Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Вопросы интенсификации формирования и восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов 12
1.2 Способы и устройства ускоренного формирования и восстановления емкости щелочных аккумуляторных батарей 25
1.3 Факторы, ограничивающие интенсификацию электрохимических процессов в никель-кадмиевых аккумуляторах асимметричным током 33
1.4 Формирование фазового состава активной массы оксидно-никелевого электрода 40
1.5 Электрохимические процессы, происходящие в МК ОНЭ при
поляризации асимметричным током 43
1.6 Восстановление аккумуляторов после режима длительного хранения и после потери емкости в процессе эксплуатации 48
1.7 Цели и задачи исследования 52
2 Исследование распределения тока по глубине поры оксидно-никелевого электрода на электротехнической модели при поляризации асимметричным током 55
3 Исследование процесса формирования емкости никель-кадмиевых аккумуляторов 72
3.1 Задачи и методика исследований 72
3.2 Исследование ускоренного формирования на физических моделях никель-кадмиевых аккумуляторов с тонкими металло з керамическими оксидно-никелевыми электродами 78
3.3 Формирование пленочных аккумуляторов НКПлГЦ-0,5 с тонкими прессованными электродами 92
3.4 Исследование ускоренного формирования никель кадмиевых аккумуляторов НКМ-20 с МК ОНЭ 95
4 Восстановление емкости никель-кадмиевых аккумуляторных батарей 101
4.1 Восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторных батарей 42НК-125 101
4.2 Исследование восстановления емкости герметичных аккумуляторных батарей 10НКГЦ-1,8 104
5 Автоматизированная заряд-разрядная станция сазр-4,5-380/100-ухл-202 для формирования и восстановления емкости аккумуляторных батарей асимметричным током 110
6 Оценка экономического эффекта от внедрения станции сазр-4,5-380/100-ухл4-202 116
Выводы 125
Список использованной литературы
- Способы и устройства ускоренного формирования и восстановления емкости щелочных аккумуляторных батарей
- Восстановление аккумуляторов после режима длительного хранения и после потери емкости в процессе эксплуатации
- Исследование ускоренного формирования на физических моделях никель-кадмиевых аккумуляторов с тонкими металло з керамическими оксидно-никелевыми электродами
- Автоматизированная заряд-разрядная станция сазр-4,5-380/100-ухл-202 для формирования и восстановления емкости аккумуляторных батарей асимметричным током
Введение к работе
Актуальность темы. Никель-кадмиевые аккумуляторы благодаря своим уникальным характеристикам не потеряли своей актуальности и в настоящее время. Они по-прежнему широко используются в военной технике, на железнодорожном транспорте, и в других областях применения, где требуется длительный ресурс и работа в жестких климатических условиях
Основной проблемой при изготовлении и эксплуатации щелочных аккумуляторов являются их длительные режимы формирования и восстановления емкости.
Интенсификация электрохимических процессов за счет увеличения плотности постоянного тока ограничивается, в частности, неравномерностью распределения процесса по толщине и по площади электрода.
Однако, известна перспективность применения асимметричного тока для целей формирования и восстановления емкости аккумуляторов. Проведено большое количество работ, подтверждающих преимущества асимметричного тока по сравнению с постоянным током. Значительный вклад в развитие нестационарных режимов формирования и восстановления щелочных аккумуляторов внесли работы, выполненные в ЮРГТУ (НЕМ) под руководством профессора, д.т н. Куко-за Ф И и профессора, д.т.н. Кудрявцева Ю Д В настоящей работе результаты этих исследований явились своеобразной отправной точкой для дальнейшего совершенствования режимов формирования и восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов с применением асимметричного тока. Работа проводилась на кафедре ТЭП ЮРГТУ(НПИ) под руководством профессора, д.т.н, Куко-за Ф.И и в ОАО «ВЭлНИИ» под руководством доцента, к т н Сметанкина Г.П.
