CC BY
93
УДК 621. 351. +519. 6
Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова, М.Ю. Сербиновский
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК
ГЕРМЕТИЧНЫХ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ УСКОРЕННОМ ЗАРЯДЕ ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ
Представлены результаты исследования стабильности емкости герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов с неопределённой степенью заряженно-сти при их ускоренном заряде асимметричным током. Выбранный режим заряда асимметричным током позволяет ускоренно заряжать герметичные аккумуляторы без приведения их в исходное состояние (разряд до 1 В). Время переподготовки аккумулятора, затраченное только на время ускоренного заряда, составляет 1,5 4 2 часа при сохранении ресурса, в сравнении с режимом заряда постоянным током в течение 14 419 часов, определяет преимущества выбранного режима.
Асимметричный ток, ускоренный заряд, герметичный аккумулятор, неопределенная степень заряженности, предварительный разряд
G.P. Smetankin, A.S. Burdyugov, T.V. Plokhova, M.Y. Serbinovskiy
RESEARCH OF STABILITY CHARACTERISTICS OF THE SEALED NICKEL-CADMIUM ACCUMULATORS UNDER THE AUTOMATED RAPID CHARGE WITH ALTERNATIVE CURRENT
The article presents the research results of nickel cadmium sealed batteries’ rapid charging with indefinite degree of asymmetrical current charge. The chosen mode of asymmetrical current charging allows rapid charging of sealed accumulators without putting them into a reset state (discharge up to 1V). The accumulator rebuilding time used only for accelerated charge equals 1,5 4 2 hours under the conserved resource. Compared with the direct current charge mode during 14 419 hours, it defines the priorities of the chosen mode.
Asymmetrical current, fast charge, sealed accumulator, indefinite charging rate, pre-discharge
Введение
Исследование возможности интенсификации заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей с неопределенной степенью заряженности без предварительного разряда при условии обеспечения высокой стабильности параметров заряженных батарей представляет большой практический интерес. Никель-кадмиевые аккумуляторы и аккумуляторные батареи, в том числе герметичные, широко применяются в промышленности, на транспорте в изделиях специального назначения, они обладают уникальными свойствами:
- высокие зарядные и разрядные токи - до 10Сном;
- сохранность заряда - до 10 лет;
- большой срок службы - до 20 лет;
- большое количество зарядно-разрядных циклов - до 10000;
- рабочий диапазон температуры окружающей среды - от минус 40 °С
до плюс 50 °С;
- низкие эксплуатационные расходы;
- температура окружающей среды, после воздействия
которой сохраняется работоспособность - от минус 50 °С
до плюс 60 °С
Эти свойства делают их незаменимыми для использования в оборудовании, работающем в жестких климатических условиях.
В настоящее время по общепринятой технологии для исключения влияния предыстории разряда на параметры заряженных батарей их предварительно разряжают до заданного напряжения, тем самым приводят их в одинаковое состояние перед зарядом. Эта операция позволяет добиться удовлетворительной воспроизводимости параметров заряженных герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, но увеличивает время переподготовки батарей. Так, в соответствии с инструкцией по эксплуатации герметичных аккумуляторов НКПЛ1 Ц-0,5 заряд аккумуляторов проводится током, численно равным 0,1 номинальной 164
емкости (0,1 Сном) в течение 14 часов после их разряда током, численно равным 0,2 - 0,6 Сном до напряжения
1 В. При такой технологии для полного заряда аккумулятора с неизвестной степенью заряженности требуется достаточно большой промежуток времени от 14 до 19 часов, что делает актуальным поиск режимов заряда, сокращающих время и эксплуатационные затраты на переподготовку герметичных аккумуляторов.
Одним из результатов поиска оптимальных режимов заряда стало установление факта нивелирования «эффекта памяти» у никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей при автоматизированном ускоренном заряде асимметричным током с определением окончания заряда по характерным участкам кривых заряда (критериям) без приведения в исходное (разряженное) состояние.
Результаты исследований доказывают, что при заряде никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей асимметричным током вид кривой сохраняется в течение всей наработки и не зависит от того, заряжается полностью разряженная батарея или происходит ее подзаряд [2, 3].
На основании анализа полученных зависимостей изменения напряжения на аккумуляторах и аккумуляторных батареях различных типов при их заряде постоянным и асимметричным токами различной плотности были построены обобщенные кривые зарядов, которые соответствуют всем типам исследованных аккумуляторных батарей и отражают динамику процессов, происходящих при ускоренном заряде. Обобщенные зависимости изменения напряжения аккумуляторных батарей от их относительной емкости при ускоренном заряде асимметричным током представлены на рисунке. Кривые соответствуют различной степени заряженности или текущей ёмкости на разных этапах эксплуатации батарей.
