Научные основы автоматизированных технологий заряда никель-кадмиевых аккумуляторов переменным асимметричным током тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Сметанкин Георгий Павлович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЗАРЯДА НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ПЕРЕМЕННЫМ АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ

Специальность 02.00.05 - Электрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Саратов 2013

Работ иымо.чмона и ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и проектио-копетрукторскин институт электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Сербипонекии Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: Кедрипскип Илья-Май Анатольевич

доктор химических наук, профессор, ФГЪОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», профессор кафедры физической и аналитической химии

Фипаёпон Александр Иванович доктор технических паук, профессор, ФГЪОУ ВГ10 «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры технологии электрохимических производств, Энгельсского технологического инсти тута (филиала) СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Галушкин Николай Ефимович

доктор технических наук, профессор,

ФГВОУ ВПО «Донской государственный технический

университет», профессор кафедры радиоэлектронных

систем Института сферы обслуживания

и предпринимательства (филиала) ДГТУ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

университет имени I !. Г. Чернышевского»

Заши та диссертации состоится 20 декабря 2013 г. в13 часов на заседании диссертационного conc i a Д 212.242.09 при ФГ'ЬОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г.Саратов, ул. Политехническая. 77. Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.. кори. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакоми ться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Автореферат разослан / m£<.r¿/jií_C_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. В. Ефанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. ХИТ являются основными источниками автономной энергии современных технических устройств самого разного назначения. Поиск и анализ новых систем для аккумулирования и хранения электрической энергии не ослабевают во всём мире, а в последнее время особенно интенсивно развиваются исследования традиционных ХИТ, среди которых щелочные аккумуляторы занимают одно из ведущих мест. Это определяется тем, что благодаря высоким эксплуатационным характеристикам, безопасности, надежности, простоте обслуживания, длительной сохранности энергии, возможности разряда форсированными режимами, безотказной работе в широком диапазоне климатических условий и способности выдерживать высокие механические нагрузки этот тип автономных источников тока незаменим во многих электротехнических устройствах, особенно в авиации, космосе, специальной технике. Значение щелочных аккумуляторов оценивается очень высоко, несмотря на прогресс в технологии свинцовых аккумуляторов и появление энергоёмких литиевых источников тока.

Поэтому весьма актуальны исследования, направленные на повышение эффективного использования активных материалов никель-кадмиевых аккумуляторов (НКА) и батарей (НКБ), улучшение их потребительских свойств, повышение надежности щелочных аккумуляторов и продление срока их службы. Одним из эффективных путей в решении этих проблем является использование нестационарных режимов заряда.

В настоящее время накоплен значительный опыт исследований по использованию асимметричного переменного тока с целью интенсификации процесса заряда щелочных аккумуляторов. Проведены исследования поведения электродов щелочных аккумуляторов при поляризации переменным асимметричным током в достаточно широких диапазонах изменения его параметров. Доказаны перспективность и преимущества использования асимметричного переменного тока для интенсификации электрохимических процессов в оксидно-никелевом электроде (ОНЭ) по сравнению с постоянным током. Так, значительный вклад в изучение нестационарных режимов работы щелочных аккумуляторов внесли научные исследования, выполненные в ЮРГТУ (НПИ) под руководством д.т.н., профессора Ф.И. Кукоза и д.т.н., профессора Ю.Д. Кудрявцева. Результаты этих работ послужили основой для проведения исследований по выявлению закономерностей влияния параметров асимметричного переменного тока на электродные процессы, а также оптимизации этих параметров с целью снижения влияния факторов, ограничивающих интенсификацию электродных процессов при заряде НКА, разработку эффективных, реализуемых для промышленного применения технологий формирования, заряда и восстановления емкости НКА и батарей, проведения оптимизации режимов технологических процессов и создание

автоматизированного оборудования для реализации этих технологий в производстве.

Разработка научно обоснованных технологий и автоматизированного оборудования соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (Энергоэффективность и энергосбережение) и перечню критических технологий Российской Федерации (Технологии создания энергосберегающих систем использования энергии).

Все вышесказанное свидетельствует об актуальности и значимости научных работ данного направления, а также позволяет сформулировать цель и задачи исследования.

Целью данной работы была разработка научных основ технологий и принципов создания автоматизированного оборудования интенсивного заряда, формирования и восстановления ёмкости НКА и реализация в виде автоматизированных технологий и созданного специального оборудования на базе результатов исследования процессов, протекающих на ОНЭ при нестационарном электролизе под воздействием переменного асимметричного тока.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1 Обобщение и классификация результатов научных исследований и научно-технической информации о процессах в НКА в условиях заряда переменным асимметричным током, о имитационных моделях для исследования пористых электродов и формах переменного тока, его параметрах и их влиянии на электродные процессы.

2 Установление закономерностей поведения пористого электрода при изменении параметров асимметричного тока (частоты, коэффициента заполнения, отношения амплитуд разрядного и зарядного импульсов). Для исследования распределения тока по глубине поры при его поляризации переменным асимметричным током была разработана имитационная модель поры ОНЭ.

3 Установление закономерностей протекания электродных процессов, определяемых конструкцией н назначением реальных НКА и батарей. В зависимости от параметров асимметричного тока: частоты, коэффициента заполнения, отношения амплитуд разрядного и зарядного импульсов, определение их влияния на поляризацию электродов аккумуляторов, газовыделение, эффективность заряда.

4 Разработка научно обоснованного комплекса критериев, характеризующих состояние аккумуляторных батарей в процессе ускоренного заряда НКА асимметричным током, и алгоритмов их использования.

5 Разработка автоматизированных технологий и оборудования ускоренного формирования, восстановления ёмкости и заряда щелочных

НКА и батарей, использующих разработанные алгоритмы выявления критериев в реальном масштабе времени.

6 Оценка влияния условий эксплуатации и интенсивных режимов заряда и восстановления ёмкости на технико-эксплуатационные характеристики аккумуляторных батарей широкой номенклатуры в режиме наработки на срок службы.

7 Технико-экономическая оценка разработанных технологий формирования, восстановления емкости и заряда асимметричным током щелочных аккумуляторных батарей и автоматизированного оборудования, реализующих режимы заряда переменным асимметричным током.

Достоверность полученных результатов, обоснованность сформулированных в диссертации научных положений и выводов базируются на применении:

- комплекса современных независимых химических, физико-химических и физических методов исследования, методов физического и математического моделирования, в том числе методов теории электрических цепей, теории автоматического управления;

- методов статистической обработки экспериментальных данных, корректностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований;

- фундаментальных физических и физико-химических законов;

- аналитических методов обработки данных экспериментальных исследований, полученных ЗАО «НИИХИТ-2», Заводом «АИТ», ЗАО «03 НИИХИТ», ОАО «ВЭлНИИ», 16ЦНИИИ и другими организациями при стендовых испытаниях и в условиях эксплуатации, согласованием результатов и теоретических положений;

- поверенных приборов и инструмента при проведении экспериментов.

Основные результаты н положения, выноснмые на защиту:

1. Имитационная модель поры ОНЭ, для которой впервые разработана принципиально новая моделирующая схема, позволившая исследовать распределение электрохимических процессов в поре ОНЭ при прохождении асимметричного тока путем варьирования параметров элементов последовательно соединённых ячеек, дающая возможность использовать в ходе исследования прикладные программы, предназначенные для аналнза работы электрических схем.

2. Комплекс критериев, характеризующих состояние НКА и НКБ, в том числе герметичных, при интенсивном заряде переменным асимметричным током и алгоритмы их применения для окончания заряда.

3. Энергосберегающие и ресурсосберегающие автоматизированные технологии интенсивного формирования, восстановления ёмкости НКА асимметричным током.

4. Энергосберегающие и ресурсосберегающие автоматизированные технологии эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, в том числе герметичных, при интенсивном заряде асимметричным током без предварительного полного разряда.

5. Принципы разработки и созданное оригинальное специальное оборудование заряда НКА и батарей различных типов и номиналов, реализующее разработанные энергосберегающие и ресурсосберегающие автоматизированные технологии, в том числе с автоматическим определением типа заряжаемой батареи и проведением соответствующего данной батарее заряда (автоматический выбор режима заряда и критериев окончания заряда), с рекуперацией разрядного импульса, передающие энергию разрядного импульса в зарядную цепь и использующие ее для создания тока заряда.

6. Разработанные классификации нестационарных процессов в НКА, критериев оценки состояния аккумуляторов (батарей) в ходе заряда и его окончания, способов их реализации.

Научная новизна. Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в том, что впервые:

1. Для исследования электрохимических процессов, проходящих в пористом электроде при прохождении переменного асимметричного тока, разработана модель поры оксидно-никелевого электрода (ОНЭ), в которой применена принципиально новая оригинальная схема, позволившая моделировать прохождение переменного асимметричного тока в зависимости от его параметров (скважности, частоты, отношения амплитуды катодного импульса к амплитуде анодного импульса).

2. Разработаны научные основы заряда переменным асимметричным током со стабилизацией амплитуд анодного и катодного импульсов.

3. Предложены и обоснованы комплексы критериев окончания заряда, в отличие от ранее известных, алгоритм выбора критерия на основании автоматического анализа напряжения аккумулятора (батареи) во время заряда.

4. Научно обоснованы параметры асимметричного тока заряда на основании их влияния на макрокинетику электродных процессов.

5. Разработаны научные положения по использованию переменного асимметричного тока в автоматизированных технологиях заряда, формирования и восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов, совокупность которых можно квалифицировать как научно обоснованные технологические решения.

6. Разработаны классификации нестационарных процессов в НКА, критериев состояния аккумуляторов (батарей) в ходе заряда и способов их реализации для его окончания.

Практическая значимость и реализация результатов заключается в следующем:

1. Разработаны принципы создания оптимальных конструкций автоматизированного оборудования ускоренного формирования, заряда и восстановления ёмкости.

2. Разработаны автоматизированные технологии ускоренного формирования, заряда и восстановления ёмкости, реализованные для различных типов и типоразмеров аккумуляторных батарей (АБ). Получено шесть патентов на технологические решения, реализованные в разработанных устройствах заряда аккумуляторных батарей.

3. Определены оптимальные параметры процесса формирования и восстановления ёмкости при минимальном количестве циклов заряда/разряда, в отличие от известных способов результат достигнут без увеличения плотности зарядного тока.

4. Предложены конкретные параметры асимметричного тока для АБ в зависимости от типа электродов (металлокерамических, прессованных и ла-мельных) и типа и типоразмера аккумуляторов и батарей.

5. Спроектирован, изготовлен и апробирован аппаратно-программный измерительный комплекс (АПК), позволяющий в процессе заряда/разряда аккумуляторной батареи в автоматическом режиме фиксировать информацию. По ходу записи длительных процессов АПК позволяет в заданные моменты времени фиксировать «кадры» с более высоким разрешением.

6. Спроектирован, изготовлен и апробирован стенд, сохраняющий в памяти информацию о количестве циклов заряда/разряда, времени и условии окончания заряда, времени разряда для автоматического циклирования по заданной программе аккумуляторов (батарей) в непрерывном режиме.

7. Разработано специальное автоматизированное оборудование, реализующее технологии ускоренного заряда, формирования и восстановления ёмкости и соответствующее критериям оптимальности конструкции. Приоритет технических и технологических решений подтвержден одним авторским свидетельством на изобретение и 28 патентами на изобретения.

8. Впервые разработано энергосберегающее специальное оборудование формирования асимметричного тока с рекуперацией разрядного импульса.

9. Разработано, изготовлено и эксплуатируется зарядное оборудование, реализующее, способы автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током:

- устройства с питанием от сети переменного тока: а) зарядные установки с гальванической развязкой от сети, для заряда асимметричным током и разряда постоянным током (а.с. № 1742940) (для

батарей шахтных электровозов (НЭВЗ г. Новочеркасск) и электровозных батарей 42НК-125 (депо ст. Каменоломни));

б) зарядные установки без гальванической развязки, с параметрическим способом задания режима асимметричного тока в диапазоне от 0,5 до 6А в качестве ограничителя тока выступает конденсатор, величина ёмкости определяет величину тока заряда (проводились испытания герметичных аккумуляторных батарей на ресурс на заводе АИТ г. Саратов, ВНИИС г.Воронеж, 16ЦНИИИ г.Москва, ОАО «ВЭлНИИ» г. Новочеркасск);

в) автоматизированная зарядно-разрядная станция САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202 (эксплуатируется в депо ст. Самара Куйбышевской железной дороги и депо ст. Россошь Юго-Восточной железной дороги);

- устройства с питанием от сети постоянного тока:

а) блоки зарядные БЗ-281 и БЗ-282 для одновременного заряда пяти и четырёх АБ, для устройств ускоренного заряда УУЗ-1 и УУЗ-2 соответственно (выпущена промышленная опытная партия);

б) автоматизированная исследовательская установка ФАТ-1800 с программно устанавливаемыми стабилизированными амплитудами анодного и катодного импульсов и программно задаваемыми в широком диапазоне коэффициентами заполнения для исследовательских работ по созданию покрытий с новыми свойствами (технологический институт ЮФУ).

Приоритет технических и технологических решений, использованных при создании устройств, подтвержден одним авторским свидетельством на изобретение и 28 патентами на изобретения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции (Набережные Челны, 1996); на научных семинарах в ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск); а также ежегодных научно-технических конференциях ОАО ВЭлНИИ (Новочеркасск, 1991-2000); научно-практической конференции ШИ ЮРГТУ (НПИ) (Шахты, 2005); Международной научно-технической конференции «Проблемы трибоэлектрохи-мин» ЮРГТУ(НПИ) (Новочеркасск, 2006); научно-практической конференции «Транспорт-2006» в РГУПС (РИИЖТ) (Ростов-на-Дону, 2006); научной конференции в Восточно-украинском национальном университете (Луганск, 2006); постоянно действующих научных семинарах «Трибоэлектрохимия» ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2007); Международной научно-практической конференции «Транспорт-2013» в РГУПС (РИИЖТ) (Ростов-на-Дону, 2013).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 70 научных публикациях, в том числе 21 научной статье, опубликованной в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, одном авторском свидетельстве на изобретение и 28 патентах на изобретения.

Лнчный вклад автора. Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, заключается в обосновании и постановке задач исследования,

Анализ влияния формы и параметров асимметричного тока на процессы заряда, формирования и восстановления НКА и НКБ

Анализ молелен пормстого ОНЭ

Разработка попои модели поры ОНЭ

участии во всех этапах экспериментальных и опытно-конструкторских разработок, статистической обработке и интерпретации результатов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит: из введения, восьми глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Текст диссертации изложен на 394 страницах, содержит 72 рисунка, 22 таблицы и 9 приложений. Список литературы включает 294 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цель и задачи проводимых исследований, обозначена научная новизна и указана практическая ценность работы.

В первой главе приведен обзор научных трудов и научно-технической информации по формированию, восстановлению емкости и заряду щелочных НКА.