Несмотря на очевидные преимущества асимметричного тока, в настоящее время в технологических процессах формирования емкости щелочных аккумуляторов применяют постоянный ток. Анализ причин, обуславливающих сложившуюся ситуацию, привел к выводам, что при решении задачи разработки более эффективных способов формирования и восстановления емкости необходим комплексный подход Важно рассматривать вопросы интенсификации электрохимических процессов формирования и восстановления емкости во взаимосвязи с вопросами технической реализации режимов, экономики и факторами, негативно влияющими на качественные показатели аккумуляторов.
Цель диссертационной работы. Разработка способов и устройств ускоренного формирования и восстановления емкости щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов, сокращающих время процесса, энергозатраты и общие затраты по сравнению со стандартными способами. Задачи исследования:
-
Изучение физико-химических свойств никель-кадмиевых химических источников тока для выявления факторов, ограничивающих интенсификацию электрохимических процессов при формировании и восстановлении емкости, s
-
Разработка электротехнической модели поры металлокерамического ок- Г\ , сидно-никелевого электрода (МК ОНЭ) для изучения распределения тока по глу- v ч бине поры при поляризации асимметричным током;
-
Разработка способа и устройства ускоренного формирования емкости никель-кадмиевых аккумуляторов, сокращающего время формирования, энергозатраты и общие затраты по сравнению с действующими нормативными требованиями;
-
Разработка способа и устройства ускоренного восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов, сокращающего время восстановления, энергозатраты и общие затраты по сравнению с действующими нормативными требованиями;
-
Технико-экономическая оценка разработанных способов и устройств ускоренного формирования и восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов.
Научная новизна. Разработанная электротехническая модель поры, позволяет моделировать распределение электрохимических процессов, происходящие в поре МК ОНЭ с использованием стандартных программ, применяемых для моделирования работы электрических схем. В модели поры МК ОНЭ впервые применена оригинальная схема, позволившая реализовать функцию логарифма.
Разработанный способ ускоренного формирования емкости никель-кадмиевых аккумуляторов отличается от известных тем, что сокращение время формирования в три раза по сравнению с действующими нормативными требованиями для исследуемых аккумуляторов достигнуто без увеличения плотности тока, при увеличении длительности заряда в первых циклах формирования асимметричным током с выбранными параметрами.
Разработанный способ автоматизированного ускоренного восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов отличается от известных тем, что сокращение времени восстановления емкости в три раза и общих затрат в два раза по сравнению с действующими нормативными требованиями для исследуемых аккумуляторов достигнуто без увеличения плотности тока при восстановлении асимметричным током с выбранными параметрами
Разработанные способы ускоренного формирования и восстановления емкости закреплены двумя положительными решениями ФГУ ФИІІС о выдаче патентов (решения о выдаче патентов приведены в приложения)!; к диссертационной работе).
Техническая новизна. Разработано устройство с авторским приоритетом, предназначенное для ускоренного формирования и восстановления емкости асимметричным током никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей различной номинальной емкости в автоматическом режиме (патент РФ №2006113489).
Практическая ценность работы. Разработанные способы формирования и восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов позволяют значительно снизить энергозатраты и общие затраты и экономически выгодны для внедрения в производство.
Разработана и внедрена в депо г. Самара Куйбышевской железной дороги автоматизированная заряд-разрядная станция САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202 и способ восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов асимметричным током (акт внедрения приведен в приложениях к диссертационной работе)
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-практической конференции ШИ ЮРГТУ (НІШ) в 2005 году; на Международной
научно-технической конференции «Проблемы трибоэлектрохимии» ЮРГТУ(НПИ) в 2006 году; на научно-практической конференции «Транспорт-2006» в РГУПС (РИЖТ) в 2006 году; на научной конференции в Восточно-украинском национальном университете в г. Луганск в 2006 году; на постоянно действующих научных семинарах «Трибоэлектрохимия» ЮРГТУ(НПИ) в 2007 году.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 11 научных статьях и одном патенте на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Текст диссертации изложен на 158 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 12 таблиц и четыре приложения. Список литературы включает 156 наименований
Способы и устройства ускоренного формирования и восстановления емкости щелочных аккумуляторных батарей
Гидроксид никеля получают путем осаждения из растворов солей никеля. Его осаждение проходит через промежуточную стадию образования основных солей переменного состава. Этот состав зависит от природы солей и осадителей, соотношения соли и осадителя, концентрации, температуры и порядка смешения исходных растворов, продолжительности старения осадков. Сочетание вышеуказанных факторов и определяет способ получения гидроксида никеля. [1].
