CC BY
124
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2011. Т. 11, № 3. С. 164-167
уДК 621.355.001.8
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЁМКОСТИ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ 42НК-125
Г. П. Сметанкин, А. С. Бурдюгов, Т. В. Плохова
Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения (ОАО «ВЭЛНИИ»), Новочеркасск, Россия E-mail: [email protected] Поступила в редакцию 24.01.11 г.
Представлены сравнительные результаты восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторных батарей асимметричным и постоянным токами после их эксплуатации на электровозах в условиях постоянного подзаряда импульсами тока. восстановление емкости асимметричным током проводилось ускоренно, при сообщении батареи зарядной емкости, численно равной 1.2 Сном. восстановление емкости постоянным током проводилось в соответствии с регламентом обслуживания электровозных батарей при сообщении зарядной емкости 3Сном. восстановление асимметричным током проводилось на автоматизированной зарядной станции САЗР-4,5-380/100-уХЛ-202. Использование асимметричного тока для восстановления емкости батарей позволило сократить время цикла заряда-разряда по сравнению со стандартным режимом восстановления емкости в два раза, сократить количество циклов технологической тренировки с трех-четырех до одного-двух, а общее время переподготовки батарей к эксплуатации сократить в полтора раза, снизить экологическую нагрузку и энергозатраты при заряде.
Ключевые слова: асимметричный ток, ускоренный заряд, восстановление емкости, электровозная аккумуляторная батарея.
The comparative results of nickel cadmium storage batteries capacity regeneration with asymmetrical and direct currents after their exploitation on the electric locomotives in the conditions of constant floating with current impulses are represented. The capacity regeneration with asymmetrical current was carried out rapidly, the battery was restored with charging capacity numerically equal to 1.2Cnom. The capacity regeneration with direct current was carried out in accordance with service schedule of electric locomotives' batteries when restoring them with charging capacity 3Cnom. The regeneration with asymmetrical current was carried out on the automated charging station САЗР-4,5-380/100-уХЛ-202. Usage of asymmetrical current for the battery capacity regeneration allowed to half the time of charge-discharge cycle in comparison with standard mode of the capacity regeneration, to reduce number of technological training cycles from 3-4 to 1-2, to reduce general time of battery rebuilding for exploitation to 1.5 times, to lower ecological load and power inputs at charging.
Key words: asymmetrical current, fast charge, capacity recovery, electric locomotive accumulator battery.
введение
Никель-кадмиевые аккумуляторы (НКА) и батареи благодаря своим уникальным свойствам занимают широкий сегмент рынка. Одной из отраслей техники, где они нашли широкое применение, является железнодорожный транспорт, на котором аккумуляторные батареи используются для запуска дизельных двигателей железнодорожных локомотивов, электроснабжения пассажирских вагонов и рефрижераторов, для питания цепей управления, сигнализации и связи электроподвижного состава.
При эксплуатации НКА на электровозах в режиме постоянного подзаряда импульсами тока происходит потеря ёмкости. Та часть активной массы аккумулятора, которая длительное время не циклируется, трудно поддается заряду. Происходит пассивация активной массы, которая характеризуется более высоким перенапряжением для прохождения электродной реакции при заряде и разряде. Проявляется так называемый «эффект памяти», что равносильно уменьшению эффективной площади электродов и соответственно
© СМЕТАНКИН Г. П., бурдюгов А. С., ПЛОХО
уменьшению ёмкости аккумулятора. Для снятия пассивации и восстановления ёмкости необходимо проведение нескольких тренировочных циклов полного заряда и разряда.
Исследование поведения НКА при восстановлении емкости после эксплуатации в режиме постоянного подзаряда импульсами тока имеет большой практический интерес.