Обзор публикаций и результаты проведенных исследований автора показали необходимость и целесообразность создания новых технологий и оборудования, ускоренного формирования и восстановления емкости НКА. Перспективность применения для этих целей асимметричного тока известна. За последние несколько десятилетий предложено большое количество разнообразных методов ^ и режимов формирования и восстановления емкости с применением асимметричного тока, которые не доведены до уровня технологий. Широкое внедрение технологий с применением асимметричного ^ тока в значительной степени сдерживалось как сложностью электрохимических процессов, недостаточной изученностью процессов, происходящих в порпс-

Созданке специальных автоматизированных стендов для реализации заданных параметров АТ в процессе исследования

Выбор оптимальных формы и параметров асимметричного тока

/ к > Г

Исследование закономерностей заряда, формирования и восстановления НКА и НКБ асимметричным током -*-

Оценка возможности реализации параметров асимметричного тока (техническом и экономическом)

Разработка комплекса крп терпев оценки состояния заряжаемых НКА и НКБ

Выбор структуры специального автоматизированною оборудования м стендов, расчет базовых параметров элементов оборудования

Технологии интенсивного заряда, формирования и восстановления НКА м НКБ асимметричным током

Создание специальных автоматизированных стендов для реализации заданных параметров АТ в процессе исследования и специального оборудования для реализации технологнП

Рис. I. Взаимосвязь частей исследования

том электроде при нестационарном электролизе, так и сложностью технической реализации зарядного оборудования.

В ходе анализа использования нестационарных процессов, применяемых при заряде и формировании аккумуляторов, была разработана классификация этих процессов, в которую включена разработанная в ходе данного исследования группа процессов. Классификация включает однополярные и переменно токовые импульсные процессы с синусоидальными или несинусоидальными импульсами тока. Синусоидальные импульсные циклы разделены по коэффициенту заполнения, выделен комбинированный процесс, имеющий составляющую постоянного тока с наложением на него синусоидальных импульсов. Несинусоидальные процессы разделены на процессы с гальваностатическими и негальваностатическими импульсами. Более подробно классификация изложена в диссертации.

На основе изучения работ, в которых обсуждались: вопросы макрокп-нетики в пористом электроде; факторы, ограничивающие интенсификацию процессов формирования и восстановления емкости; формирование фазового состава оксидно-никелевого электрода; влияние изменений кристаллической структуры гидроксида никеля на кинетику электродных процессов; взаимосвязь процессов, происходящих в ОНЭ с поляризацией асимметричным током, были выявлены факторы, ограничивающие процесс интенсификации заряда ПЭ, к которым можно отнести: электродные перенапряжения; газовыделение; диффузионные затруднения в глубину поры; окисление никелевой МК основы пористого ОНЭ. Из публикаций известно, что обратный импульс асимметричного тока способствует десорбции катиона щелочи из гидроксида никеля, увеличению содержания молекул свободной воды в кристаллической структуре гидроксида никеля и росту скорости переноса протона в твердой фазе, что, в конечном итоге, приводит к увеличению скорости катодных процессов в ОНЭ. Известен способ окисления никелевой МК основы пористого ОНЭ для получения активной массы в порах электрода. Следовательно, катодный импульс большой амплитуды и достаточный по времени может приводить к окислению основы МК ОНЭ. Ввиду того, что катионы калия адсорбируются преимущественно в поверхностных слоях гидроксида никеля, для разряда поверхности электрода катодный импульс может быть достаточно коротким. На основании этих рассуждений сделан вывод, что сокращение длительности катодного импульса способствует снижению вероятности возникновения коррозии никелевой основы пористой матрицы ОНЭ, а анализ работ по ускоренному заряду щелочных аккумуляторов асимметричным током показал, что короткого разрядного импульса достаточно для существенного снижения концентрационной и поляризационной составляющих в пористом электроде и следовательно, способствует равномерному распределению электрохимических процессов по толщине электрода.

На основании изучения литературных источников и проведенных предварительных исследований было установлено, что весь большой объём экспериментальных материалов по использованию переменного асимметричного тока для изучения макрокинетики процессов преобразования активной массы пористых электродов практически не поддаётся обобщению. В большинстве случаев: 1) описывается полученный эффект, и не описаны форма и параметры асимметричного тока; 2) описывается форма тока, но не приводятся результаты систематических исследований; 3) форма тока представляет усреднение той. что сформирована применяемым устройством (прибором или стендом), т.е. можно говорить только о наличии анодного и катодного импульсов и усреднённых значениях параметров асимметричного тока. Из научно-технической литературы известно, что исследователи и разработчики достигали сокращения времени формирования в основном за счет увеличения плотности асимметричного тока. При этом амплитудные значения импульсов асимметричного тока значительно превышают среднее значение тока. В некоторых работах рекомендуемое отношение амплитуд разрядного и зарядного импульсов достигает 27. Это значительно повышает омические потери в аккумуляторе, приводит к перегреву аккумуляторов. Такой подход непродуктивен с точки зрения физических и электрохимических аспектов процесса заряда и с точки зрения возможности технической реализации предлагаемых режимов.

На основе анализа существующей научно-технической информации и результатов собственных исследований было принято решение разработать научные основы интенсификации процессов заряда, формирования и восстановления ёмкости НКА и батарей при средних плотностях асимметричного тока, близких к рекомендованным для этих целей при постоянном токе, т.к. для аккумуляторов открытого типа токи формирования и заряда достаточно высокие - от 0,25 до 0,5 С1ЮМ и дальнейшее их увеличение связано с увеличением потерь при протекании тока (омических) и большими затратами на увеличение мощности зарядного оборудования (ток возрастает линейно, мощность в квадрате). Для герметичных АБ ток формирования выбирается в этом же диапазоне.

Во второй главе описаны результаты исследований закономерностей влияния параметров асимметричного тока на распределение тока в глубину пористого электрода и оптимизация этих параметров с целью равномерного его распределения по толщине электрода. Показано, что предложенные ранее импедансные модели не полностью отражают физико-химические процессы, происходящие в пористом электроде. В связи с этим предложена принципиально новая имитационная модель поры ОНЭ, в которую наряду с традиционными, введены нелинейные элементы, позволяющие зарядные и разрядные токи направлять по разным цепям схемы имитационной модели, что даёт возможность учесть особенности протекания зарядных и разрядных электрохими-

ческих реакций в поре ОНЭ. Доказана правомерность применения такой модели при изучении процессов, происходящих на пористом электроде в растворе электролита при прохождении асимметричного тока. Дальнейшие исследования проведены на разработанной имитационной модели поры.

Разработанная имитационная модель поры - замещающая электрическая схема, позволяющая использовать для исследования пакеты прикладных программ. Использовался пакет прикладных программ Micro Сар 7.0.

Изменяя параметры замещающей электрической цепи, моделировали изменение сечения поры (проводимости раствора электролита в поре), количество активной массы на данном участке, т.е. изменения в поре и на её поверхности, соответственно, по глубине электрода. Можно моделировать прохождение асимметричного тока в глубину поры в зависимости от его параметров, задавая параметры зарядного тока в виде параметров входного сигнала, имитационной модели поры.

На основании анализа научной и технической информации, приведенного в главе 1, и анализа результатов собственных исследований, для изучения влияния асимметричного тока на макрокинетику процессов электрохимического преобразования активной массы пористых электродов была выбрана за основу форма асимметричного тока с прямоугольными разнополяр-ными импульсами тока, стабилизированной амплитуды с двумя паузами в промежутках времени между окончанием анодного импульса и началом катодного импульса (О и между окончанием катодного импульса и началом анодного импульса (/„"). В исследованиях паузы одинаковые и равны 2 мс. Величина пауз выбрана на основании анализа литературных источников и длительности переходных процессов при интенсивном заряде асимметричным током, при этом учитывалась максимальная длительность переходных процессов. Также величина пауз определяется завершением коммутационных помех в силовой цепи при прерывании тока и временем, необходимым для измерения напряжения аккумулятора (батареи) в интервале паузы тока. Выбранная величина пауз минимально достаточна для завершения переходных процессов в электроде и оборудовании и практически не увеличивает длительность технологического цикла. Применение данной формы тока основано на том, что импульсы тока стабилизированной амплитуды создают гальваностатический режим протекания тока через электрохимическую систему в каждом интервале асимметричного тока. Такие параметры источника асимметричного тока необходимы для получения стабильных, воспроизводимых результатов на разных по ёмкости и типу аккумуляторах.

Электродные перенапряжения за один период асимметричного тока практически не меняются. Но в процессе протекания зарядного тока происходит изменение степени окисленности ОНЭ или изменяются условия протекания тока (например, газовыделение) что отражается на электродных перенапряжениях, которые измеряются и фиксируются. По математическим

характеристикам изменений электродных перенапряжений во времени или достижения ими определённых абсолютных величин можно сделать вывод о характере произошедших изменений в электрохимической системе, завершении одних и появлении других электрохимических процессов, причем завершение одного процесса и появление другого происходят плавно и характеризуются изменением электродных потенциалов.

Г!—1 Л4

Генератор

К осциллографу

К осциллографу Кб

АЪ

К осциллографу

Ю ж. 1-1 1

А4

К осциллснрафу

Рис. 2. Имитационная модель поры ОНЭ: А1 - единичный модуль схемы замещения элементарного участка поры;

С1 - электрохимическая емкость элемента поры; Я1 - сопротивление саморазряда;

С2, Я2 - моделируют переход ионов гидроксила из адсорбированного состояния в связанное в составе гидроксидов;

КЗ, УТ\, УТ1 - моделируют нелинейную составляющую сопротивления активации основной токообразующей реакции;

Я4±Я7 - сопротивление транспорту ионов в глубь поры

Задающий генератор в модели формирует прямоугольные разнополярные импульсы тока заданной амплитуды с двумя паузами в промежутках времени между окончанием анодного импульса и началом катодного импульса и между окончанием катодного импульса и началом анодного импульса.

Схема имитационной модели поры ОНЭ приведена на рис. 2. Модель представляет собой параллельно соединённые схемы замещения элементарных участков поры. Глубина поры определяется по току, протекающему по единичному модулю А4. Коэффициент проникновения тока в глубину поры вычислялся какК-1к/10 • 100, где /„ - ток, протекающий через модуль А4; 1о - полный ток заряда. Настройка и проверка модели на постоянном токе описаны в диссертации.

Исследования проводили следующим образом: фиксировали частоту (/) и коэффициент заполнения катодного импульса (О"), с определённым ша-

гом меняли отношение амплитуд катодного импульса к анодному импульсу. Получали зависимость тока в глубине поры от отношения амплитуд. Таким же образом, фиксируя две величины и изменяя третью, получили зависимости доли тока в глубине поры от коэффициента заполнения и частоты. За несколько итераций получили представленные результаты.

Результаты исследования распределения тока в поре с равномерным распределением активной массы и неизменного сечения позволили сделать следующие выводы. Доля глубинного тока растет по мере увеличения отношения п = /Д, амплитуд катодного (/к) и анодного (/а) импульсов асимметричного тока (рис. 3).

Зависимость величины тока в глубине поры от частоты асимметричного тока имеет экстремальный характер, максимум соответствует диапазону частот 5-15 Гц, но в диапазоне частот Зч-20Гц наблюдаются значения К, близкие к наилучшим, т.е. соответствующие наилучшему распределению зарядного тока (рис. 4). При снижении частоты тока распределение зарядного тока по глубине закономерно приближается к распределению для постоянного тока, при увеличении частоты процесс заряда постепенно «выталкивается» на поверхность электрода. При/= 95-100 Гц доля тока в глубине электрода не превышает 10 %.

Рис. 4. Влияние частоты асимметричного тока на долю глубинного тока

30

0 1 2 3 4 5 N

Рис. 3. Зависимость доли глубинного тока от отношения амплитуд катодного и анодного токов

Увеличение зарядного тока закономерно уменьшает долю тока в глубине электрода, что объясняется ростом ограничений диффузионного характера по мере возрастания тока заряда (рис. 5). Увеличение отношения /; =/к//а способствует более равномерному распределению тока по глубине электрода, поэтому для более полной проработки электрода п должно быть в диапазоне от 3 до 5.

Увеличение коэффициента заполнения П катодного импульса положительно влияет на распределение тока по глубине электрода, однако зависимости носят характер насыщения, и при значениях £">0,04 доля тока в глубине электрода практически не растет (рис. 6).

Таким образом, проведенные исследования имитационной модели поры ОНЭ позволили выявить диапазоны оптимального изменения параметров асимметричного тока заряда для максимального снижения влияния факторов, ограничивающих интенсификацию электрохимических процессов преобразования активной массы пористых электродов, что выражается в наиболее равномерном распределении тока по глубине электрода: п =3-5, /=4-10 Гц, О =0,04-0,1, гп+= {'=2 мс.

30

20

Л

\ 3

\ - 2-4

. 1*— 1

16

14

у 3

/

0,1

0,3

0.4

0

0,04

0,08

0,12

Рис. 5. Влияние величины тока на его распределение тока по глубине поры ОНЭ при разных отношениях амплитуд катодного и анодного импульсов: 1 -постоянный ток;2-/А=3;

Рис. 6. Влияние коэффициента заполнения" катодного импульса на долю тока в глубине поры ОНЭ при 4//а= 3(1); /к//а= 4 (2); /к//а= 5 (3)

Установленные диапазоны параметров асимметричного тока хорошо согласуются с результатами, полученными автором при исследовании физических макетов НКА с целью определения оптимальных режимов ускоренного заряда асимметричным током.

В третьей главе диапазоны параметров асимметричного тока, определённые в главе 2, рассмотрены с точки зрения их технической реализации, определены и обоснованы критерии оптимальности параметров режима асимметричного тока. Для выбора технически реализуемых оптимальных параметров режима асимметричного тока

были получены зависимости токов от различных параметров режима асимметричного тока, в пределах диапазонов, определенных при исследовании моделей в главе 2 и при проведении предварительных экспериментов. На рис. 7 представлена форма асимметричного тока, используемая в исследованиях и реализованная в технологиях, с параметрами п=3, /=4 Гц, £>"=0,04, 'п+ = 'п=2 мс.

Взаимосвязь параметров асимметричного тока описывается следующими математическими выражениями:

Рис. 7. Форма асимметричного тока с обозначением параметров

/=1/7, (1)

где /- частота асимметричного тока, Г = (г+ +Г + + Гп) - период асимметричного тока; и Г - длительности зарядного и разрядного импульсов соответственно; ¡1 = =2 мс - длительность интервалов отсутствия тока;

£+= г+/Г, (2)

Ц-= Г/Т. (3)

Г = п- Г, (4)

2+=Г-Г+, (5)

(2~ = гг, (6)

где £>+ и £Г - коэффициенты заполнения зарядного и разрядного импульсов, соответственно; /+ и Г- амплитуды токов зарядного и разрядного импульсов, соответственно; <£ и <2 -заряд, проходящий через аккумулятор в зарядный и разрядный интервалы асимметричного тока, соответственно.