Металлокерамические (МК) электроды состоят из металлокерамической основы, в порах которой находится активная масса. Полученную основу поочередно пропитывают концентрированным раствором нитрата или сульфата никеля и нагретым до 6(Н90С раствором щелочи, которая вызывает осаждение оксидов и гидроксидов никеля. Пластины тщательно отмывают от нитрат- и сульфат-ионов в конденсате или деминерализованной воде. После этого пластины сушат при температуре 80-И 40С. Затем пластины формируют путем двух трехкратных заряд-разрядных циклов в растворе КОН плотностью 1,09-4.11 г/см3. Применяется также электрохимический метод пропитки, в котором электрод подвергается катодной обработке в растворе нитрата никеля [2].
Этот метод получил название в литературе как «Кандлер-процесс». Суть этого метода заключается в том, что при катодной поляризации в приэлектродной области повышается рН раствора за счет электролиза воды и происходит образование гидроксида в порах МК основы. Существенным недостатком этого метода является неравномерное распределение гидроксида по объему электрода. і
В Новочеркасске Кукоз Ф.И. с сотрудниками разработал способ, позволяющий применить катодную поляризацию в растворе сульфата никеля. Для этого в пористую основу жидкостной обработкой в растворах сульфата никеля и щелочи за 2-КЗ цикла вводили гидроксид никеля, а затем окисляли его химически или электрохимически до высших оксидов, служащих деполяризаторами в процессе катодной пропитки в растворе сульфата никеля [3]. Осаждение гидроксида никеля проходит через промежуточную стадию образования основных солей. Гидрат закиси никеля можно получать путем окисления никелевой основы МК ОНЭ.
Применение переменного тока позволяет интенсифицировать пропитку [4]. После формирования активной массы производится технологическая операция вырубки электродов и их сборки в корпус аккумулятора. После сборки аккумулятора необходимо провести нескольких заряд разрядных циклов для того, чтобы возможно полнее перевести электродную массу в активное состояние и сформировать необходимую структуру. Этот процесс длителен и энергоёмок. Например, на процесс формирования необходимой емкости и фазовой структуры аккумуляторов НКМ-20 уходит около месяца. Собственно, разработка способа, позволяющего сократить время и энергозатраты, при проведении данного технологического процесса, и является одной из задач, решаемой в данной работе. t В процессе формирования МК ОНЭ очень важно удалить остатки иона NO3". Наличие нитратов в электролите способствует усилению саморазряда электродов. При циклировании ион мУ восстанавливается до аммиака и уходит в атмосферу.
Емкость отрицательного кадмиевого электрода формируется довольно быстро - за два-три цикла, тогда как для формирования емкости положительного ОНЭ необходимо проводить до десяти-двенадцати циклов заряда разряда. Таким образом, при формировании никель-кадмиевого аккумулятора МК ОНЭ лимитирует отдаваемую емкость. Аналогичная ситуация складывается и при восстановлении емкости никель-кадмиевых аккумуляторов после их потери в процессе эксплуатации. Если активная масса никель-кадмиевого аккумулятора длительное время не циклируется, то это приводит к изменениям свойств активной массы, приводящих к повышению внутреннего сопротивления аккумулятора при разряде и снижению отдаваемой емкости при заданных токах нагрузки. Такая ситуация может возникать при длительном хранении никель-кадмиевых аккумуляторов в заряженном состоянии или при их эксплуатации с неполными разрядами, когда часть активной массы не участвует в циклировании. Восстанавливают емкость проведением нескольких циклов полного заряда и полного разряда. При восстановлении емкости также лимитирующим емкость является МК ОНЭ.
После формирования емкости проводимость активной массы при катодной поляризации увеличивается, и сравнивается с проводимостью при анодной поляризации.