Обобщенные зависимости изменения напряжения никель-кадмиевых аккумуляторов и батареи при ускоренном заряде асимметричным током: 1 - полностью разряженного аккумулятора (батареи);
2 - 5 - при контролируемой остаточной емкости 20, 40, 60 и 80 % от номинальной ёмкости, соответственно (метод обеспечения контролируемой остаточной емкости описан ниже)
В результате исследований [2, 3] установлено, что в течение срока службы кривые заряда, полученные при заряде асимметричным током (рисунок), сохраняют свою форму. Необходимо отметить, что во многих случаях практического применения никель-кадмиевых аккумуляторных батарей в каждый конкретный момент неизвестна степень заряженности батареи, а для оценки времени работы автономного устройства это необходимо. Поэтому на практике используют резервную заряженную батарею, что дорого, или выделяют необходимое время для переподготовки батареи. Переподготовка постоянным током занимает более 14 часов, а асимметричным током 1,5-2 часа [2-4]. В связи с этим можно утверждать, что наиболее перспективной технологией заряда аккумуляторов с неопределенной степенью заряженности является автоматизированная технология ускоренного заряда асимметричным током.
На основании проведенных ранее исследований режимов ускоренного заряда асимметричным током [1 - 4] были определены параметры асимметричного тока заряда: диапазон частот асимметричного тока Г = (4 4 10) Гц, соотношение амплитуд катодного импульса к анодному п = 1к/1а = 3 4 5, коэффициент заполнения катодного импульса у = (0,04 4 0,10), пауза между импульсами т = 2 мс. Для исследований как наиболее эффективный с точки зрения простоты реализации и получаемого эффекта был выбран режим со следующим параметрами Г = 4 Гц, п = 3, у = 0,04, т = 2 мс.
В результате исследований было установлено, что автоматизированный ускоренный заряд герметичных аккумуляторов и аккумуляторных батарей плотностью тока 1,2 4 0,8 Сном увеличивает ресурс наработки.
Целью настоящей работы является доказательство возможности и эффективности применения автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов и аккумуляторных батарей с неопределенной степенью заряженности без предваритель-
ного разряда батарей до 1 В на аккумулятор на примере аккумуляторов НКПЛГЦ-0,5 и аккумуляторных батарей 4НКПЛГЦ-0,5.
Экспериментальная часть
Исследования проводили на аккумуляторах НКПЛГЦ-0,5, которые были собраны в две аккумуляторные батареи 4НКПЛГЦ-0,5, причем сборку производили из отдельных, подобранных по отдаваемой ёмкости аккумуляторов. Заряд батарей осуществляли асимметричным током в автоматизированном ускоренном режиме (1зар > 1ном) с отключением заряда при достижении на батарее граничного уровня напряжения (далее - режим автоматизированного ускоренного заряда) [4]. Граничное напряжение определяли как максимальное напряжение, указанное в инструкции по эксплуатации аккумуляторов НКПЛГЦ-0,5, умноженное на количество аккумуляторов в батарее.
Выбор данной методики связан с тем, что разброс параметров аккумуляторных батарей определяется разбросом параметров составляющих её аккумуляторов, что позволяет исследовать стабильность параметров заряженных аккумуляторов при работе их в батареи. Кроме этого, использование батарей имеет следующие преимущества:
— снижение погрешности установки уровня граничного напряжения, приходящейся на один аккумулятор (погрешность установки напряжения в данном случае делится на число аккумуляторов в батарее);
— выравнивание условий заряда и разряда для аккумуляторов при их последовательном соединении в батарее (ток одинаков во всех аккумуляторах батареи);
— ускорение процесса получения опытных данных.
Исследование проводилось по следующей методике:
1. Полностью разряженные аккумуляторы (до напряжения 1 В) собирали в две батареи 4НКПЛГЦ-0,5 и каждую заряжали асимметричным током режимом автоматизированного ускоренного заряда со средней плотностью тока G,5 А.
2. Разряжали каждый аккумулятор отдельно током, численно равным 0,2Сном до напряжения 1В, тем самым определили значение его ёмкости.
3. Батареи заряжали асимметричным током режимом автоматизированного ускоренного заряда со средней плотностью тока G,5 А.
