуляторов: Дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2002. 162с.
6. Бурдюгов А.С. Способы автоматического ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей: Дис. . . . канд. техн. наук. Новочеркасск, 2005. 168с.