При разряде активное вещество положительного электрода NiOOH превращается в Ni(OH)2, в то время как активное вещество отрицательного электрода Cd окисляется до Cd(OH)2. Процессы протекают в соответствии с этим уравнением до тех пор, пока течет зарядный или разрядный ток и при наличии доступных для превращения веществ. Если же, например, при заряде активная масса положительного электрода Ni(OH)2 полностью превращается в NiOOH, электродная поляризация возрастает, и достигает уровня разложения воды. В результате начинает выделяться кислород, что свидетельствует о том, что пластины находятся в заряженном состоянии. При заряде всей активной массы отрицательного электрода в нем начнется выделяться водород.
Окисление Ni(OH)2 до NiOOH протекает при потенциалах более положительных, чем окисление воды или группы ОН до кислорода. Однако электрохимическая реакция окисления воды в данных условиях протекает с высоким перенапряжением, в результате чего при анодной поляризации электрода преимущественно протекает реакция (1.1).
В работе [6] показано, что выделение кислорода в ОНЭ может протекать по двум механизмам в зависимости от плотности тока. При низких плотностях тока происходит преимущественно разряд ионов гидроксила:
Никелаты имеют слоистую гексогональную кристаллическую структуру, состоящую из основных слоев в качестве компонентов межслоевого пространства, и содержат не только молекулы воды, но и катионы щелочи Kt+. При увеличении глубины заряда увеличивается степеньч окисленности никеля, возрастает содержание катионов щелочи в межслоевом пространстве и, как следствие, изменяется кристаллическая структура гидроксида никеля (III) [1] и образуется фаза y-NiOOH.
В разряженном ОНЭ наиболее устойчивое состояние имеет фаза /5 Ni(OH)2. Эта фаза содержит молекулярную воду [1], но эта вода не участвует в построении кристаллической структуры, так как связана с ней слабыми адсорбционными силами и легко удаляется при нагревании до 120-150 С. В процессе заряда фаза /?-Ni(OH)2 переходит в фазу /S-NiOOH, характерную для Ni(III). При глубоких зарядах фаза j3-NiOOH преобразуется в фазу y-NiOOH, в которой никель частично окисляется до Ni(IV).
Восстановление аккумуляторов после режима длительного хранения и после потери емкости в процессе эксплуатации
Сопротивления Zi+-Zn являются нелинейными и отражают электрохимические процессы, происходящие на границе перехода металл-раствор, которые задаются уравнением поляризационной кривой.
При разработке, за основу электротехнической модели поры МК ОНЭ была взята электротехническая модель поры никель-кадмиевого аккумулятора (рис. 2.6), предложенная в работе [30]. Данная модель поры никель-кадмиевого аккумулятора была построена на основе хорошо известных и проверенных эмпирических зависимостей (уравнения Пейкерта, Либенова, Шеферда, Романова, Хаскиной-Даниленко), а также экспериментальных факторов.
Параллельная цепь rl, С1 описывает переходные процессы, возникающие в аккумуляторе при переключении аккумулятора с заряда на разряд и, наоборот, с разряда на заряд. Наличие второй электрохимической реакции, идущей параллельно с основной, описываемым зависимостью (1.1), подтверждает присутствие релаксационного слагаемого: в уравнениях Шеферда, Хаскиной-Даниленко и Романова. Вторая параллельная электрохимическая реакция является причиной появления первоначального нелинейного участка кривой при заряде и разряде і аккумулятора. В работе [30] предлагается следующее объяснение природы этой реакции. В положительном электроде нейтральные ионы гидроксила, накопленные в твердой фазе гидратной оболочки активного вещества, дополнительно окисляют гидроксиды никеля, и тем самым понижается поверхностная степень окисленности положительного электрода. В отрицательном электроде, в силу обеднения нейтральными ионами гидроксила твердой гидратной оболочки активного вещества, часть ионов гидроксила после заряда переходит из гидроксида кадмия в гидратную оболочку и, тем самым, повышает поверхностную степень окисленности активного вещества отрицательного электрода. Все это приводит к уменьшению напряжения на клеммах аккумулятора после заряда.
Для электротехнической модели (рис. 2.6) это аналогично движению тока по кольцу: rl-Cl-r2-C,n В положительном электроде нейтральные ионы гидроксила забирают электроны у металлической матрицы и переходят в раствор, затем они переходят в гидроксид никеля, согласно основной реакции (1.1), и возвращают электроны металлической матрице. Аналогичное движение тока будет происходить и для кадмиевого электрода. Результирующий ток через схему будет равен нулю.