4. Батареи разряжали на 20% от Сном, и снова заряжали асимметричным током режимом автоматизированного ускоренного заряда со средней плотностью тока G,5 А.
5. Выполняли п. 2.
6. Последовательно выполняли п. З, 4 и 5, разряжая батареи по п. 4 на 40, 60 и 80 % от С ном соответственно.
Разрядом аккумуляторов на 20, 40, 60, 80 % от Сном имитировали неопределенную степень заряженности батареи. Разряд аккумуляторных батарей на определенное, заранее заданное значение относительно Сном предполагает проверку возможности заряда аккумуляторов, находящихся в разной степени заряженности, до полной ёмкости. С нашей точки зрения, выбранные значения остаточной емкости не могли каким бы то ни было образом повлиять на разрядную ёмкость заряженных после этого аккумуляторов, так как окончание заряда задается не оператором, а определяется автоматизированным устройством заряда по уровню напряжения на батарее. Таким образом, окончание заряда определялось только изменением состояния аккумуляторов в процессе заряда. Во время проведения эксперимента уровень граничного напряжения в устройстве заряда не менялся, а условия его проведения соответствовали нормальным климатическим условиям.
В результате выполнения последовательности действий, описанных выше, получены 4G значений разрядной ёмкости (Сотд), которые представлены в табл. 1.
Количество интервалов разбиения полученных значений вычислялось по формуле из [2]:
k=1+ З,2 lg n = 6,127~ 7 , при n = 40.
Величина интервала изменения ёмкости АСотд вычислялась по формуле
АСотд=\Ротд — Сном) — (Сотд — Сном) .П 1k =^ мА'ч‘
шах шіП
Значения, соответствующие границам АСотд, приведены в табл. 2 (колонка 1).
556740,100767447298722-10678 Проверка гипотезы соответствия изучаемого распределения нормальному закону распределения (закону Гаусса) проводилась по методике, описанной в [5], путем сравнения генеральных параметров теоретического распределения и их оценок, полученных по выборке.
Выборочные значения результатов измерения ёмкостей аккумуляторов приведены в табл. 2. Для вычисления статистических начальных и центральных моментов использовались середины интервалов разбиения случайной величины ~г. Относительная частота вычислялась по формуле:
* * /
Рг = Пг /П ,
* и и и
где п - количество опытов, пг - количество значений случайной величины, попадающих в интервал.
Таблица 1
Ёмкости аккумуляторов НКПлГЦ-0,5, заряженных по способу автоматизированного ускоренного заряда
№ п/п С отд мА ч с - с отд ном мА ч № п/п С отд мА ч с - с отд ном мА ч № п/п С отд мАч с - с отд ном мА ■ ч № п/п с отд мА ч с - с отд ном мА ■ ч
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 418 -82 11 475 -25 21 505 5 31 525 25
2 420 -80 12 480 -20 22 505 5 32 536 36
3 450 -50 13 480 -20 23 512 12 33 537 37
4 462 -38 14 483 -17 24 516 16 34 538 38
5 462 -38 15 486 -14 25 516 16 35 542 42
6 462 -38 16 495 -5 26 516 16 36 545 45
7 465 -35 17 497 -3 27 518 18 37 572 72
8 465 -35 18 500 0 28 520 20 38 578 78
9 465 -35 19 500 0 29 523 23 39 578 78
10 466 -34 20 503 3 30 525 25 40 578 78
Таблица 2
Результаты распределения опытных данных и вычисления выборочных значений
с - с отд ном мА ■ ч хг мА ч • пг • Рг х * хг • Рг мА ч х * хг - т мА ■ ч * /■ *х * \ 2 Рг (Х - т ) */х *\3 Рг (хг - т ) *, х *ч 4 Рг (~ - т )
-82 -71 2 0,050 -4 -71 249 -17559 10ь
-59 -48 5 0,125 -6 -48 284 -13526 6-105
-36 -25 8 0,200 -5 -25 123 -3033 8-104
-13 -2 7 0,175 0 -2 1 -1 2
10 21 9 0,225 5 21 100 2098 4-104
33 44 5 0,125 5 44 241 10610 5-105
Другие статистические характеристики выборки рассчитывались по приближенным формулам из источника [5]:
статистическое среднее статистическая дисперсия
статистическое среднеквадратичное отклонение коэффициент асимметрии
коэффициент эксцесса
т
* = м -[X ]=X х ■ Р* ;
г=1
В*= &[Х] = X(X-т* )2 ■ р*
г ’
1=1
- а
= •[& ; 1
О, п ■ О, .=1
/I* 1 п
-А=/=—■ X (*- т )4 -3
" “ 0х .=1
к
Дисперсии этих величин
- А/1)= Дг2)
6 ■ (п-1) (п+1)^ (п+3); 24 ■ п ■ (п—2) ■ (п—3)
(и+1)2 ■ (и+3) ■ (и+5)’
где и = 40 - объем выборки.