Величины среднего и полного зарядного тока равны соответственно:

ср г-рI уп ' \ /

| 1 -р ' ^ На рис. 8, 9 и 10 представлены взаимные зависимости параметров асимметричного тока, отраженные в данных формулах. Алгоритм построения зависимостей следующий: 1) задается величина среднего тока заряда /ср, например, /ср = 1 А, и паузы при переходе от зарядного тока к разрядному и от разрядного тока к зарядному ^Г (/п+ - Ь =2 мс); 2)строятся зависимости полного

/. Гц

Рис. 8. Зависимости токов от отношения Рис. 9. Зависимости токов от частоты

амплитуд токов /,,а,р / /„г при/=con.it, и =соп$г. асимметричного тока при п=сопх1, £>' =сопа1: 1 - /„; 2-1 1Ю„; 3 - /4 - /" 1 - /е„; 2 - / „„„; 3 - I4 - Г

тока (/„олн). амплитуды зарядного тока (/+), амплитуды разрядного тока (Г) при: а) изменении отношения тока разряда к току заряда (п = Г / Г) в выбранном диапазоне; б) изменении коэффициента заполнения (£>') в выбранном диапазоне; в) изменении частоты (/) в выбранном диапазоне.

Оптимальность разрабатываемого оборудования, реализующего автоматизированные технологии, определяется: а) минимизацией потерь в силовой схеме; б) использованием рекуперации энергии разрядного импульса

Рис. 10. Зависимости токов от скважности разрядного импульса при п=сопт, / =согШ: 1 - /с„; 2 - / пол". 3 - / + ; 4 - Г

(возвращение энергии разрядного импульса в цепь заряда); в) использованием минимальной номенклатуры силовых приборов.

Схемотехнические решения, в которых силовые электронные приборы работают в ключевом режиме, обеспечивают минимальные потери при преобразовании энергии. Более подробно это описано в диссертации.

В зарядном оборудовании формирования асимметричного тока, разработанном автором и защищенном патентами, используются

схемы с рекуперацией разрядного импульса. При разряде аккумуляторной батареи энергия разрядного импульса преобразуется в заряд входной ёмкости фильтра, которая разряжается при переходе к зарядному интервалу асимметричного тока. На входе зарядного устройства установлен диод, который защищает источник питания от обратного тока при рекуперации.

Для биполярных транзисторов разница между номинальным и максимальным значениями рабочего тока составляет от 3 до 5 раз при условии, что превышать максимальное значение тока недопустимо. При использовании в качестве силовых приборов биполярных транзисторов (в том числе IGBT) оптимально реализуемое отношение п = 3, при этом отношении амплитуды разрядного импульса к амплитуде зарядного импульса один и тот же тип силового прибора, используемый для создания тока заряда и тока разряда, будет загружен оптимально: в зарядной цепи - током, соответствующим номинальной загрузке, в разрядной цепи - током, соответствующим максимальной загрузке.

Для полевых (MOS) транзисторов основными характеристиками являются омическое сопротивление канала и возможность отвода тепла от корпуса, т.е. тепловое сопротивление корпуса.

Для асимметричного тока (рис. 7) энергию зарядного и разрядного импульсов, выделяемую на полевом транзисторе, можно представить в виде

Е+ = ((Г)2 • г • Г; Е~ = (Г)2 ■ г • t

где г - внутреннее сопротивление полевого (MOSFET) транзистора.

Мощность зарядного и разрядного импульсов равна W* = Е+ /Т = (f)2 ■ г -Г /Т; \\r = ЕГ/Т - (Г)2 • г - Г/Т.

Отношение мощности зарядного импульса к мощности разрядного импульса в соответствии с формулами (2), (3) и (4) равно

УГ/ 1Г = (п-Г)2 у /( Г)2 г - й+= п2 £>~ / (9)

для выбранных соотношений параметров (представленных на рис. 7) получаем

ЦТ/ № = 9-0,04/0,944 = 0,38.

Расчет по формуле (9) показывает, что параметры асимметричного тока (н =3; 7=250 мс; 0=0,04; гп+ = гп" = 2 мс) соответствуют диапазонам, определенным в главе 2 и реализуемы с минимальными энергетическими потерями. При любых изменениях параметров в определенных в главе 2 диапазонах возрастает значение полного тока в соответствии с вышеприведенными зависимостями (рис. 8, 9 и 10), растёт относительная мощность разрядного импульса в соответствии с (9), что требует использования в разрядной цепи более мощного прибора для реализации одной и той же средней величины асимметричного тока заряда.

Анализ технических проблем, возникающих при разработке устройств заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, показал, что:

- повышение частоты асимметричного тока,

- увеличение отношения амплитуд катодного и анодного импульсов,

- увеличение коэффициента заполнения катодного импульса приводят к росту амплитудных значений анодного тока для поддержания заданной величины среднего тока заряда, что повышает затраты энергии на реализацию режима и стоимость зарядного устройства.

В соответствии с вышеизложенным оптимальным с точки зрения эффективности электрохимических процессов н технической реализации с помощью автоматизированных устройств из диапазонов параметров асимметричного тока, определённых в главе 2, является режим асимметричного тока с параметрами: /= 4 Гц; п = Г/Г = 3; В = 0,04; г„+ = гп" = 2 мс. Асимметричный ток с выбранными в этом разделе параметрами проходил испытания на широкой номенклатуре аккумуляторов (батарей) разных типов и технологий изготовления.

Во втором разделе представлены методики его исследований, описаны стенды, на которых проводились исследования форсированного заряда,

1

Рис. 11. Изменение разрядной емкости п процессе формирования аккумуляторов НКПлГЦ-0,5 постоянным током, группа 1 н асимметричным током группы 2 и 3

формирования и восстановления ёмкости. Представлены основные результаты формирования ёмкости макетов НКА емкостью 0,5 А-ч (ячеек), НКА емкостью 20 А-ч и макетов аккумуляторов НКПлГЦ-0,5 с тонкими прессованными электродами.

Электроды физических моделей НКА идентичны электродам аккумуляторов емкостью 20А ч и представляют собой герметичные емкости, залитые электролитом, с двумя прессованными кадмиевыми электродами и одним МК ОНЭ между ними, разделенные двумя слоями сепаратора СПП-10СГ, с встроенными: цинковым электродом сравнения, термодатчиком и газоотводом для измерения объема выделившегося газа.

Сравнительные испытания режимов формирования емкости проводились на макетах никель-кадмиевых аккумуляторов НКПлГЦ-0,5 с тонкими прессованными электродами, номинальной емкостью 0,5 А-ч. Макеты аккумуляторов были разбиты на три группы по пять аккумуляторов. Первую группу заряжали постоянным током 0,05 А, эквивалентным 0,1С„ОМ.

Вторую группу формировали асимметричным током, с параметрами: /=4 Гц; «=1к/1а=3; £>"=0,04; (п+ = г„~ = 2 мс. Форма асимметричного тока третьей группы имела параметры: /Ь4 Гц; и =/к//а=1/27; £"=0,8; гп+ = /„" = 2 мс.

В таблице 1 представлены значения токов и параметров первого (в верхней строке) и последующих циклов формирования макетов аккумуляторов НКПлГЦ-0,5 групп №2 и №3.

Таблица 1 - Значения средних, полных, амплитудных токов заряда и разряда испытываемых режимов асимметричного тока__

Режим для групп акк-роо Циклы О и V А / А 1 по.т Г, А Г, А

№ 1 с 1 по 6-м 0.000 0,000 0,050 0,050 0,050 0,000

№2 1-й 0,040 3,000 0,070 0,090 0,085 0,255

со 2 по 6-й 0,040 3,000 0.145 0.187 0,176 0.528

№3 1-й | °-800 1/27 0,070 0,097 0,453 0.017

со 2 по 6-й | 0,800 1/27 0,145 0,201 0,939 0,035

Аккумуляторы разряжали постоянным током 0,1 А, эквивалентным 0,2СНО„. до напряжения 1 В. Всего было проведено 6 циклов формирования. На рис. 11 представлены усредненные кривые изменения емкости при формировании аккумуляторов НКПлГЦ-0,5.

Полученные результаты подтвердили преимущества асимметричного тока. Наиболее эффективным оказался режим формирования второй группы аккумуляторов, позволивший при повышении среднего зарядного тока в 1,4 раза в первом цикле, и в 2,9 раза в последующих, и снижении общего времени формирования более чем в два раза, повысить отдаваемую емкость НКА

на 14 % по сравнению с формированием аккумуляторов постоянным током. Таким образом, выбранные в данной работе параметры асимметричного тока позволяют значительно снизить амплитуды импульсов тока, по сравнению с ранее предложенными параметрами асимметричного тока при лучших результатах.

При сравнении двух форм асимметричного тока видно, что амплитуда зарядного импульса формы тока третьей группы более чем в 5 раз превышает амплитуду зарядного импульса формы тока второй группы, что приводит к большим омическим потерям при протекании тока, а также способствует росту электродных перенапряжений, которые создают условия выделения газа, всё это снижает эффективность зарядного импульса тока большой амплитуды. Применение короткого разрядного импульса позволяет значительно уменьшить амплитуду зарядного импульса при тех же средних значениях тока. Это позволяет проводить заряд при более низких перенапряжениях на электродах. Установлено, что реализация выбранных формы и параметров асимметричного тока значительно уменьшает омические потери и удешевляет зарядные устройства.

В таблице 2 представлена программа формирования емкости аккумуляторных ячеек.

Таблица 2 - Программа формирования ёмкости макетов НКА (ячеек) и результаты испытаний_

-5- с Номер цикла и зарядная емкость Си|/С||(,ц 1 и Оощне 1 | = и П Ьмкость С,1Л/С|ЮЧ Время формирования (технологическая пауза 24 часа)

г е ё В 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1С „.ус,,.*) О V X X 6 п

1 ) 1,25 1,5 1,5 1,5 1,7 1,7 1,8 2,0 2,0 15,95 1,000 1,06 1,00

2 1 1,25 1,5 1,5 1,5 1,7 1,7 1,8 2,0 2,0 15,95 1,000 1,17 ! 1.00

3 2 1,6 1,8 1,6 1,6 1.8 1,9 2.0 - - 14,29 0,897 1,18 | 0,81

4 3 2,5 2 - 7,5 0,470 1,22 0,32

5 4,5 1,8 6,3 0,395 1,22 0,22

6 4.5 1,8: 6.3 0,395 1,16 0,22

•• Затененные ячейки таблицы соответствуют цикя»м эар«» йостоянньш током

Формирование емкости ячеек групп №1 и №6 проводили постоянным током, ток заряда /зар=0,25 А (0,5 Сном). Ячейки групп №2. №3, №4 и №5 формировали асимметричным током, ток заряда /3,1р ср =0,25 А (0,5 С110к1). Зарядный ток одинаков, отличаются сообщаемые ёмкости в цикле и количество циклов формирования. Ячейки групп №1 и №2 формировали в соответствии с технологической программой, рекомендованной заводом-изготовителем для формирования постоянным током. Ячейки групп №5 и №6 формировали по одинаковым программам для сравнения интенсивности формирования разным родом тока. При заряде измеряли объем выделившегося

газа, напряжение и температуру ячеек, потенциалы электродов. Материалы и их обсуждение представлены в диссертации

Разряд проводили постоянным током /разр=0,1 А до напряжения {/рМр= 1 В. На рис. 12 представлены соотношения затрат времени, энергии и полученные ёмкости при формировании ячеек групп №1-№6. Наименьшие относительные затраты и наибольший эффект формирования получен для ячеек групп №4, №5 и №6, которым соответствует длительный заряд на первом цикле (С=3; 4,5; 4,5 С„ом) соответственно: асимметричный ток заряда для ячеек групп № 4 и №5 и постоянный ток заряда для ячеек группы № 6. Изменение разрядной емкости по циклам формирования ячеек групп №1-№4 отражено на рис. 13. Отдаваемая емкость ячеек групп №5 и №6 не менялась уже после первого цикла формирования и составила 1,22 С110м для ячеек группы №5 и 1,16 С„ом для ячеек группы №6. Ёмкость ячеек группы №4 не менялась после второго цикла формирования и составила 1,22 Смом.

При формировании разрядная емкость ячеек группы №1 -№3 медленно нарастала до окончания формирования на 10, 9 и 8-м циклах соответственно. При этом отдаваемая емкость ячеек групп №4 и №5 после завершения программы формирования на 15 % выше по сравнению с ёмкостью ячеек группы №1. Это подтверждает эффективность выбранной формы и параметров асимметричного тока формирования.

При формировании минимальный нагрев ячеек наблюдался в первом цикле. В последующих циклах степень нагрева возрастала с каждым последующим циклом, интенсивность нагрева ячеек резко повышалась с началом газообразования. Этот результат явился основанием к исследованию увеличения длительности заряда в первом цикле формирования. Из публикаций известно, что зарядная реакция в никель-кадмиевом аккумуляторе идёт с поглощением тепла (эндотермически), но при интенсивных зарядах это не явно выражено, т.к. поглощение тепла компенсируется выделением тепла за счёт протекания больших токов. При формировании аккумулятора на первом цикле происходит интенсивное преобразование всей активной массы электродов и эффект эндотермической реакции выражен наиболее сильно, что позволяет проводить длительные заряды для формирования без кондиционирования батарей в первом цикле.

ТмП

1 со

I")

ого 010 о 20 о со

с/с.,».

1.50

и' 1.10

1,0: 1,00

^ N° группы

Рис. 12. Сравнительные данные формирования ячеек:

1 - отношение времени;

2 - отношение энергии;

3 - относительная ёмкость

I - постоянный ток, ячейки группы №1; 2 - асимметричный ток, ячейки группы №2;

3 - асимметричный ток, ячейки группы № 3;4 - асимметричный ток, ячейки группы № 4

При интенсификации формирования путем повышения сообщаемой емкости в первом цикле для ячеек групп №4, №5 и №6 требуемая суммарная сообщаемая зарядная ёмкость снизилась более чем в 2 раза.

Анализ публикаций, касающихся макрокинетики процессов, и результаты наших исследований показывают, что в условиях интенсивного газовыделения, в большей степени проявляющегося при поляризации электродов постоянным током, в пористом электроде происходят флуктуации плотности тока по поверхности электрода, связанные с неравномерностью газообразования и газоотведения из пор ОНЭ, что ведет к неравномерному распределению процесса заряда по глубине поры, а более высокая поляризация электрода приводит к повышенным энергозатратам. В данном случае пониженный разогрев и газообразование в первом цикле способствуют интенсификации формирования ОНЭ путем повышения сообщаемой емкости в первом цикле. Это в какой-то мере объясняет результаты формирования ячеек группы №6 постоянным током.

Интенсивное газовыделение отрицательно сказывается на качестве формирования емкости НКА, особенно, имеющих прессованные электроды, так как вызывает отслоение активной массы от токопроводящей решетки и приводит к потере емкости электродов. Для визуального контроля процесса формирования прессованного кадмиевого электрода были собраны две группы ячеек. Кадмиевые электроды находились в свободном объеме электролита, что способствовало визуализации процесса формирования активной массы. С двух сторон на расстоянии 20 мм были установлены противоэлек-троды из гладкого никеля. Первая группа формировалась постоянным током, а вторая группа - асимметричным током с параметрами /=4 Гц, п =/к//а=3, £"=0,04, гп+ = г„ -2 мс. Исследовалось поведение кадмиевого прессованного электрода при длительных перезарядах постоянным и асимметричным током, режимами, аналогичными формированию в первом цикле. Токи заряда ^пост — Аю 0,56 СНОм И Сза[1 — 5,6 Смом.