При разработке электротехнической модели поры ставилась задача заменить элементы электротехнической модели поры (рис. 2.6), функции которых описаны математически, реальными электронными элементами, реализующими данные функции. В результате электротехническая модель будет представлять электрическую схему. Это дает возможность компьютерного моделирования с использованием стандартных программ (например Micro Сар 7.0), предназначенных для моделирования работы электрических схем. Такой подход предоставляет широкие возможности для компьютерного моделирования, например, позволяет на основе модели поры относительно просто строить двухмерные модели электродов. Разрабатываемая электротехническая модель поры предназначалась для исследования распределения тока по глубине поры при поляризации асимметричным током. В нестационарных режимах работы аккумулятора при достаточно малых длительностях импульсов тока влияние релаксационной поляризации и разрядной поляризации на вольт-амперную характеристику (ВАХ) аккумулятора будет незначительно, и ВАХ будет определяться только активационно-омической поляризацией [30]. Следовательно, в модели (рис. 2.6) элементы 7?„чи rl можно заменить линейными элементами. Падение напряжения на активациошю-омическом элементе определяется выражением:
В модели, представленной на рис. 2.6, первый член этого выражения моделируется резистором R, второй член моделируется нелинейным элементом гг. Элемент Г2 можно заменить электрической схемой, функционально представляющей собой двухполюсник с логарифмической передаточной характеристикой. В простейших схемах логарифмических усилителей используют нелинейную характеристику диода. При прямом токе через диод, значительно превышающем обратный ток характеристика диода описывается выражением:
Исследование ускоренного формирования на физических моделях никель-кадмиевых аккумуляторов с тонкими металло з керамическими оксидно-никелевыми электродами
Аккумуляторы групп 4 и 5 формировали асимметричным током с первого цикла со средним значением тока I3ap=10A. Разряжали аккумуляторы всех групп постоянным током 1ра3р=10А. После четвертого цикла формирования асимметричным током первая группа аккумуляторов была снята с формирования, а формирование второй группы аккумуляторов осуществлялась до девятого цикла включительно. Формирование аккумуляторов группы 4 проводили до 6 цикла включительно, группы 5 - до четвертого цикла. Затем для первой и второй групп аккумуляторов после формирования асимметричным током было проведено по четыре цикла формирования постоянным током.
После заряда проводили отгазовку в течение 12 часов. За время заряда газовыделение и нагрев аккумуляторов групп 1, 2 и 4 были незначительными, поэтому заряд проводили в одну стадию без перерыва на остывание. У аккумуляторов группы 3 в процессе заряда наблюдалось интенсивное газовыделение и нагрев аккумуляторов.
После 10-го цикла формирования асимметричным током 2-й группы аккумуляторов были проведены три дополнительных цикла формирования с зарядом постоянным током величиной 10 А для увеличения разрядной емкости. Заряд проводили в течение 4 часов током 10А.
На рис.3.14 представлены средние значения разрядной емкости по каждой группе аккумуляторов.
Из графиков видно, что при увеличении длительности заряда асимметричным током процесс формирования идет быстрее. При одинаковых длительностях заряда формирование асимметричным током дает прирост разрядной емкости. После пятого цикла разрядная емкость аккумуляторов, формируемых асимметричным током выше, чем разрядная емкость аккумуляторов, формируемых постоянным током (на 7,3 % у 1-й группы и на 5.1 %у 2-й группы).
Получена зависимость изменения перегрева аккумуляторов НКМ-20 (группа 2, цикл 10) от времени заряда при формировании асимметричным током. Она представлена на рис. 3.15. После сообщения зарядной емкости 2С„ом перегрев аккумуляторов относительно температуры окружающей среды составил всего 7С. При формировании аккумуляторов НКМ-20 в соответствии с существующим технологическим режимом перегрев аккумуляторов существенно больше, и для охлаждения аккумуляторов применяют дорогостоящие системы кондиционирования.