в соответствии с регламентом обслуживания аккумуляторных батарей 42НК-125 после шести месяцев эксплуатации на электровозе проводится переподготовка аккумуляторных батарей в депо, включающая сезонную смену электролита, промывку и восстановление ёмкости. восстановление ёмкости считается завершённым, если разрядная ёмкость батареи по завершению последнего тренировочного цикла больше либо равна 0.8 от номинальной емкости (0.8 Сном), что составляет 100 А-ч. По существующей технологии восстановления ёмкости заряд аккумуляторных батарей проводится постоянным током. в соответствии с инструкцией по эксплуатации для ввода исследуемых батарей в эксплуатацию проводится заряд током 31.25 А (0.25 Сном) в течеТ. в., 2011
ние 12 ч с последующим разрядом током 12.5 А (0.1 Сном) до конечного напряжения 1.0 В из расчёта на аккумулятор. Повторение циклов заряда-разряда приведённого режима увеличивает ёмкость аккумуляторов и батарей. После достижения аккумуляторной батареей ёмкости необходимого уровня батарее сообщается заряд током 31.25 А (0.25 Сном) в течение 6 ч, после которого батарея готова для установки на электровоз.
Аккумуляторы НК-125 собраны из ламель-ных электродов, активная масса которых заключена в оболочку из никелированной стальной перфорированной ленты, исполняющей роль то-коотвода. При проведении заряда аккумуляторов с ламельными электродами постоянным током практически с начала заряда начинается газовыделение, интенсивность которого нарастает в течение заряда [1]. В следствие бурного газовыделения происходит вспенивание и выплескивание электролита из аккумуляторов. Одновременно с этим пузырьки газа, выходя через перфорацию ламелей, выталкивают активную массу и токо-проводящее связующее, которые, оседая на дне аккумуляторного сосуда, увеличивают саморазряд, и создают условия для короткого замыкания пластин аккумулятора.
При заряде постоянным током установлено [2, 3], что с увеличением плотности зарядного тока электродные реакции вытесняются на поверхность электрода, вследствие чего потенциал поверхности повышается и на поверхности электрода идет процесс активного газовыделения. Для пористого электрода пузырьки газа перекрывают устья пор и препятствуют прохождению тока в глубину электрода. для ламельного электрода устья пор активной массы расположены в непосредственной близости от перфорации и при активном газовыделении полностью всё отверстие может перекрываться пузырьком газа, что затруднит прохождение тока через конкретное перфорационное отверстие. С повышением потенциала электрода доля между освободившимися от газа и закрытыми газовыми пузырьками отверстиями перфорации будет перераспределяться в сторону большего количества закрытых, а время нахождения отверстий в открытом состоянии будет уменьшаться. Таким образом, доля тока заряда, приходящаяся на преобразование активной массы, будет непрерывно снижаться и заряд активной массы в глубине ламели, так же как в пористом электроде при повышенных плотностях тока, будет происходить по твердой фазе с выравниванием потенциала от поверхности в глубину электрода, что является более медленным процессом.
При исследовании распределения асимметричного тока по глубине и поверхности электро-
да было установлено, что под действием обратного импульса выравнивается потенциал поверхности активной массы электрода, вследствие чего ток по поверхности активной массы распределяется более равномерно. Асимметричный ток заряда также позволяет получить более равномерное распределение тока по толщине электрода за счет снятия перенапряжения на поверхности активной массы электрода, расположенной в непосредственной близости к перфорации ламели (токоотводу), что задерживает процесс начала газообразования и снижается скорость газообразования. Это обеспечивает полный заряд активной массы при сообщении ёмкости 1.2 ^ 1.4 Сном без активного газовыделения и разогрева батареи [4], и делает возможным использование асимметричного тока для восстановления ёмкости ламельных аккумуляторов.