Процесс формирования кадмиевого электрода проходит при интенсивном выделении водорода. В результате формирования постоянным током

поверхность кадмиевых электродов покрылась многочисленными вздутиями, интенсивность отслоений уменьшалась от периферии к центру. Газовыделение было в виде пузырьков разного размера, одни вырастали на поверхности электрода, рост до отрыва проходил постепенно, другие, большие по размеру, как бы вырывались из глубины, резко увеличивались в размерах и затем отрывались от места образования. Это можно объяснить тем, что выделение водорода происходит как на кадмии, так и на никелевой подложке прессованного кадмиевого электрода. Интенсивность этого процесса достаточно высока, а восстановленный металлический кадмий имеет недостаточную пористость для беспрепятственного пропускания такого объёма газа, и образовавшийся газ отрывает его от подложки, образуя пузырь, а дальше в слабом месте он разрывается и газ под давлением выходит наружу. При формировании кадмиевых электродов асимметричным током существенно отличается характер газообразования, газ на поверхности кадмиевого электрода начал появляться после сообщения ему 1,4 Сном в виде молочного тумана вокруг электрода и интенсивность его росла до окончания эксперимента. Мелкие пузырьки без видимого укрупнения и вспенивания электролита выходили на поверхность, вздутий и отслоений на поверхности электрода не наблюдалось. Фотографии электродов после испытаний представлены на рис. 14.

Результаты исследований показа- < , < ' Ш ^

ли, что выбранная форма и параметры

тивно влиять на процессы газовыделения шйШ^таШ |

длительные перезаряды аккумуляторов Л^^^^ИШ

без разрушения кадмиевых электродов, а 5

соответственно, позволили интенсифи- р11С. 14. Фотографии кадмиевых

цировать процесс формирования емкости электродов после сообщения

аккумуляторов. Однако, если рассматри- ёмкости 5,6 С„ом

вать результаты формирования ячеек груп- а> электР0Д после Формирования

... „ асимметричным током;

пы №6 постоянным током, то данный экс- б) электрод после форм,фОВ£ШИЯ

перимент показывает, что аккумулятор, постоянным током

сформированный при длительных перезарядах постоянным током, при эксплуатации не в полной мере будет соответствовать своим техническим характеристикам, коробление и отслоение активной массы на кадмиевом электроде может привести к повреждению сепарации и корпуса аккумулятора.

Далее представлены сравнительные испытания режимов формирования емкости постоянным и асимметричным токами (/^=4 Гц, п =1х/1а=3, 0 = 0,05, гп+ = /„" = 2 мс), которые проводились на никель-кадмиевых аккумуляторах номинальной емкостью 20 А ч. В таблице 3 представлены программы формирования групп аккумуляторов и результаты испытаний.

Таблица 3 - Программы формирования аккумуляторов емкостью 20 Ач и результаты испытаний

Рис. 15. Сравнительные данные формирования аккумуляторов НКМ 20:

1 - отношение времени;

2 - отношение энергии;

3 - относительная ёмкость

Результаты по циклам формирования для групп аккумуляторов емкостью 20 Ач приведены на рис. 16. Полученные данные хорошо согласуются с результатами форми-

М

0.9 0.7

0,5

0,3

Рис. 16. Изменение разрядной емкости при формировании аккумуляторов емкостью 20 Ач: 1 - постоянный ток гр.1

2 - асимметричный ток гр.2

3 - асимметричный ток гр.З

4 - асимметричный ток гр.4

5 - асимметричный ток гр.5

3 И -г Режим формирования а 1 &

Номер групп Количество а КУМУЛЯТОПО! Зарядная емкость С.)Пр/С„0М в цикле Общие затраты (Смр/С,„„) и с. п (и Е (I) 3 о О X О о и л н о 1Я формировш юлогическая п за 24 часа)

Номер никла 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 н О 1 К х а. о ш В

• 1 24 1,0 1,2 1,5 1,5 1,6 1,7 1,7 1,8 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 24,0 1,00 1,18 . 1,00

2 5 1,0 1,2 1,5 1,5 1,6 1,7 1.7 1.8 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 22,0 0,92 1,29 0,93

3 5 1,0 1,2 1.5 1,5 1,6 1,7 2,0 2,0 2,0 14,5 0,60 1,23 0,64

4 5 3,0 2,5 2,5 2,0 2,0 2,0 14,0 0,58 1,18 0,45

5 5 4,5 2,5 2,0 2,0 11,0 0,46 1,24 0,31

Затененные ячейки таблицы соответствуют циклам заряда постоянным током

Общие затраты - зарядная емкость за период формирования эквивалентна затраченной энергии. Отношение энергий к базовому варианту - это показатель эффективности способа заряда с точки зрения энергоемкости процесса. На рис. 15 представлены соотношение затрат времени и энергии при формирован™ аккумуляторов групп №1-№5 и полученные в результате формирования относительные ёмкости. Наименьшие относительные затраты и наибольший эффект формирования получены для аккумуляторов группы №5, которой соответствуют асимметричный ток и длительный заряд на первом

рования емкости аккумуляторных ячеек. При увеличении длительности заряда и первых циклах также сократилось необходимое число циклов формирования емкости, и увеличилась отдаваемая емкость.

Однако для аккумуляторов емкостью 20А-Ч при формировании группы №5 (таблица 3) потребовалось провести три цикла, тогда как для формирования ячеек группы №5 (таблица 2), при сообщении в первом цикле формирования тех же 4,5 Сном, потребовался всего один цикл.

Удельные отдаваемые емкости аккумуляторов емкостью 20А ч соответствовали результатам полученным при формировании аккумуляторных ячеек.

Таким образом, результаты, полученные при исследовании аккумуляторных ячеек, подтверждены результатами, полученными при исследовании реальных аккумуляторов.

Если рассматривать общее время, затрачиваемое на формирование для аккумуляторов и ячеек, то оно складывается из времени заряда, разряда и времени технологических пауз, необходимых для «отгазовки», величина которых задаётся производителем в диапазоне от 24 до 36 часов. Рекомендованные режимы сокращают количество циклов формирования, в результате общее время формирования емкости для аккумуляторов емкостью 20А-Ч снижено примерно в три раза по сравнению с существующим режимом формирования.

Разработанные способы формирования емкости герметичных и закрытых НКА защищены патентами.

Применение асимметричного тока при формировании обеспечивает равномерное распределение фазовой структуры по объему ОНЭ, благодаря чему не возникает дополнительных механических напряжений в электродах и деформации корпуса аккумуляторов.

Четвертая глава посвящена разработке технологии восстановления ёмкости аккумуляторных батарей и включает два раздела: восстановление ёмкости открытых батарей 42НК-125 и восстановление ёмкости герметичных батарей 10НКГЦ-1,8-1.

Эксплуатация никель-кадмиевых аккумуляторных батарей на железнодорожном транспорте, в соответствии с регламентом технического обслуживания электровоза, требует проведения переподготовки АБ каждые шесть месяцев. Переподготовка АБ включает в себя смену электролита (с зимнего на летний или наоборот) и восстановление ёмкости аккумуляторной батареи 42НК-125, эксплуатируемой в буферном режиме. Отметим, что эксплуатация АБ в буферном режиме по природе электродных процессов аналогична хранению аккумуляторов в заряженном состоянии. Так как по условиям эксплуатации необходимо поддержание АБ в полностью заряженном состоянии, поэтому бортовое зарядное устройство производит заряд батареи при постоянном напряжении (спадающим током) с коррекцией напряжения в зависимости от температуры окружающей среды. Из литературных источников, приведенных в главе 1, известно, что при таких режимах заряда аккуму-

лятор (батарея) теряет до 30% своей ёмкости за счёт пассивации нецикли-руемой активной массы. Для восстановления емкости после смены электролита в депо, согласно принятому регламенту, проводят четыре формировочных цикла заряда и разряда постоянным током при сообщении батарее на каждом цикле 3 С„ом.

Для проведения работ в локомотивных депо по вводу в эксплуатацию никель-кадмиевых батарей 42НК-125 разработаны технология восстановления емкости и автоматизированная станция САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202, позволяющая проводить восстановление емкости батарей асимметричным током в автоматизированном режиме. В результате исследований выбраны следующие параметры тока:/=4 Гц, п =1к/1а=3, £>"=0,08, гп+ = сп" = 2 мс, отличающиеся от выбранных ранее увеличенным в два раза коэффициентом заполнения. Это связано с тем, что электроды аккумуляторов НК-125 ламель-ной конструкции, т.е. активная масса заключена в перфорированную металлическую оболочку и доступ к ней затруднён. При малых значениях коэффициента заполнения, часть катодного импульса большой амплитуды шунтируется ламелью. Его становится недостаточно, чтобы обеспечить необходимую степень воздействия на поверхностный слой активной массы, для равномерного распределения зарядной реакции в глубину электрода. Увеличение коэффициента заполнения в два раза дало необходимый результат, подтверждённый испытаниями и многолетней эксплуатацией режима, реализованного в САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202.

По результатам десятилетней работы станции САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202, которая эксплуатируется в локомотивном депо ст. Самара Куйбышевской железной дороги, получены следующие результаты: сокращено время восстановления емкости никель-кадмиевых батарей 42НК-125 более чем в 2 раза по сравнению с принятыми режимами восстановления постоянным током; количество циклов технологической тренировки сокращено с 3-И- до 14-2; снижено газовыделение, соответственно, отсутствует выплескивание электролита; ускоренное восстановление асимметричным током не ухудшило технико-эксплуатационные показатели батарей.

Модернизированная станция введена в эксплуатацию в депо ст. Россошь Юго-Восточной железной дороги. Станция включает устройство разряда и позволяет полностью

1

-"Ч

1 2 3 4 п.

Рис. 17. Изменение емкости батареЛ 10НКГЦ-1,8-1 при восстановлении: 1 - постоянным ток; 2 - асимметричный ток

автоматизировать процесс формирования ёмкости АБ. Станция рекомендована к расширенному внедрению в локомотивные депо по итогам конференции «Транспорт-2006» в РГУПС (РИЖТ).

Разработка технологии восстановления емкости герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей с прессованными электродами ЮНКГЦ-1,8-1 после 10 лет ответственного хранения проведена по заданию 16ЦНИИИ.

Хранение в течение 10 лет осуществлялось в отапливаемом помещении в упаковке завода-изготовителя со смазанными консервирующей смазкой токоотводами. Состояние заряженности в условиях хранения не оговаривалось (батарея хранилась в неопределённом состоянии). Активная масса за счет протекания внутренних процессов преобразовалась в устойчивые, неактивные формы. В технических условиях на АБ описана процедура ввода в эксплуатацию. Ток 0,1 Смом , граничное напряжение 16 ± 0,2 В, время заряда 16 часов или достижение граничного напряжения. В результате исследований для восстановления ёмкости был определён асимметричный ток с параметрами Гц, п =/к//а=3, 0=0,04, гп+ = = 2 мс и величиной 0,3 Смом. Восстановление ёмкости проводили на автоматизированном стенде с автоматическим отключением заряда по уровню граничного напряжения. Результаты исследования показали, что при восстановлении емкости батарей 10НКГЦ-1,8-1 асимметричным током для полного формирования батарей до номинальной емкости потребуется 3-^4 цикла. Для восстановления емкости батарей из этой же партии постоянным током необходимо не менее восьми циклов. Отметим, что около 20% батарей постоянным током не восстанавливались и выходили на уровень номинальной емкости только после проведения циклов асимметричным током. Результаты восстановлении емкости батарей 10НКГЦ-1,8-1 представлены на рис. 17.

Технологии и оборудование формирования и восстановления емкости герметичных и открытых НКА защищены четырьмя и тремя патентами соответственно.

Восстановление ёмкости аккумуляторов переменным асимметричным током позволяет сократить время восстановления в два и более раз, как за счёт увеличения тока заряда, так и за счёт сокращения количества циклов, необходимых для формирования, а также применять автоматизированные технологии восстановления ёмкости.

Пятая глава посвящена исследованию поведения щелочных аккумуляторных батарей различных типов при ускоренных зарядах постоянным и асимметричным токами.

На основе анализа публикаций, патентной информации и результатов собственных исследований были разработаны и реализованы режимы асимметричного тока для ускоренного заряда герметичных щелочных НКА. Базой анализа в основном служили работы д.т.н. Ф.И. Кукоза. д.т.н. Ю.Д. Кудрявцева. д.т.н. Н.Е. Галушкина, к.т.н. В.Г. Сушко и некоторые другие.

На основе анализа сравнительных исследований применения переменного асимметричного и постоянного токов заряда для макетов НКА и НКА и

батарей разных типов, номиналов и технологий изготовления установлено, что применение асимметричного тока повышает эффективность технологических операций заряда, формирования и восстановления ёмкости по сравнению с постоянным током.

В первом разделе изложена методика сравнительных исследований поведения аккумуляторных батарей при номинальных режимах заряда постоянным током 0,1 С„ом. и ускоренных режимах асимметричного тока 0,8-1,2 С1ЮМ..

Во втором разделе проведен сравнительный анализ влияния номинального режима заряда постоянным током и ускоренного режима заряда асимметричным током на энергетические показатели аккумуляторных батарей.

Исследования проводили на герметичных аккумуляторных батареях 10НКГЦ-1,8-1 и ЮНКГЦ-0,9.

В ходе исследования автоматически записывали изменение напряжения на аккумуляторе в процессе заряда и разряда. Аккумуляторные батареи отключались от цепей заряда по достижении на клеммах батареи величины напряжения, определенной ТУ или инструкцией по эксплуатации данной батареи. Сравнивали затраты энергии на заряд и разряд. Функции, описывающие соответствующие зарядные и разрядные характеристики, получены с помощью программного обеспечения, предназначенного для обработки экспериментальных данных с целью получения их математического описания. Затраты энергии на заряд аккумуляторов и энергию их разряда, вычисляли как определенные интегралы зарядных и разрядных характеристик батарей на соответствующих временных диапазонах.

Для батареи 10НКГЦ-1,8-1 энергозатраты при заряде постоянным током составили на один цикл Езп=32,52 Втч, в то время как при заряде асимметричным током Еза=25,76 Вт ч (снижение на 26 %). При разряде батареи после заряда постоянным и асимметричным токами энергоотдача составила, соответственно, Ерп=19,11 Вт-ч и Ера=21,04 Вт-ч (увеличение на 10 %). Отдача батареи по энергии при заряде постоянным током составила 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 почти на 23 % по сравнению с режимом номинального заряда постоянным током.