При осмотре аккумуляторов НКМ-20 не было обнаружено деформации корпуса ни в одной из групп формируемых аккумуляторов. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами формирования емкости аккумуляторных ячеек. При увеличении длительности заряда в первых циклах также сокращалось необходимое число циклов формирования, и увеличивалась отдаваемая емкость. At і С
Перегрев HKM-20 (группа 2 цикл 10) при заряде асимметричным током Однако для аккумуляторов НКМ-20 при формировании группы 5 потребовалось провести три цикла формирования, тогда как для формирования ячейки №5 при сообщении в первом цикле формирования тех же 4,5СН0М потребовался всего один цикл. Удельные отдаваемые емкости аккумуляторов НКМ-20 также были несколько меньше, чем при формировании аккумуляторных ячеек, электроды которых находились в свободном объеме электролита. Этот факт можно объяснить концентрационными затруднениями и худшими условиями газообмена в условиях плотной упаковки.
При формировании первых двух групп последние четыре цикла проводили постоянным током. Переход с формирования асимметричным током к ) формированию постоянным током привел к дополнительной прибавки отдаваемой емкости (на 5% для группы 1 и на 10% для группы 2). Возможно, это связано с тем, что при переходе на постоянный ток поверхностные слои активной массы в большей степени окисляются, и в этих слоях формируется фаза y-NiOOH, которая, как известно, имеет большую удельную емкость, чем фаза /З-NiOOH. Это подтверждает, что выбранные параметры асимметричного тока действительно обеспечивают равномерное распределение тока по толщине электрода. Таким образом, применение асимметричного тока с коротким и мощным разрядным импульсом позволяет значительно увеличивать длительность заряда в каждом цикле формирования, обеспечивая равномерное распределение электрохимических процессов по объему активной массы. Это значительно сокращает общее время формирования, обеспечивая равномерное формирование фазовой структуры по объему ОНЭ, что значительно снижает механические напряжения в электродах и деформацию корпуса аккумуляторов. Для аккумуляторов НКМ-20 общее время формирования снижено примерно в три раза.
Автоматизированная заряд-разрядная станция сазр-4,5-380/100-ухл-202 для формирования и восстановления емкости аккумуляторных батарей асимметричным током
Первые зарядные устройства использовали переменный ток промышленной частоты. С помощью схемных решений синусоидальный ток смещался относительно нуля, и полученная асимметрия обеспечивала среднее значение тока, отличное от нуля. Собственно, поэтому асимметричный ток и получил своё название. Подобные зарядные устройства позволяли менять в небольших пределах только соотношение амплитуд зарядного и разрядного импульсов и длительность импульса. і Для того чтобы в широких пределах менять параметры асимметричного тока (частота, соотношение амплитуд зарядного и разрядного импульсов, длительность импульсов, паузы между импульсами) необходимо использовать в зарядных устройствах коммутирующие элементы. Электрические реле для этих целей были непригодны ввиду низкого быстродействия и ресурса работы. В первых пригодных для эффективного использования в исследованиях и для промышленного применения зарядных устройствах использовали тиристоры. На базе тиристоров созданы конденсаторные зарядные устройства, позволяющие в широких пределах менять соотношение амплитуд зарядного и разрядного импульсов. Эти устройства зарекомендовали себя как достаточно недорогие и надежные, но они не позволяют изменять частоту и длительность импульсов асимметричного тока. Использование фазового управления тиристорами позволило изменять длительность импульсов. Но в этом случае при изменении длительности импульса меняется форма импульса, что усложняет анализ при исследовании. К тому же такие зарядные устройства имеют большие габариты и массу за счет того, что силовой трансформатор работает на низкой частоте 50 Гц. С появлением 112 современных коммутирующих устройств (IGBT) резко снизилась масса, габариты и потребность в цветных металлах (электротехническая медь) при разработке зарядных устройств за счет преобразования энергии на высокой частоте (десятки килогерц). К особенностям подобных зарядных устройств можно отнести то, что стоимость современной элементной базе резко возрастает с увеличением класса по току, напряжению и частоте. Это накладывает существенные ограничения на выбор параметров асимметричного тока, особенно при заряде аккумуляторов большой емкости. При увеличении соотношения амплитуд разрядного и зарядного тока