Нами выбрана форма асимметричного тока, рекомендованная авторами [5], при которой анодные и катодные импульсы чередуются через определенные промежутки времени. Катодный импульс не только снижает потенциал поверхности электрода, но и воздействует на активную массу внутри ламели, снижая её потенциал и создавая условия для отрыва пузырьков газа. В результате этого процесса пузырьки газа свободно выходят через отверстия перфорированной ленты корпуса ламели. За счет воздействия асимметричного тока снижается количество выделившегося газа и изменяется характер газовыделения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследовались НКА с ламельными электродами 42НК-125, эксплуатировавшиеся на электровозах в течение шести месяцев в количестве восьми штук, разделённые на две группы - по четыре аккумуляторных батареи в каждой. Батареи эксплуатировались на электровозах в течение шести месяцев.
В первой группе восстановление ёмкости проводилось постоянным током (/зар = 35 А), соответствующим 4-часовому режиму заряда. В каждом цикле заряда сообщалась емкость 3Сном. По окончании заряда выдерживалась часовая пауза для отгазовки аккумуляторной батареи. Разряд проводился постоянным током (1разр = 12.5 А) до напряжения 42 В (до 1 В на один аккумулятор). Восстановление проводилось до получения ёмкости не менее 0.8 от номинальной (100 Ач) что соответствует регламенту восстановления емкости. Результаты восстановления ёмкости первой группы аккумуляторных батарей представлены в табл. 1.
Г. П. СМЕТАНКИН, А. С. бурдюгов, Т. в. плохова
Таблица 1
Результаты формирования ёмкости аккумуляторных батарей первой группы № 1-4
м Заряд Разряд
о л * £ ци Ток, А С зар.' Ток, А С А-ч разр.
А-ч № 1 № 2 № 3 № 4 С ср
1 35 375 12.5 57.7 60.5 61.2 58.4 59.5
2 35 375 12.5 79.2 81.1 82.9 81.4 81.2
3 35 375 12.5 94.6 99.8 102.3 93.6 97.6
4 35 375 12.5 102.8 103.7 101.9 103.1
во второй группе восстановление ёмкости проводилось с использованием автоматизированной станции САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202, разработанной для локомотивных депо и предназначенной для проведения работ по вводу в эксплуатацию и восстановлению ёмкости электровозных никель-кадмиевых батарей 42НК-125. Представленная зарядно-разрядная станция позволяет проводить работы по вводу в эксплуатацию и восстановлению емкости батарей асимметричным током в автоматическом режиме без участия обслуживающего персонала.
Аккумуляторные батареи второй группы восстанавливались асимметричным током со средним значением тока 35 А. в каждом цикле заряда сообщалась ёмкость 1.2Сном. По окончании заряда выдерживалась часовая пауза для отгазов-ки аккумуляторной батареи. Разряд проводился постоянным током (1разр = 12.5 А) до напряжения 42 в. восстановление проводилось в автоматическом режиме до получения ёмкости, соответствующей не менее 0.8 от номинальной. Результаты восстановления ёмкости второй группы аккумуляторных батарей представлены в табл. 2.
На рисунке представлены кривые изменения напряжения на батареях 42НК-125 в процессе заряда постоянным и асимметричным током.
Представленные графики показывают, что напряжение на аккумуляторной батарее при заряде асимметричным током большую часть времени заряда ниже, чем при заряде постоянным током, рост напряжения в конце заряда проходит более резко. При заряде постоянным током происходит непрерывный рост напряжения до максимального значения, которое после небольшого спада не изменяется. При этом практически с началом заряда визуально наблюдается газовыделение. Сначала видны небольшие пузырьки на поверхности электролита. в процессе заряда интенсивность газовыделения увеличивается пропорционально росту напряжения на батарее. в соответствии с ростом интенсивности газовыделения растёт размер пузырьков, достигая максимума при максимальном напряжении, о чем говорит вспенивание и выплёскивание электролита.