Для батареи ЮНКГЦ-0,9 энергозатраты при заряде постоянным током составили Езп=17,43 Вт ч, в то время как при заряде асимметричным током -Еза= 14,87 Вт-ч (снижение на 17%). Энергоотдача при разряде составила Ерп=11,16 Вт ч после заряда постоянным током и Ера=11,53 Вт ч после заряда асимметричным, т.е. отдача увеличилась на 5 %. Относительная отдача батареи по энергии при заряде постоянным током составляет 64 %, при заряде асимметричным током - 77,5 %. Таким образом, при использовании режимов заряда асимметричным током абсолютные и относительные энергетические показатели аккумуляторной батареи ЮНКГЦ-0,9 повышаются на 13,5% по сравнению с режимом номинального заряда постоянным током, при сокращении времени заряда в несколько раз.

В третьем разделе рассмотрены критерии, характеризующие состояние аккумуляторной батареи в процессе заряда. Проведены классификации критериев состояния аккумуляторов (батарей) и окончания их заряда, а также способов реализации этих критериев. Показано, что состояние аккумуляторов в ходе заряда оценивают с помощью изменений электрических (напряжение и ток) и неэлектрических (длительность заряда, давление газа в корпусе, температура. масса (вес)) величин. При этом окончание заряда может определяться одним критерием - достижением отдельным параметром заданной величины или заданной величины изменения параметра, либо, окончание заряда может определяться комплексом критериев, применяемых по определенному алгоритму. Применяемые критерии и алгоритм окончания заряда определяют способы их реализации. Поэтому классификация способов оценки состояния аккумулятора или батареи и окончания заряда в целом соответствует классификации критериев окончания заряда. Отличия классификации определяются техническими решениями, реализующими данный критерий или последовательное применение выбранных критериев. Подробно классификации описаны в диссертации.

Обобщенный вид кривых изменения напряжения на аккумуляторной батарее при заряде постоянным и асимметричным токами представлен на рис. 18 и 19. На основании анализа экспериментальных данных предложены критерии окончания заряда.

и А

Рис. 18. Изменения напряжения

аккумуляторной батареи и процессе интенсивного заряда постоянным током

Рис. 19. Изменения напряжения

на аккумуляторной батарее п процессе интенсивного заряда асимметричным током

Напряжение ограничения, данное в ТУ для герметичных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, соответствует напряжению под током, когда большая часть тока заряда расходуется на выделение газа, поэтому оно было принято за критерий окончания заряда аккумулятора. Способ заряда асимметричным током с автоматическим выключением тока заряда при достижении на полюсах батареи заданного уровня напряжения показал свою пригодность только для исправных батарей. Как показали расширенные исследования, для создания технологии автоматизированного ускоренного заряда одного этого критерия недостаточно, необходимо не только с высокой на-

дежностью определять заряженное состояние аккумуляторной батареи, но и диагностировать ее исправное состояние, а также в реальном масштабе времени осуществлять управление процессом заряда. Для осуществления этих целей необходимы критерии, отражающие общие для всех типов НКА процессы, происходящие в ходе заряда. В результате обработки экспериментальных данных установлено, что основной характеристикой, по которой можно судить о качестве процесса заряда, являются параметры изменения напряжения на аккумуляторе (батарее) при заряде, то есть не сами абсолютные величины напряжения в процессе заряда, которые для разных типов аккумуляторов и при разных плотностях зарядных токов имеют достаточно широкий разброс значений (от 1,35 до 1,65 В при С~0,5 Стм на аккумулятор), а характеристики, полученные в результате анализа изменений напряжения на аккумуляторе, позволяющие судить о ходе процесса, в том числе, о смене электрохимического процесса. В качестве таких характеристик предложено использовать первую и вторую производные функции напряжения по времени. Использование для анализа второй производной от напряжения по времени позволяет определить момент изменения вогнутости/выпуклости на зарядной кривой, который дает возможность судить о завершении преобразования активной массы ОНЭ в высшие оксиды и переключении значительной доли зарядного тока на электролиз воды. Обобщенный вид кривых изменения напряжения на аккумуляторной батарее при заряде постоянным и асимметричным токами представлен на рис. 20 и 21. На рисунках видно, что при заряде асимметричным током использование предложенных критериев более очевидно, и с высокой степенью надежности определяется окончание заряда для аккумуляторных батарей с неопределенной степенью разряженности. На основе систематизации и анализа зависимостей напряжения на аккумуляторах при заряде, было предложено и обосновано использование комплекса следующих критериев контроля состояния аккумуляторной батареи или аккумулятора для завершения их заряда: а) уровень напряжения на клеммах аккумуляторной батареи (аккумулятора) и достижение заданного напряжения (£/=£/;„„); б) первую производную напряжения и появление её отрицательного значения (сШ/с1г<0); в) вторую производную

напряжения с12и/с!!1 и изменение её знака с положительного на отрицательный (с!2и/ск2 = 0). Алгоритм использования критериев представлен на рис. 22.

Выбранные критерии и алгоритм послужили основой разработанной и апробированной на производстве технологии автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током аккумуляторных батарей широкой номенклатуры, в том числе герметичных.

Шестая глава посвящена исследованию технико-эксплуатационных характеристик герметичных щелочных НКА и аккумуляторных батарей при ускоренных режимах заряда асимметричным током.

II

и к.

¿Л,г

-НЧЩГ-

к

сГ-иМС-

0

Рис. 20. Изменения напряжения аккумуляторной батареи при разной

исходной степени разряженности в процессе заряда постоянным током. Стрелками обозначены характерные участки

и А чРиМЛ

- - т у ' ) ^ " нГ "

и„т с!2и/с112=0

0 С С

Рис. 21. Изменения напряжения на аккумуляторной батарее при разной исходной степени разряженности в процессе заряда асимметричным током. Стрелками обозначены характерные участки

Рис. 22. Алгоритм выбора критерия окончания интенсивного заряда

В первом разделе приведен сравнительный анализ полученных экспериментальных данных, по исследованию основных эксплуатационных характеристик герметичных НКА при ускоренном заряде постоянным и асимметричным током и, соответственно, влиянию интенсификации заряда на технико-эксплуатационные характеристики аккумуляторов и батарей. Исследовали герметичные аккумуляторные батареи в диапазоне ёмкостей от 0,5 до 6,0 Ач. Поскольку ТУ на большинство батарей не содержат данных о наработке зарядно-разрядных циклов при ускоренном заряде постоянным током, исследования проводили при ускоренных зарядах постоянным и

Было установлено, что при ускоренном заряде постоянным током отдаваемая емкость снижается до 10 раз быстрее, чем на соответствующих режимах заряда асимметричным током.

На рис. 23 представлены зависимости разрядной ёмкости аккумуляторной батареи 10НКГЦ-1,8-1 от количества зарядно-разрядных циклов при различных токах заряда. Кривые 2 и 3 соответствуют 20-минутным режимам заряда постоянным и асимметричным токами. При заряде постоянным током после шестого цикла емкость, отдаваемая батареей, становилась меньше установленной ТУ граничной ёмкости (0,6СМОМ). В то же время при ускоренном заряде асимметричным током количество зарядно-разрядных циклов составляло 50. Таким образом, сверхкороткие режимы заряда асимметричным током дают 8-кратное увеличение ресурса при ускоренном заряде. При полуторачасовом режиме заряда асимметричным током (/шр ср= 1,2 А) отдаваемая ёмкость за 120 зарядно-разрядных циклов практически не изменилась и была близка к номинальной.

Во втором разделе приведены результаты испытаний батарей 10НКГЦ-1,8-1 на сохранность ёмкости при разных сроках хранения после заряда асимметричным и постоянным током. Заряд на хранение постоянным током проводился согласно ТУ током /зар= 0,1С1ЮМ в течение 16 часов (сообщали ёмкость 2,88 А-ч), или при достижении на батарее граничного напряжения [У1р = 16 ±0,2 В. Заряд на хранение асимметричным током проводился током 0,7СНОМ на автоматизированном устройстве заряда асимметричным током с отключением при достижении на батарее граничного напряжения.

асимметричным токами различной величины.

Копмвстго догов

Рис. 23. Зависимости емкости АБ ЮНКГЦ-1,8 от количества циклов при: постоянном токе заряда 6 А (2); среднем значении асимметричного тока 6 А (3) и 1,2 А (4); граничная емкость Сгр= 0,6С„ок,.=1,08 А-ч (1)

В таблице 4 представлены результаты испытаний батарей 10НКГЦ-1,8-1 при заряде асимметричным током.

Таблица 4 - Разрядные ёмкости батарей ЮНКГЦ-1,8-1 при испытаниях на сохранность ёмкости после длительного хранения (заряд асимметричным током)

Серийный номер батареи Сшр, А-ч Длительность хранения, сут. Срш, А-ч Г /Г '—раз' ной

5780593 1,89 30 1,52 0,844

5780593 1,91 30 1,50 0,833

4130593 1,87 30 1,50 0,833

4130593 1,87 30 1,71 0,950

4130593 1,90 30 1,50 0,833

4330393 2,03 30 1,90 1,056

050393 2,25 30 1,52 0,844

16070593 2,10 30 1,65 0,917

5780593 2,25 80 1,43 0,794

4130593 2,03 80 1,43 0,794

4330393 2,03 80 1,65 0,917

Разрядные ёмкости всех батарей, заряженных асимметричным током, оказались выше значения 0,6СНОМ. Средняя разрядная ёмкость после хранения 30 суток составила 88,9% от Сном, после хранения 80 суток - 83,5% от Сном.

В таблице 5 представлены результаты испытаний батарей 10НКГЦ-1,8-1 при заряде постоянным током. Здесь средняя разрядная ёмкость после хранения 30 суток составила 74,8% от С„ом, после хранения 80 суток - 66,7%.

Таблица 5 - Разрядные ёмкости батарей 10НКГЦ-1,8-1 при испытаниях на сохранность ёмкости после длительного хранения (заряд постоянным током)

Серийный номер батареи С^ар, А-Ч Длительность хранения, сут. Срш, А-ч Срщ/Слом

6590593 2,88 30 1,08 0,600

14500593 2,88 30 1,30 0,722

14500593 2,88 30 1,26 0,700

5770593 2,88 30 1,44 0,800

13730593 2,88 30 1,65 0,917

14500593 2,88 80 1,20 0,667

5770593 1,90 80 1,00 0,556

310393 2,88 80 1,40 0,778

Испытания на сохранность ёмкости после истечения 30 суток для батарей, заряженных режимом асимметричного тока, показали 19%-е преимущество перед батареями, заряженными постоянным током. При хранении батарей 80 суток наблюдалось 25 %-е преимущество.

По результатам проведённых испытаний можно сделать следующие выводы:

- при ускоренном заряде асимметричным током батарея 10НКГЦ-1,8-1 удовлетворяет техническим условиям в отношении сохранности заряда при длительном хранении;

- показано преимущество технологии заряда асимметричным током по сравнению с зарядом постоянным током для батарей, предназначенных для длительного хранения;

- повышенная сохранность заряда у аккумуляторных батарей, заряжаемых асимметричным током, косвенно подтверждает факт формирования более равномерного по объёму электродов и более энергетически устойчивого фазового состава по сравнению с фазовым составом электродов, формируемых постоянным током, за счет снижения концентрационной и поляризационной составляющей пористых электродов аккумулятора при заряде асимметричным током.

В третьем разделе описана методика испытаний на долговечность, основанная на методике ТУ 44РК4676561-009-94 для аккумуляторных батарей 10НКГЦ. В отличие от стандартной методики заряд проводился током 1,5-г2 часового режима, а конечное напряжение каждого пятого разряда составляло 10,0±0,2 В. Представлены результаты испытаний батарей для аппаратуры средств связи различных типов и номиналов. На долговечность испытывались герметичные аккумуляторные батареи в диапазоне ёмкостей от 0.94 до 4 А-ч.

Показано, что при циклировании аккумуляторов на установке автоматизированного ускоренного заряда током 1,5н-2-часового режима, на границе ресурса аккумуляторных батарей, определённого производителем для номинального заряда постоянным током (/зар=0,1 С,гом.) в диапазоне 300-400 циклов. в зависимости от типа батареи отдаваемая ёмкость близка к С,10М

В четвёртом разделе дана математическая обработка результатов испытаний. Показано, что ресурс аккумуляторных батарей, заряжаемых на оборудовании автоматизированного ускоренного заряда током 1,5-г2-часового режима, возрастает в 3-4 раза по сравнению с заявленным производителем для номинального заряда постоянным током.

Исследования, представленные в этой главе, подтверждают соблюдение эксплуатационных характеристик испытуемых аккумуляторных батарей при эксплуатации АБ на автоматизированном оборудовании асимметричного тока заряда, использующем комплекс критериев окончания заряда. Для герметичных батарей время заряда сокращается в несколько раз при увеличении ресурса и сохранности заряда.

Седьмая глава посвящена разработке оборудования, реализующего технологии автоматизированного интенсивного заряда, формирования и восстановления ёмкости. Описана реализация разработанных способов и режимов ускоренного заряда для аккумуляторов и батарей различной номинальной емкости и разных условий эксплуатации. Приведен краткий анализ проблем, возникающих при разработке оборудования, предназначенного для заряда щелочных аккумуляторных батарей асимметричным током.

За основу была принята идеология цифрового управления зарядным оборудованием. Использование микропроцессоров в оборудовании управления позволяет осуществлять контроль процесса заряда аккумуляторной батареи и управление параметрами режима заряда в реальном времени, а также для каждого типа батареи проводить заряд соответствующим режимом, который содержится в памяти программ микропроцессора. Опыт создания автоматизированного зарядного оборудования показал, что наиболее целесообразно создание специализированных блоков управления для оборудования ускоренного заряда асимметричным током на базе однокристальных микропроцессоров (ОМП).

Разработаны следующие типы автоматизированного зарядного оборудования: с гальванической развязкой (на базе ОМП ВЕ35, для восстановления ёмкости электровозных АБ), с параметрическим заданием режима асимметричного тока (на базе ОМП ВЕ35, для ускоренного заряда и восстановления ёмкости герметичных АБ средств связи), с питанием от сети постоянного тока (на базе ОМП 18051 и PIC), одноканальные и многоканальные с автоматическим определением типа заряжаемой батареи и проведением режима заряда, соответствующего типу батареи, с питанием от промышленной 3-фазной сети для заряда и восстановления ёмкости электровозных АБ.

В первом разделе описано оборудование с гальванической развязкой.

Оборудование, созданное на базе ОМП КР1816ВЕ35, предназначено для заряда электровозных батарей 42НК-125, ток заряда до 90А. Оборудование эксплуатируется в депо ст. Каменоломни.

Во втором разделе рассмотрено оборудование с параметрическим заданием режима асимметричного тока. Величины зарядных и разрядных токов определяются емкостью конденсаторов, включенных в соответствующие цепи, и нет необходимости в их регулировании. Оборудование реализует технологию автоматизированного заряда герметичных батарей с отключением процесса заряда при достижении напряжения на батарее граничного уровня и защищено патентами Российской Федерации №2134476, № 2216087, № 2219638, № 2219639. Это оборудование показало достаточно высокую надежность, оно использовалось при наработке ресурса исследуемых батарей.