и скважности площадь разрядного импульса тока растет. Чтобы сохранить среднее значение асимметричного тока нужно увеличить площадь зарядного импульса тока за счет увеличения его амплитуды. Увеличение плотностей коммутируемых токов приводит к выбору коммутирующих элементов с более высоким классом по току, что резко увеличивает их стоимость. Также увеличиваются расходы цветных металлов в устройстве. По этой причине соотношение разрядного и зарядного импульсов было ограничено до трёх, а скважность уменьшена до 4 %. Увеличение частоты следования импульсов тока увеличивает потери в преобразователе, что приводит к увеличению массо-габаритов устройства и материалоемкости, и в конечном итоге к увеличению стоимости устройства. Поэтому была выбрана минимальная частота следования импульсов (4 Гц) из рекомендованного в главе 2 диапазона. Схемотехника зарядных устройств менялась по мере развития элементной базы для управления процессом заряда, формирования и контроля зарядных и разрядных токов. При разработке станции для ускоренного восстановления емкости САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202 за базовую была принята идеология цифрового управления зарядным устройством. Использование микропроцессоров в устройствах управления позволяет осуществлять контроль процесса заряда аккумуляторной 113 батареи и управление параметрами режима заряда в реальном масштабе времени, а также для каждого типономинала батареи проводить заряд соответствующим режимом, тип батареи определяется автоматически, либо задается с пульта управления. Попытки использования стандартных, предлагаемых промышленностью, контроллеров показали, что они включают в себя избыточное оборудование, а их стоимость достаточно высока. Поэтому мы перешли к созданию специализированных блоков управления для устройств ускоренного заряда асимметричным током на базе однокристальных микропроцессоров (ОМП). Автоматическая заряд-разрядная станция САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202 предназначена для обслуживания электровозных аккумуляторных батарей 42НК-125. На рис.5.1 представлена функциональная схема устройства.
Функциональная схема автоматической заряд-разрядной станции САЗР-4,5 380/100-УХЛ-202 114 Трехфазное напряжение через выпрямитель В1 преобразуется в постоянное напряжение и подается на преобразователь П, работающий на высокой частоте (20 кГц), далее через высокочастотный трансформатор Т, выпрямитель В2, выпрямленное напряжение подается на источник зарядного тока 3, формирующий через фильтр Ф1 зарядный ток аккумуляторной батареи АБ. Необходимые для асимметричного режима разрядные импульсы формируются источником асимметричного тока А. Постоянный разрядный ток АБ формируется источником разрядного тока Р, который через фильтр Ф2 нагружен на разрядный резистор R.
В систему управления входит блок управления, осуществляющий контроль и управление входным преобразователем, формированием асимметричного тока и источника разрядного тока батареи. Блок питания собственных нужд (БП) обеспечивает гальваническую развязку и формирование необходимых для работы станции напряжений. Напряжение и ток батареи контролируется датчиками напряжения ДН и тока ДТ. С пульта управления и индикации ПУИ осуществляется выбор режимов: «Заряд», «Разряд», «Тренировка».
Принятые технические решения при разработке станции позволили применить элементную базу, которая имеет широкое распространение и низкую цену, что благоприятно сказалось на стоимости станции.
Личным вкладом автора в разработку данной зарядной станции было разработка плат управления силовыми ключами (на функциональной схеме они входят в блок управления), что значительно повысило надежность работы зарядной станции, упростило монтаж, и в конечном итоге снизило стоимость станции. На данное техническое решение был получен патент РФ №2006113489 [117].
По сравнению с зарядными устройствами УЗА43-150-80, эксплуатируемыми в настоящее время в локомотивных депо, станция САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202 имеет в четыре раза меньший вес, на 25% лучший коэффициент полезного действия, существенно меньшие габариты. В соответствии с расчетными данными, производительность была увеличена в 2,4 раза, время ввода батареи в эксплуатацию уменьшилось в 2,3 раза. Снижено газовыделение, вследствие чего отсутствует выплескивание электролита, которое наблюдается при использовании зарядных устройств УЗА43-150-80. Станция внедрена и эксплуатируется в локомотивном депо г. Самара Куйбышевской железной дороги с 2005 года. Акт внедрения приведен в приложении А.