и, В
55 _I_I_I_|_
О 40 80 120 С, А-ч
Кривые изменения напряжения при заряде батареи 42НК-125: 1 - постоянным током; 2 - асимметричным током
При рассмотрении графика заряда асимметричным током видно, что в процессе заряда происходит незначительный рост напряжения на батарее и только в конце отмечается достаточно резкий скачок напряжения до своего максимального значения. Далее наблюдается небольшое снижение напряжения и стабилизация на определенном уровне. Интенсивность газовыделения визуально значительно ниже, чем при заряде постоянным током, заметный её рост происходит только во время роста напряжения в конце заряда, пузырьки газа очень мелкие, всплывающие равномерно на всей поверхности электролита, при повышении интенсивности газовыделения размер пузырьков визуально не меняется, вспенивания и выплёскивания электролита при этом не происходит.
в табл. 3 представлены характеристики зарядных устройств, осуществляющих заряд постоянным током (УЗА43А-150-80) и асимметричным (САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202).
время переподготовки электровозной батареи 42НК-125 после смены электролита рассчитывали по следующей методике: суммировали время заряда и время разряда, прибавляли к сумме технологические паузы - один час после заряда для отгазовки батареи и один час после разряда для проверки и замены вышедших из строя аккуму-
Таблица 2
Результаты формирования емкости аккумуляторных батарей второй группы № 5-8
№ циклов Заряд Разряд
Ток, А С зар.' А-ч Ток, А С А-ч разр.
№ 5 № 6 № 7 № 8 С ср
1 35 150 12.5 105.8 91.4 93.1 110.3 100.2
2 35 150 12.5 110.1 110.9 110.5
Таблица 3
Характеристики УЗА43А-150-80 и САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202
Технические характеристики УЗА43А-150-80 САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202
Ток заряда, А 31.25 35.0
Время заряда, ч 12,0 4.5
Заряд батареи, % от Сном 300 125
Ток разряда, А 12.5 12.5
Максимальное время разряда батареи, ч 10 10
Максимальное количество циклов при восстановлении ёмкости во время техобслуживания 4 2
Время ввода батареи в эксплуатацию, ч 84 37.5
Потребление энергии на один цикл заряда/разряда, КВтч 33.5 12.5
Потребление энергии за период восстановления ёмкости, КВтч 134.0 25.0
ляторов, умножали на максимальное количество циклов при восстановлении ёмкости во время технического обслуживания и прибавляли время заряда батареи. Рассчитанное таким образом время переподготовки батареи после смены электролита при помощи зарядной станции САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202, осуществляющей заряд асимметричным током, в 2.2 раза меньше, чем при использовании зарядного устройства УЗА43А-150-80, предназначенного для заряда тех же батарей постоянным током.
ВЫВОДЫ
Использование асимметричного тока для восстановления ёмкости никель-кадмиевых аккумуляторных батарей 42НК-125 позволило:
- сократить время цикла заряда-разряда по сравнению со стандартным режимом восстановления ёмкости постоянным током в два раза;
- сократить количество циклов технологической тренировки с трех-четырех до одного-двух,
а общее время переподготовки батарей к эксплуатации сократить в полтора раза;
- снизить экологическую нагрузку вследствие снижения газовыделения, предотвращающего выплёскивание электролита;
- снизить энергозатраты при заряде.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сметанкин Г. П. Способы и автоматизированные средства ускоренного заряда герметичных щелочных аккумуляторов: дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск : НПИ, 2002. 162 с.
2. Купаев В. М. , Сушко В. Г. , Фесенко Л. Н., Заглубоц-кий В. И. // Химические источники тока : межвуз. сборник. Новочеркасск : НПИ, 1981. С. 115-122.
3. Барсуков В. З. , Ксенжек О. С. , Эрперт А. М. , Са-гоян Л. Н. // Электрохимия. 1974. Т. 10, вып. 2. С. 237-243.
4. Пат. 2313864 Российская Федерация, МПК Н 01 М 10/44, Н 02 : 7/10. Способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током.
5. Сметанкин Г. П., Матекин С. С., Бурдюгов А. С. // Электрохим. энергетика. 2009. Т. 9, № 1. С. 40-43.