В третьем разделе описано зарядное оборудование с питанием от сети постоянного тока, для мобильных объектов, на базе высокочастотных ШИМ-преобразователей. По заказу Министерства обороны РФ были разработаны БЗ-281 и БЗ-282 для оборудования ускоренного заряда УУЗ-1 и УУЗ-2 соответственно на пять и четыре зарядных канала. Оборудование успешно прошло квалификационные испытания, выпущена опытная промышленная партия.

Разработаны также одноканальные зарядные установки на базе ОМП модульного исполнения, программно адаптируемые для использования с любыми типами аккумуляторных батарей.

В разделе обсуждения результатов рассмотрена эффективность применения разработанных технологий и оборудования при эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей.

Представлена функциональная схема автоматической зарядно-разрядной станции САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202, предназначенной для ускоренного восстановления емкости аккумуляторных батарей 42НК125. Станции эксплуатируются в депо «Самара» Куйбышевской железной дороги и депо «Россошь» Юго-Восточной железной дороги. По сравнению с промышленным зарядным оборудованием УЭА43-150-80, эксплуатируемым в настоящее время в локомотивных депо, станция САЗР-4.5-380/100-УХЛ-202 имеет в четыре раза меньший вес, на 20 % больший коэффициент полезного действия, существенно меньшие габариты. В соответствии с расчетными данными, производительность увеличена 2,4 раза, время ввода батареи в эксплуатацию уменьшилось в 2,3 раза.

Представлена функциональная схема автоматизированной исследовательской установки ФАТ-1800 с задаваемыми в широком диапазоне: стабилизированными амплитудами анодного и катодного импульсов; периодами асимметричного тока; коэффициентами заполнения анодного и катодного импульсов. Установка предназначена для исследовательских работ по созданию покрытий с новыми свойствами, анодному окислению, оксидированию, осаждению покрытий металлических и композиционных, из органических и водных суспензий, а также позволяет совмещать осаждение и окисление.

В заключение можно сказать, что всё это оборудование создавалось по мере совершенствования знаний о процессах, проходящих в аккумуляторах и АБ и по мере совершенствования аппаратуры управления (однокристальных микропроцессоров) и силовых коммутирующих приборов. Всё это продолжает развиваться. В качестве развития оборудования для общих электрохимических исследований разработана и изготовлена установка ФАТ-1800.

В восьмой главе представлена оценка экономического эффекта от внедрения станции САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202. При расчете экономического эффекта в качестве базы сравнения применялись показатели заменяемой зарядной станции УЭА43А-150-80. Экономическая эффективность определялась на срок службы 10 лет.

Потребление электроэнергии в разработанной зарядной станции за период ввода батареи в эксплуатацию равно 37,5 кВт-ч, что в 4,7 раза ниже показателя существующего зарядного оборудования. Применение асимметричного тока позволило сократить сообщаемую емкость при заряде с ЗС,10К, до 1.2С|]0М, и количество циклов восстановления емкости с Зч-4 до 1ч-2. Годовая экономия электроэнергии при обслуживании 97 батарей составляло 13300 кВт-ч, или 39700 руб. (на 2004 г.), что в ценах на 2012 г. составляет 61180 руб.

Интегральный эффект внедрения разработанной станции при серии из 200 шт. за срок службы составит 230,4 млн.руб. Годовой эффект из расчета на одну станцию при этом равен 153.6 тыс.руб. Срок окупаемости разработанной станции - девять месяцев.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Разработанные научные основы интенсивного заряда позволили обосновать параметры асимметричного тока заряда, формирования и восстановления ёмкости, когда интенсификация процессов осуществляется за счёт выбора параметров переменного асимметричного тока и изменения технологических параметров режима, без значительного увеличения плотности зарядного тока.

1. Разработанные классификации нестационарных процессов заряда аккумуляторов, критериев состояния аккумуляторов (батарей) в процессе заряда и его окончания позволяют облегчить подбор комплекса критериев окончания заряда для определённого типа аккумулятора или условий эксплуатации, а также алгоритмов их реализации.

2. Предложенная новая имитационная модель поры ОНЭ позволила получить распределение тока по глубине поры при прохождении асимметричного тока в зависимости от его параметров (скважности, частоты, отношения амплитуды катодного импульса к амплитуде анодного импульса), на основании которого выбраны диапазоны оптимальных параметров асимметричного тока заряда.

3. Установлены закономерности поведения пористого электрода НКА при воздействии переменного асимметричного тока. Изменение параметров асимметричного тока: частоты, коэффициента заполнения, отношения амплитуд разрядного и зарядного импульсов влияет на поляризацию электродов аккумуляторов, газовыделение, эффективность заряда.

4. Используя научно обоснованные параметры асимметричного тока заряда и учитывая особенности конструкции электродов и аккумуляторов, выработаны рекомендации по выбору конкретных параметров асимметричного тока для батарей различных конструкций и типоразмеров.

5. Разработаны критерии оптимальности конструкции автоматизированного оборудования интенсивного заряда, формирования и восстановления ёмкости, которые позволяют минимизировать потери при разработке и производстве, за счёт использования минимальной номенклатуры силовых приборов для заданного диапазона токов заряда.

6. Разработанный аппаратно-программный измерительный комплекс позволяет в процессе заряда/разряда аккумуляторной батареи в автоматическом режиме фиксировать информацию, в ходе записи длительных процессов позволяет в заданные моменты времени фиксировать «кадры» с более высоким разрешением, что дает возможность визуализировать изменения электродных перенапряжении аккумулятора (батареи).

1. Разработанный стенд для автоматического циклирования аккумуляторных батарей в непрерывном режиме позволяет ускорить испытания аккумуляторов (батарей) различными режимами на ресурс и автоматизировать процесс протоколирования результатов.

8. Разработаны принципы конструирования оборудования, реализующего технологии интенсивного заряда, формирования и восстановления ём-

кости и соответствующего критериям оптимальности конструкции, включающей энергосберегающую схему формирования асимметричного тока с рекуперацией разрядного импульса.

9. Разработано, изготовлено и эксплуатируется зарядное оборудование, реализующее способы автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током:

- устройства с питанием от сети переменного тока:

а) зарядные установки с гальванической развязкой от сети, для заряда асимметричным током и разряда постоянным током (а.с. № 1742940) (для батарей шахтных электровозов (НЭВЗ г.Новочеркасск), и электровозных батарей 42НК-125 (депо ст. Каменоломни));

б) зарядные установки без гальванической развязки, с параметрическим способом задания режима асимметричного тока в диапазоне от 0,5 до 6А в качестве ограничителя тока выступает конденсатор, величина ёмкости определяет величину тока заряда (проводились испытания герметичных аккумуляторных батарей на ресурс на заводе АИТ г. Саратов, ВНИИС г. Воронеж, 16ЦНИИИ г. Москва, ОАО «ВЭлНИИ», г. Новочеркасск);

в) автоматизированная зарядно-разрядная станция САЗР-4.5-380/100-УХЛ4-202 (эксплуатируется в депо ст. Самара Куйбышевской железной дороги и депо ст. Россошь Юго-Восточной железной дороги);

- устройства с питанием от сети постоянного тока, автоматическим определением типа заряжаемой батареи и выбором соответствующего данному типу алгоритма ускоренного заряда, реализующие технологии автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током:

а) блоки зарядные БЗ-281 и БЗ-282 для одновременного заряда пяти и четырёх АБ одновременно, для устройств ускоренного заряда УУЗ-1 и УУЗ-2 соответственно (выпущена опытная промышленная партия);

б) разработанная автоматизированная исследовательская установка ФАТ-1800 с программно устанавливаемой частотой асимметричного тока, задаваемыми стабилизированными амплитудами анодного и катодного импульсов, и программно изменяемыми коэффициентами заполнения, предназначенная для создания и исследования покрытий с новыми свойствами, анодному окислению, оксидированию, осаждению покрытий металлических и композиционных, из органических и водных суспензий, позволяющая совмещать осаждение и окисление (технологический институт ЮФУ).

Приоритет технических решений, использованных при создании устройств, подтвержден одним авторским свидетельством на изобретение и 23 патентами на изобретения.

По теме диссертации опубликованы 70 работ, из них 21 работа в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, одно авторское свидетельство на изобретение и 28 патентов на изобретения.

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Сметанкнп, Г.П. Ускоренное формирование никель-кадмиевых аккумуляторов асимметричным током / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2008. - Т. 8. - № 3. - С. 157-163.

2. Сметанкин, Г.П. Исследование эффективности заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей асимметричным и постоянным током / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин // Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2008. - Т. 8. -№ 3. - С. 164-167.

3. Сметанкин, Г.П. Имитационная модель поры металлокерамического оксиднони-келевого электрода / Г.П. Сметанкин, С.С. Матекин, A.C. Бурдюгов // Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2009. - Т. 9. - № 1. - С. 40-43.

4. Сметанкин, Г.П. Результаты сравнительных исследований формирования никель-кадмиевых аккумуляторов постоянным и асимметричным токами / Г.П. Сметанкин, Ю.И. Объедков, С.С. Матекин. A.C. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2010. - Т. 10. -№ 2. - С. 83-86.

5. Сметанкин, Г.П. Исследование восстановления емкости герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей ЮНКГЦ-1,8-1 / Г.П. Сметанкин, С.С. Матекин, A.C. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2010. - Т. 10. -№ 2. - С. 87-90.

6. Сметанкин, Г.П. Исследование восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторных батарей на примере батарей 42НК-125 / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, Т.В. Плохова//Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2011.-Т. 11.-№3.-С. 164-167.

7. Сметанкин, Г.П. Исследования процесса формирования никель-кадмиевых аккумуляторов на их физических моделях / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. - Саратов. 2011. - Т. 11. - № 4. - С. 187-192.

8. Сметанкин, Г.П. Испытания герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей на сохранность ёмкости при длительном хранении после заряда постоянным и асимметричным током / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2012. - Т. 12. - >Га 1. - С. 33-35.

9. Смстанкин, Г.П. Ускоренный заряд герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей асимметричным током и его влияние на ресурс / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2012. - Т. 12. -№ 1,-С. 25-32.

10. Сметанкин, Г.П. Исследования процесса формирования закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов с тонкими электродами / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. - Саратов. 2012. - Т. 12. - № 2. - С. 88-96.

11. Сметанкин, Г.П. Сравнительные исследования влияния параметров асимметричного тока па процесс формирования аккумуляторов / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, Т.В. Плохова//Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2012.-Т. 12.-№3.-С. 143-146.

12. Сметанкин, Г.П. Влияние параметров асимметричного тока на продолжительность процесса формирования никель-кадмиевых аккумуляторов / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов. Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2012. - Т. 12. -№3.-С. 139-142.

13. Сметанкин, Г.П. Оценка возможности применения способа ускоренного заряда асимметричным током герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, 'Г.В. Плохова, М.10. СербпнонскиП // Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Техн. науки. - Новочеркасск. 2012. - № 6. - С. 35-40.

14. Сметанкнп, Г.П. Исследование стабильности характеристик герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при автоматизированном ускоренном заряде переменным током / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, Т.В. Плохова, М.Ю. Сербиновский // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2012. - № 4 (68). - С. 168-174.

15. Сметанкнп, Г.П. Нанесение многослойных покрытий медь-никель-серебро и се-рсбро-нпкелъ на электрические контакты с целью экономии серебра / В.И. Балакай, Г.П. Сметанкин. Д.Б. Набнева // Вестник Всерос. науч.-нсслед. и проект.-конер. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ». - Новочеркасск, 2012. - № 2 (64). - С. 49-60.

16. Смстанкнн, Г.П. Износостойкость электролитического сплава никель-бор, осаждённого из хлоридного электролита / В.И. Балакай, Г.П. Сметанкин, И.В. Балакай, Д.Б. Набиева // Вестник Всерос. науч.-исслед. п проект.-констр. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ». - Новочеркасск, 2012. - № 2 (64). - С. 139-146.

17. Смстанкнн, Г.П, Блок питания цепей управления для электровоза / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекпн, С.Н. Сизов // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ». - Новочеркасск, 2010.-№ I (59).-С. 109-115.

18. Сметанкин, Г.П. Преобразователь для питания бортовой сети электропоза / Г.П. Сметанкин. A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин, Д.О. Варламов // Электроника н электрооборудование транспорта. - М., 2008. - №1. - С. 10-13.

19. Сметанкин, Г.П. DC-DC преобразователь для заряда аккумуляторных батарей / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин // Практическая силовая электроника. -М.. 2006. - №24. - С. 49-50.

20. Смстанкнн, Г.П. Компьютерное моделирование процессов в устройстве ускоренного заряда аккумуляторной батареи / Г.П. Сметанкин, Е.М. Плохой, Л.Н. Сорим, П.Г. Колпахчьян // Изв. вузов. Электромеханика. - Новочеркасск: НПИ, 2003. - Т. 2. -С. 50-53.

21 Смстанкнн, Г.П. Статистическая оценка способа ускоренного заряда никель-кадмиевых аккумуляторов /Ф.И. Кукоз, Г.П. Сметанкнн, В.Г. Кобак, A.C. Бурдюгов // Изв. вузов. Электромеханика, - Новочеркасск: НПИ, 2001. - Г. 4-5. - С. 100-103.

Авторское свидетельство и патенты

22 A.c. 1742940 СССР, МП К Н 02 J 7/10. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / В.Г. Сушко. Г.П. Сметанкин. A.A. Курочка. Ю.Д. Кудрявцев (СССР). - № 4873204; заявл. 10.10.90: опубл. 23.06.92, Бюл. №23. -4с.: ил.

23 Пат. 2134476 Российская Федерация, МПК 7 Н 02 J 7/10. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сушко В.Г.. Сметанкин ГЛ., Соколов Э.М.; заявитель м патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-копстр. ин-т электровозостроения». - №96113920; заявл. 04.07.96 ; опубл. 10.08.99, Бюл. № 22. - 5 с. : ил.

24 Пат. 2207665 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Способ автоматического ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П.. Сорпн Л.Н.. Бурдюгов A.C., Коньков A.A.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». - №2001114542; заявл. 28.05.01 ; опубл. 27.06.03. Бюл. № 18. - 4 с. : пл.

25 Пат. 2215353 Российская Федерация, МПК7Н 02 J 7/10. Способ автоматического ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током и устройство для его осуществления / Сметанкнн Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов A.C., Коньков A.A.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. п проект.-констр. ин-т электровозостроения». - № 2001 108524; заяпл. 30.03.01; опубл. 27.10.03. Бюл. № 30. -7с.: ил.

26 Пат. 2216087 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкнн Г.П.. Сорин Л.Н.. Бурдюгов A.C.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». -№2001108523; заявл. 30.03.01; опубл. 10.11.03, Бюл. № 31. - 6 с. : пл.

27 Пат. 2219638 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П.. Сорин Л.Н., Бурдюгов A.C., Коньков A.A.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». - №2001108522; заявл. 30.03.01; опубл. 20.12.03, Бюл. №35. - 6 е.: ил.