В результате вычисления формул получаем:
ж* = — 2мА■ ч ;Б* = 1444;^* = 38мАч ; У* =—054; у* =—081; А У*)=0,13; А У*)=0,41.
Поскольку:
*
К
—0,541 < 3^ ^( у*) = 1,09, = |— 0,81| <5 ■ д/Ау*) = 3,22,
Г2
и неравенства соблюдаются, то наблюдаемое распределение соответствует нормальному закону.
Применение критерия Пирсона для оценки согласованности теоретического и статистического распределений производилось по формулам:
!•
І=1
(пІ— п^РІ)
пРг
г=к—з,
где число наложенных связей (для нормального закона распределения 5 = 3), п, - статистическая частота, р, - теоретическая вероятность нормального закона распределения с параметрами:
ж = —2 мА■ч; Б = 1444 ; <г = 38 мА■ ч; X = 311; г=4.
Теоретические вероятности попадания в разряды вычислялись по формуле:
Ф
ґ
X
V Ро
т
\
і+1__________
■ о ■ л/2
/
Ф
X,.
т
Л
р ■ о
где Ф - приведенная функция Лапласа, значения которой для вычисленных значений аргументов на границах интервалов находим по данным табл. 3 [5].
Таблица 3
Данные для вычисления критериев Пирсона и Колмогорова
Г раницы интервалов пі хі — т Ф п^ Рі (пі — п^Рі )2 п^п (х ) п п ■ к(х)—
ро ■ 42 п^ Рі
-80 2 -3,20 -0,9997 2,02 0,00 2 2,0 0,0
-60 5 -2,42 -0,8988 3,29 0,89 7 5,3 1,7
-40 8 -1,64 -0,7342 5,83 0,81 15 11,1 3,9
-20 7 -0,86 -0,4427 7,89 0,10 22 19,0 3,0
0 9 -0,08 -0,0484 8,14 0,09 31 27,2 3,8
20 5 0,70 0,3584 6,40 0,31 36 33,6 2,4
40 4 1,48 0,6786 6,42 0,91 40 40,0 0,0
60 2,26 0,9997
По г и X с помощью специальной таблицы определялись вероятности того, что величина, имеющая распределение х с г степенями свободы, превзойдет данное значение х . Если вероятность мала, то предположение о том, что данная случайная величина подчинена нормальному закону распределения, отбрасывается как неправдоподобная. Если эта вероятность относительно велика, то предположение можно признать не противоречащим опытным данным. На практике, если уровень значимости q оказывается меньшим, чем 0,1, рекомендуется проверить эксперимент.
По специальным таблицам для г = 4, находилось значение Х)50 = 3,36. Так как вычисленное значение X1 = 3,11<Хо50 = 3,36, то есть неравенство выполняется, следовательно, можно утверждать,
что гипотеза о нормальном распределении наблюдаемой случайной величины согласуется с опытными данными при уровне значимости q = 0,5.
Для гарантии сделанного вывода дополнительно проверялась гипотеза о соответствии наблюдаемого распределения нормальному закону с помощью критерия Колмогорова [6]. Схема применения критерия Колмогорова следующая: строилась статистическая функция распределения п ■ ¥п (х) и
предполагаемая теоретическая функция распределения п ■ Г(х), определялся максимум Б модуля
разности между ними, вычислялась Л = Б ■ 4п и по специальной таблице находилась вероятность р(Л). Это вероятность того, что за счет чисто случайных причин максимальное расхождение между п ■ Гп (х) и п ■ Г(х) будет не меньше, чем фактически наблюденное. Если вероятность р(Л) весьма мала, на практике уровень значимости принимается равным 0,2 4 0,3. При Л> Л03 гипотеза считается сомнительной, при Л < Л03 гипотезу можно считать совместимой с опытными данными.
В столбце 7 табл. 3 приведены значения статистической функции п ■ Гп (х) распределения, в столбце 8 приведены значения теоретической функции п ■ Г (х) распределения, соответствующая разность между ними отображена в столбце 9. Из данных таблицы следует
пБ = тах п |Гп (х) — Г (х)| = 3,9;
л=пБ=0,61.