28 Пат. 2219639 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкнн Г.П., Сорин Л.П., Бурдюгов A.C., Коньков A.A.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. пауч.-нсслсд. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». - №2001108526: заявл. ЗО'ОЗ.ОГ. опубл. 20.12.03, Бюл. № 35. -6 е.: пл.

29 llar. 2265268 Российская Федерация, МП К7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин ГЛ., Сорин Л.Н., Бурдюгов A.C., Сметанкин П.Г.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. мауч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». -№ 2004110443/09; заявл. 06.04.04; опубл. 27.11.05, Бюл. № 33. - 6 с. : ил.

30 Пат. 2267200 Российская Федерация, МП К7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., С'орпн Л.Н., Бурдюгов A.C., Сметанкин П.Г.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». -№ 2004110445; заявл. 06.04.04; опубл. 27.12.05, Бюл. № 36. -6с.: ил.

31 Пат. 2267847 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов A.C., Писамова Л.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». -№ 2004110442/09; заявл. 06.04.04: опубл. 10.01.06, Бюл. № 01. - 6 с. : ил.

32 Г1ал. 2267848 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов A.C., Сметанкина Н.И.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслсд. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». -№ 2004110444/09; заявл. 06.04.04; опубл. 10.01.06, Бюл. № 01. - 6 с. : ил.

33 Пат. 2271061 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П.. Сорин Л.Н., A.C. Бурдюгов A.C., Матекин С.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». -.4» 2004110432/09; заявл. 06.04.04: опубл. заявки 20.09.2005; опубл. 27.02.06, Бюл. №6. -6 с. : ил.

34 Пат. 2271062 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов A.C., Матекнн С.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». -№ 2004110433/09: заявл. 06.04.04: опубл. заявки 20.09.2005; опубл. 27.02.06, Бюл. №6. -6 с. : пл.

35 Пат. 2310963 Российская Федерация МПК7 Н 02 J 7/10, Н 01 М 10/44. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C., Матекнн С.С., Писанова Л.В., Плохова Т В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». - № 2006113491/09; заявл. 20.04.06; опубл. 20.11.07, Бюл. №32. - 7 с.: ил.

36 Пат. 2313863 Российская Федерация, МПК7 Н 01 М 10/44, Н 01 М 10/54. Способ ускоренного формирования и восстановления емкости герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батареи при помощи заряда асимметричным током / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C., Матекнн С.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. пп-т электровозостроения». - №2006113489/09; заявл. 20.04.06; оп\'бл. 27.12.07, Бюл. №36. -4 с.

37 Пат.'2313864 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10, Н 01 М 10/44. Способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C.. Матекнн С.С., Плохова Т.В.: заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-мсслед. и проект.-констр. пн-т электровозостроения». - A'ü 2006116099/09; заявл. 10*05.06; опубл. 27.12.07. Бюл. №36. - 4 с.

38 Пат. 2318284 Российская Федерация, МПК Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током / Сметанкин Т.П.. Бурдюгов A.C.. Матекин С.С., Варламов Д.О., Бурдюгова А.Г.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». - № 2006119828/09; заявл. 06.06.06: опубл. 27.02.08, Бюл. № 6. - 7 с. : пл.

39 Паг. 2318285 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током / Сметанкин Г.П.. Бурдюгов A.C., Матекин С.С., ГубаА.Д., Бурдюгова Е.В.: заявитель и

патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозоетрое-ння». - № 2006123405/09; заявл. 30.06.06; опубл. 27.02.08, Бюл. № 6. - 7 с. : пл.

40 Пяг. 2319275 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C., Матекин С.С., Варламов Д.О., Матекнн П.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». - .V» 2006129593/09; заявл. 15.08.06; опубл. 10.03.08. Бюл. № 7. - 7 с. : ил.

41 Пат. 2319276 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током / Сметанкин ГЛ., Бурдюгов A.C., Матекин С.С., Губа А.Д., Смеганкпн П.Г.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». -№ 2006130258/09; заявл. 21.08.06; опубл. 10.03.08, Бюл. № 7. - 6 с.: ил.

42 Пат. 2327268 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Станция автоматическая зарядно-разрядиая / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C., Матекин С.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». -№ 2006131795/09; заявл. 04.09.06; опубл. 20.06.08, Бюл. № 17. - 8 с. : ил.

43 Пат. 2327274 Российская Федерация, МПК7 Н 02 М 3/24. Полномостовой преобразователь постоянного напряжения с мягкой коммутацией / / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C., Матекин С.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения». - № 2007102555/09; заявл. 23.01.07; опубл. 20.06.08, Бюл. - № 17. - 5 с.: ил.

44 Пат. 2328799 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C., Матекин С.С. Бурдюгова А.Г.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. нн-т электровозостроения». -№2006130257/09; заявл. 21.08.06; опубл. заявки 27.02.08; опубл. 10.07.08, Бюл. № 19. -7 с.: ил.

45 Паг. 76182 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/02, В 60 L 1/00. Стабилизатор напряжения / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C., Матекин С.С.. Варламов Д.О.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. нн-т электровозос1рое-ння». -№ 2007137291/22; заявл. 08.10.2007; опубл. 10.09.08. Бюл. № 25. -1с.: ил.

46 Пат. 2345472 Российская Федерация, МПК7Н 02 М 3/156. Стабилизатор напряжения / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». - № 2007145695/09; заявл. 10.12.2007; опубл. 27.01.09, Бюл. №3.-5 с. : ил.

47 Пат. 2374740 Российская Федерация, МГ1К7 Н 02 J 7/02, В 60 L 1/00. Устройство подзаряда аккумуляторной батареи и питания бортовой сети электровоза / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C., Матекин С.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-т электровозостроения». - №2008102675/09; заявл. 23*01.2008; опубл. заявки 27.07.2009, опубл. 27.11.09 Бюл. № 33. -7с.: ил.

48 Пат. 2374741 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 7/02, В 60 L 1/00. Устройство подзаряда аккумуляторной батареи и питания бортовой сети электровоза / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C., Матекин С.С., Варламов Д.О.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. пн-т электровозостроения». №2008109288/09; заявл. 11.03.2008; опубл. 27.11.09, Бюл. №33. -7 с. : ил.

49 Пат. 2410800 Российская Федерация, МПК7Н 01 М 10/44. Способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов при помощи заряда асимметричным током / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C.. Матекин С.С., Плохова 'Г.В.; заявитель п патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-нсслед. и проект.-констр. ип-т электровозостроения». - №20091 12766/09; Заявл. 06.04.09; Опубл. 27.01.11, Бюл. №3.-7 с.

50 Паг. 2460182 Российская Федерация, МПК'7 Н 01 М 10/44. Способ ускоренного формирования закрытых никель-кадмиевых аккумуляторов при помощи заряда асимметричным током / Сметанкин Г.П., Бурдюгов A.C., Плохова Т.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. на\ч.-исслед. и проект.-констр. нн-т электровозостроения». -№ 2011109052/07; заявл. 16.03.11; опубл. 27.08.12, Бюл. № 24. - 5 е.

Статьи в других изданиях

51 Сметанкин, Г.П. Система управления для заряда асимметричным током аккумуляторных батарей шахтных электровозов / Г.П. Сметанкин, В.Г. Сушко, Э.М. Соколов // Электровозостроение. - Новочеркасск; 1994. - Т. 34. - С. 101-104.

52 Сметанкин, Г.П. Устройство подзаряда аккумуляторных батарей для электропоездов / Г.Г1. Сметанкин, JI.H. Сорин, В.Г. Сушко, A.C. Бурдюгов // Электровозостроение. -Новочеркасск, 1999. - Т. 41.-С. 318-321.

53 Сметанкин, Г.П. Оценка параметрической надежности никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при автоматическом ускоренном заряде асимметричным током / Г.П. Сметанкин // Сб. тр. науч.-техн. конф. - Ростов-на-Дону, 16-18 сентября 2003. - С. 114-118.

54 Сметанкин, Г.П. Автоматизированный программно-аппаратный комплекс для исследования процессов заряда аккумуляторов / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов. С.С. Матекин // Механизация, автоматизация и электрификация горного и строительного производства, сервис технологических машин и оборудования: сб. науч. тр. / Шахт, ин-т ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2005. - С. 82-85.

55 Сметанкин, Г.П. Обзор устройств для заряда аккумуляторных батарей асимметричным током / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин // Механизация, автоматизация и электрификация горного и строительного производства, сервис технологических машин и оборудования: Сб. науч. тр. / Шахт, ин-т ЮРГГУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2005. - С. 76-82.

56 Сметанкин, Г.П Зарядная станция из Новочеркасска / Г.П. Сметанкин, О.В. Ильин // Локомотив. - М„ 2006 - №6. - С. 24.

57 Сметанкин, Г.П. Автоматизированная зарядно-разрядная станция для обслуживания аккумуляторных батарей в депо / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ». - Новочеркасск, 2005. - Т. 2 (49). - С. 141 -147.

58 Сметанкин, Г.П. Оценка надёжности аккумуляторных батарей при ускоренном заряде асимметричным током / Г'.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ». -Новочеркасск, 2005. -Т. I (48). -С. 191-206.

59 Сметанкин, Г.П. Исследование эффективности заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей асимметричным и постоянным током / Г.П. Сметанкин,

B.М. Караваев, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин // Изв. вузов. Сев.-кав. per. Техн. науки. -Новочеркасск, - 2005,- Прил. №4 - С. 18-23

60 Сметанкин, Г.П. Полномостовой преобразователь с мягкой коммутацией во всем диапазоне нагрузки / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин, С.Н. Сизов // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ». - Новочеркасск, 2006. - Т. 1(50). - С. 235-242.

61 Сметанкин, Г.П. Сравнительные исследования формирования никель-кадмиевых аккумуляторов постоянным и асимметричным токами / Г.П. Сметанкин, Р.М Петров,

C.С Матекин A.C. Бурдюгов / Проблемы трибоэлектрохимнн: материалы Междунар. на-уч.-техн. конф. 16-19 мая 2006 г. / ЮРГТУ(НПИ). - Новочеркасск, 2006. - С. 213-216.

62 Сметанкин, Г.П. Современная зарядно-разрядная станция для депо / Г.П. Сметанкин, С.С. Матекин, A.C. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Транспорт-2006: тр. Всерос. науч.-практ. конф. - Ч. 3 / РГУПС. - Ростов н/Д„ 2006. - С. 73-75.

63 Сметанкин, Г.Г1. Использование синергического эффекта в покрытиях никель-бор-фторопласт для узлов трения подвижного состава / Ф.И. Кукоз, В.В. Иванов. И.В. Балакай, Г.П. Сметанкин // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ». - Новочеркасск. 2007. - Т. 1(53). - С. 92-97.

64 Сметанкин, Г.П. Закономерности электроосаждения никеля из пизкоконцентри-рованного хлоридного электролита для антикоррозийных покрытий / И.Д. Кудрявцева,

B.И. Балакай, К.В. Балакай, Г.П. Сметанкин // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ». - Новочеркасск, 2007- Т. 1(53). -

C. 98-107.

44 1 А - - 1 18 5

65 Смсганкнн, Г.П. Диализ синергического эффекта наиочастиц композиционных электролитических покрытий «никель-фторопласт» в узлах трения / В.В. Иванов,

B.И. Балакай, И.В. Балакай, Г.П. Сметанкин // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект -констр. ии-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ». - Новочеркасск, 2009. - Т. 1(57). -

C. 32-41.

66 Сметанкин, Г.П. Блескообразутощие добавки из отходов производства при никелировании / В.И. Балакай, К.В. Балакай, Г.П. Сметанкин // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект.-констр. им-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ»,- Новочеркасск, 2009. -Т. 2 (58). - С. 250-259.

67 Сметанкин, Г.П. Формирование никель- кадмиевых аккумуляторов постоянным и асимметричным током / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, P.M. Петров, С.С. Матекин // Изв. вузов Сев.-Кав. per. Техн. науки. - Прил. №5. - Новочеркасск, 2006. - С. 23-26.

68 Сметанкин, Г.П. Пути снижения затрат на обслуживание электровозных аккумуляторных батарей / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин// Вестник Вост.-Укр. нац. ун-та им. Владимира Даля. - Луганск, 2006. -№ 8 (102). - Ч. 2. - С. 215-218.

69 Сметанкин, Г.П. Исследование распределения тока по глубине поры на электротехнической модели поры при поляризации асимметричным током / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, В.М. Караваев, С.С. Матекин, Т.В. Плохова // Изв. вузов. Сев.-Кав. реп Техн. пауки. - Прил. № 10. - Новочеркасск, 2006. - С. 36-44.

70 Смсганкнн, Г.П. Автоматизированная станция для обслуживания и восстановления емкости аккумуляторных батарей в депо / Г.П. Сметанкин, A.C. Бурдюгов, С.С. Матекин, Д.О. Варламов, Т.В. Плохова // Вестник института тяги и подвижного состава - Хабаровск, 2007. - Вып. 4. - С. 154-158.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: [17-19, 22, 23, 25-35. 38-48. 52, 54, 56, 57, 60, 62, 70] - идеи технических решений; [2, 4, 7, 9-12, 15, 16, 21, 24, 25, 36, 37, 42, 49, 50, 58, 61, 63-67, 69] - постановка задач исследований, разработка алгоритмов реализации; [1,3, 5, 6, 8, 9, 12-14, 17-20, 22, 42, 43, 45-48, 51, 53, 55, 60, 68] - постановка задач исследований, проведение расчетов и обобщение полученных результатов; [1-8, 10, 11, 13, 14, 21, 24, 25, 36, 37, 42, 49, 50, 53, 59, 61, 67, 69] - разработка основных положении методики.

2014062610

Подписано в печать 31.10.13 Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 2,0 Уч.-изд. л. 2,0

Заказ 168

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано п Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Гол.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

2014062610

ОАО «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОВОЗОСТРОЕНИЯ» (ОАО «ВЭлНИИ»)

На правах рукописи

05201450416

Сметанкин Георгий Павлович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЗАРЯДА НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ПЕРЕМЕННЫМ АСИММЕТРИЧНЫМ

ТОКОМ

02.00.05 — Электрохимия

диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Сербиновский Михаил Юрьевич

Саратов 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Список сокращений 9

ВВЕДЕНИЕ 10

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 25

1.1. Особенности поведения ОНЭ при заряде, формировании и восстановлении ёмкости никель-кадмиевых аккумуляторов 25

1.2. Технологии и оборудование для интенсификации формирования и восстановления ёмкости НК АБ 44

1.3. Факторы, ограничивающие интенсификацию электрохимических процессов в никель-кадмиевых аккумуляторах 53

1.4. Особенности формирования фазового состава активной массы оксидно-никелевого электрода 62

1.5. Особенности электрохимических процессов в пористом металлокерамическом оксидно-никелевом электроде при поляризации асимметричным током 66

1.6. Восстановление ёмкости аккумуляторов после режима длительного хранения и в процессе эксплуатации 73

1.7. Технологии интенсивного заряда щелочных

аккумуляторных батарей 78

1.8. Зарядное и контролирующее оборудование для эксплуатации химических источников тока 89

1.9. Цели и задачи исследования 101

2. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПОРЫ ПРИ ПОЛЯРИЗАЦИИ АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ И ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТОКА НА ЕГО РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПО ГЛУБИНЕ ПОРЫ ОКСИДНО-НИКЕЛЕВОГО ЭЛЕКТРОДА 103

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ АСИММЕТРИЧНОГО ТОКА НА ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ЁМКОСТИ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ 126

3.1. Оптимальные диапазоны параметров асимметричного тока при формировании ёмкости никель-кадмиевых аккумуляторов 126

3.2. Методика экспериментов 136

3.3. Результаты исследования формирования физических макетов никель-кадмиевых аккумуляторов 140

3.4. Интенсивное формирование аккумуляторов с тонкими прессованными электродами 156

3.5. Интенсивное формирование никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 20 А-ч с МК ОНЭ 159

4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЕМКОСТИ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ

АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ 166

4.1. Технология восстановления ёмкости никель-кадмиевых аккумуляторных батарей 42НК-125 168

4.2. Технология восстановления ёмкости герметичных аккумуляторных батарей после длительного хранения 175

4.3. Выводы 181

5. ЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЗАРЯДА НИКЕЛЬ-

КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И АККУМУЛЯТОРНЫХ

БАТАРЕЙ 183

5.1. Методика исследований 185

5.2. Закономерности влияния параметров процесса заряда постоянным и асимметричным током на энергетические показатели аккумуляторных батарей 187

5.3. Разработка комплекса критериев оценки состояния батарей

в ходе заряда и его окончания 201

5.4. Интенсивный заряд аккумуляторов и батарей с неопределенной остаточной ёмкостью 211

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ГЕРМЕТИЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И

АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ПРИ УСКОРЕННОМ ЗАРЯДЕ 225

6.1. Сравнительные исследования интенсивных зарядов

постоянным и асимметричным токами 225

6.1.1. Методика исследований

226

6.1.2. Результаты сравнительных исследований 228

6.2. Сравнительные исследования влияния интенсивного заряда постоянным и асимметричным током на сохранность заряда

АБ 234

6.3. Влияние интенсивного заряда переменным асимметричным током на долговечность (срок службы) герметичных аккумуляторных батарей 238

6.3.1. Методика исследований герметичных аккумуляторных батарей на долговечность (срок службы) в режиме циклирования 238

6.3.2. Исследование долговечности герметичных батарей при автоматизированном интенсивном заряде асимметричным током 240

6.4. Оценка параметрической надежности при автоматизированном циклировании с использованием интенсивного заряда асимметричным током 243

6.4.1. Определение вероятности работоспособного состояния аккумуляторных батарей 253

6.4.2. Определение распределения плотности вероятности наработки до граничного значения ёмкости 254

6.4.3.

Результаты математической

экспериментальных данных о аккумуляторных батарей

обработки долговечности

7. ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И БАТАРЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОРАЗМЕРОВ 264

7.1. Оборудование интенсивного заряда с фазовым регулированием и силовым трансформатором на основе микроконтроллеров 271

7.2. Оборудование для интенсивного заряда с токоограничивающими конденсаторами 274

7.3. Оборудование интенсивного заряда с ТТТИМ-преобразователями 280

7.4. Оборудование на ШИМ-преобразователях с рекуперацией разрядного импульса 286

7.5. Автоматизированная станция САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202 291

8. ЭФФЕКТИВНОСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ

ПЕРЕМЕННОТОКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЗАРЯДА,

ФОРМИРОВАНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ НИКЕЛЬ-

КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И БАТАРЕЙ 297

8.1 Технические показатели эффективности разработанных

технологий и оборудования 298

8.1.1 Показатели эффективности формирования и восстановления ёмкости аккумуляторов и батарей при использовании асимметричного тока

8.1.2 Показатели эффективности технологии интенсивного заряда аккумуляторов и батарей асимметричным током 302

8.1.3 Показатели эффективности применения технологий асимметричного тока для снижения экологической нагрузки при эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторных батарей 306

8.2 Экономическая эффективность внедрения станции САЗР-

4,5-380/100-УХЛ4-202 308

ВЫВОДЫ 319

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 323

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗАРЯДНОЙ СТАНЦИИ ДЛЯ БАТАРЕЙ 42НК-125 369

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ ИСПЫТАНИЯ СПОСОБА АВТОМАТИЧЕСКОГО УСКОРЕННОГО ЗАРЯДА И УСТРОЙСТВА ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕГО 3 72

ПРИЛОЖЕНИЕ В. АКТ ВНЕДРЕНИЯ СПОСОБА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УСКОРЕННОГО ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ СРЕДСТВ СВЯЗИ 375

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. АКТ ВНЕДРЕНИЯ СПОСОБА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УСКОРЕННОГО ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ СРЕДСТВ СВЯЗИ 378

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. АКТ КВАЛИФИКАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ МНОГОКАНАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА УСКОРЕННОГО ЗАРЯДА УУЗ-2 381

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. АКТ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗАРЯДНОЙ СТАНЦИИ САЗР-4,5-3 80/100-УХЛ4-202 в депо ст. Самара 384

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. АКТ ВВОДА В ЭКСПЛУАТАЦИЮ ЗАРЯДНОЙ СТАНЦИИ САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202 в депо ст. Россошь 387

ПРИЛОЖЕНИЕ И. АКТ ВНЕДРЕНИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ УСТАНОВКИ ФОРМИРОВАНИЯ АСИММЕТРИЧНОГО ТОКА ФАТ-1800 389

ПРИЛОЖЕНИЕ К. АКТ ОПЫТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ УСТАНОВКИ ФОРМИРОВАНИЯ АСИММЕТРИЧНОГО ТОКА ФАТ-1800

392

Список сокращений

ОМП - однокристальный микропроцессор

МК- однокристальный микроконтроллер

АБ - аккумуляторная батарея

МКЭ - металло-керамический электрод

НКА - никель-кадмиевый аккумулятор

ОНЭ - оксидно-никелевый электрод

ПЭ - пористый электрод

ТУ - технические условия

ХИТ - химический источник тока

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

Сном - номинальная ёмкость аккумулятора

Сотд_ - ёмкость, отданная аккумулятором при разряде

Сср - среднее значение отдаваемой ёмкости за интервал наработки

1Н0М - номинальный ток

1зар - зарядный ток

1раз- разрядный ток

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

IGBT - биполярный транзистор с изолированным затвором

БП - блок питания

ФОТ - фонд оплаты труда

ВВЕДЕНИЕ

ХИТ являются основными источниками автономной энергии современных технических устройств самого разного назначения. Разработка новых систем для аккумулирования и хранения электрической энергии ведётся во всём мире, а в последнее время особенно интенсивно развиваются исследования традиционных ХИТ.

Появление на рынке ХИТ новых электрохимических систем привело к сокращению доли использования никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей, в радиотехнике и бытовых устройствах эти аккумуляторы и батареи широко используются в тех областях техники, где основными требованиями являются работоспособность в условиях широкого диапазона температур, механических вибраций, динамических нагрузок и т.д. Будущее никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей определено их высокими эксплуатационными характеристиками:

- большим ресурсом (более тысячи зарядно-разрядных циклов) и, соответственно, длительным сроком эксплуатации (при правильном обслуживании);

- надежностью;

- простотой обслуживания;

- длительной сохранностью энергии (низким саморазрядом);

- возможностью разряда форсированными режимами;

- безотказной работой в широком диапазоне климатических условий;

и

- способностью выдерживать разнообразные и высокие механические нагрузки.

Этот тип автономных источников тока незаменим во многих электротехнических устройствах, особенно в авиации, космосе, специальной технике. Значение щелочных аккумуляторов оценивается очень высоко, несмотря на прогресс в свинцовых аккумуляторах и появлении высоко энергетичных источников тока с литиевым анодом.

Поэтому весьма актуальны исследования, направленные на повышение эффективности использования серийно выпускаемых аккумуляторов, продление их срока службы, дальнейшее повышение надежности.

Никель-кадмиевые аккумуляторы различаются по технологии изготовления электродов:

1. Аккумуляторы с ламельными электродами трубчатой и коробчатой формы из перфорированной металлической ленты или фольги. Ламели предназначены для удержания активной массы в электроде, служат токовым коллектором. Перфорирование осуществляется валиком или игольчатым штампом. Относительная доля отверстий невелика (0,1-0,18), что приводит к экранированию активной массы и повышенной поляризации электродов. Аккумуляторы с ламельными электродами предназначены в основном для работы при малых и средних плотностях тока.

2. Аккумуляторы с прессованными электродами, которые получают прессованием активной массы (смеси активного вещества, токопроводящей добавки и связующего) на токовый коллектор из металлической сетки или фольги, при этом для предотвращения осыпания активной массы используют плотную сборку электродов в аккумуляторах.

Такие электроды обладают высокой удельной энергией, способны работать при низких температурах, но имеют меньший ресурс по сравнению с металлокерамическими электродами.

3. Аккумуляторы с металлокерамическими электродами, основа которых получена прессованием порошка металлического никеля, смешанного со связующим. После термообработки связующее разлагается, а никель спекается. Полученная матрица с пористостью 80-85 % заполняется активным веществом - оксидами никеля путем пропитки и осаждения в несколько этапов. В результате оксиды никеля заполняют поры на 40—60 %. Далее электроды формируют зарядно-разрядными циклами. Металлокерамические спеченные электроды обладают высокой проводимостью, удельной емкостью, могут разряжаться и заряжаться большими токами и в широком диапазоне температур, однако, они дороже ламельных и имеют относительно небольшой ресурс.

4. Аккумуляторы с металловойлочными электродами. Электроды имеют основу из никелевых или углеродных волокон с пористостью более 95 %. Активная масса вносится в основу электрода различными способами в зависимости от её плотности. Такие электроды характеризуются высокой удельной ёмкостью и ресурсом, но также относительно дороги.

Конструктивно батареи и отдельные аккумуляторы выполняют открытого, герметичного и герметизированного исполнения. В аккумуляторах открытого исполнения газы, образующиеся при эксплуатации, выходят через вентиляционное отверстие или клапан в атмосферу, а доступ атмосферного воздуха затруднен для предотвращения карбонизации электролита. У аккумуляторов герметичного исполнения внутреннее пространство аккумуляторов полностью изолировано от окружающей среды. Выделяющийся в процессе эксплуатации газ

рекомбинирует по кислородному циклу, для чего технологически ёмкость кадмиевого электрода закладывается с избытком для предотвращения выхода кадмиевого электрода на водород при перезарядах, а кислород, выделяющийся на никелевом электроде, проходя через сепарацию, окислял кадмий. Зарядный ток не должен превышать максимальную скорость внутренней циркуляции кислорода. При превышении зарядного тока аккумуляторы могут выйти из строя. Для предотвращения выделения водорода на никелевом электроде при глубоком разряде аккумулятора производится кадмирование никелевого электрода, при изготовлении никелевого электрода в активную массу добавляется металлический кадмий.

Схема реакций:

разряд -

гтоон + Сс1 + 2 н2о гт(ощ2 + с<цон)г,

заряд -

2М(о#)2 + Сй?(оя)2 -> гтоон + са + 2 н2о.

Для кадмиевого электрода предложено два механизма электродной реакции:

а) твердофазный -

Сй + 2ОН' н> Сс1(ОН)2 + 2е;

б) жидкофазный -

Сс1 + 2ОН~ С(ЦОН)2 + 2е, НСйО1- + НгО <-> Сй{ОН)2 + ОН~ .

На отрицательном электроде в конце заряда возможно выделение водорода по реакции

2Н20 + 2е #2 + 20Н~ .

Конструкция герметизированных аккумуляторов выполнена так, что в обычных условиях эксплуатации выделение газа не происходит, соответственно, не требуется пополнения объема электролита, доливки воды, взамен электрохимически разложившейся. Они оснащены клапанами для стравливания газа при нерегламентированных зарядах и разрядах для предотвращения разрушения. Герметизированные никель-кадмиевые аккумуляторы имеют ёмкость до 160 А-ч и широко применяются в бытовой технике, оборудовании специального и народно-хозяйственного назначения.

Актуальность темы. ХИТ являются основными источниками автономной энергии современных технических устройств самого разного назначения. Поиск и анализ новых систем для аккумулирования и хранения электрической энергии не ослабевают во всём мире, а в последнее время особенно интенсивно развиваются исследования традиционных ХИТ, среди которых щелочные аккумуляторы занимают одно из ведущих мест. Это определяется тем, что благодаря высоким эксплуатационным характеристикам, безопасности, надежности, простоте обслуживания, длительной сохранности энергии, возможности разряда форсированными режимами, безотказной работе в широком диапазоне климатических условий и способности выдерживать высокие механические нагрузки этот тип автономных источников тока незаменим во многих электротехнических устройствах, особенно в авиации, космосе, специальной технике. Значение щелочных аккумуляторов оценивается очень высоко, несмотря на прогресс в технологии свинцовых аккумуляторов и появлении энергоёмких литиевых источников тока.

Поэтому весьма актуальны исследования, направленные на повышение эффективного использования активных материалов никель-кадмиевых аккумуляторов (НКА) и батарей (НКБ), улучшение их потребительских свойств, повышение надежности щелочных аккумуляторов и продление их срока службы. Одним из эффективных путей в решении этих проблем является использование нестационарных режимов заряда.

В настоящее время накоплен значительный опыт исследований по использованию асимметричного переменного тока с целью интенсификации процесса заряда щелочных аккумуляторов. Проведены исследования поведения электродов щелочных аккумуляторов при поляризации переменным асимметричным током в достаточно широких диапазонах изменения его параметров. Доказаны перспективность и преимущества использования асимметричного переменного тока для интенсификации электрохимических процессов в оксидно-никелевом электроде (ОНЭ) по сравнению с постоянным током. Так, значительный вклад в изучение нестационарных режимов работы щелочных аккумуляторов внесли научные исследования, выполненные в ЮРГТУ (НПИ) под руководством д.т.н., профессора Ф.И. Кукоза и д.т.н., профессора Ю.Д. Кудрявцева. Результаты этих работ послужили основой для проведения исследований по выявлению закономерностей влияния параметров асимметричного переменного тока на электродные процессы. А также оптимизации этих параметров с целью снижения влияния факторов, ограничивающих интенсификацию электродных процессов при заряде НКА, разработку эффективных, реализуемых для промышленного применения технологий формирования, заряда и восстановления емкости НКА и батарей, проведения оптимизации режимов технологических

процессов и создание автоматизированного оборудования для реализации этих технологий в производстве.

Разработка научно обоснованных технологий и автоматизированного оборудования соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (Энергоэффективность и энергосбережение) и перечню критических технологий Российской Федерации (Технологии создания энергосберегающих систем использования энергии).

Все вышесказанное свидетельствует об актуальности и значимости научных работ данного направления, а также позволяет сформулировать цель и зада