\п
По специальной таблице для уровня значимости q=0,3, Я03 = 0,97. Так как
Л = 0,61 <Л0,3 = 0,97, то критерий Колмогорова позволяет считать рассматриваемое распределение
соответствующим нормальному закону.
Анализ полученных результатов проводился по методике, описанной в [7].
С целью корректного анализа полученного фактического материала была проведена оценка погрешности результатов измерения ёмкости аккумуляторов. В нашем случае она складывалась из систематической абсолютной погрешности Е\ прибора (класс 0,5), равной ± 0,75 мА и случайной погрешности измерения временных интервалов е4. Для оценки случайной погрешности измерения временного интервала границы допуска по напряжению на аккумуляторе в конце разряда, равные ±
0,1 В, наложили на кривую разряда аккумулятора током пятичасового режима и получили ег = ± 0,09 часа. Согласно [7] предел погрешности результата получается суммированием абсолютных значений пределов погрешности отдельных измеренных значений:
£полн = ± ( £1 ■ £разр + \£\ ■ 1раз,р) = ± 13
где £1 = ± 0,75 мА - погрешность измерения тока разряда, £разр = 5 часов , = ± 0,09 часа,
1 = 100 мА , что составляет - ± 2,6 % от Сном = 500мАч.
разр ном
Для найденного закона распределения математическое ожидание практически совпадает с Сном = 500 мА ■ ч , т.к. центрированное математическое ожидание (с центром равным Сном) ж ~ 0. Интервал значений случайной величины ± 3о , соответствующий доверительной вероятности 99 %, попадает в диапазон ± 0,23Сном. Полный диапазон с учетом погрешности измерения равен
± 0,25Сном , что соответствует рабочему состоянию аккумулятора в процессе наработки (нижней границей рабочего состояния является Сгран = 0,6Сном ).
Результаты и их обсуждение
Предложена методика исследования процессов заряда-разряда аккумуляторов с заданной и неизвестной степенью заряженности в составе батарей.
Результаты математической обработки экспериментальных данных по исследованию поведения аккумуляторов НКПЛГЦ-0,5 с известной остаточной емкостью, заряженных без предварительного разряда в составе батареи асимметричным током по способу автоматизированного ускоренного заряда с отключением заряда при достижении на батарее граничного уровня напряжения [4], показа-
169
ли, что применение данного способа для аккумуляторов и батарей с неопределенной степенью заря-женности обеспечивает стабильный заряд аккумуляторов до полной емкости без их предварительного разряда. Аналогичные исследования [2, 3] показали, что применение разработанного способа для батарей с неопределенной степенью заряженности также обеспечивает их стабильный заряд до полной емкости без предварительного разряда.
Таким образом, доказаны:
1) эффективность использования способа ускоренного заряда асимметричным током [4] аккумуляторов и батарей с неизвестной степенью заряженности;
2) высокая стабильность и воспроизводимость параметров аккумуляторов и батарей, заряженных по способу ускоренного заряда асимметричным током [4];
3) возможность исключения операции предварительного разряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей при ускоренном заряде асимметричным током [4].
1. Сметанкин Г.П. Имитационная модель поры металлокерамического оксидно-никелевого электрода / Г.П. Сметанкин, С.С. Матекин, А.С. Бурдюгов // Электрохимическая энергетика/ 2009. Т. 9. № 1. С. 40-43.
2. Сметанкин Г.П. Способы и автоматизированные средства ускоренного заряда герметичных щелочных аккумуляторов: дис. ... канд. техн. наук / Г.П. Сметанкин. Новочеркасск: НПИ, 2002. 162 с.
3. Бурдюгов А.С. Способы автоматизированного ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей: дис. ... канд. техн. наук / А.С. Бурдюгов. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2005. 168 с.
4. Пат. РФ №2207665 Способ автоматического ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей асимметричным током. 27. 10. 2003. Бюл. № 30.
5. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии / С.Л. Ахназарова, В.В. Ка-фаров. М.: Высш. шк., 1978. 319 с.
6. Теория вероятностей / Е.С. Вентцель. М.:Физматлит, 1962. 564 с.
7. Измерения в промышленности: справочник. Кн. 1 / под ред. проф. П. Профоса. М.: Металлургия, 1990. 491 с.
Сметанкин Георгий Павлович - Georgy P. Smetankin -
кандидат технических наук, доцент, заведующий Ph.D., Associate Professor отделом ОАО «ВЭлНИИ», г. Новочеркасск Head of Division
ЛИТЕРАТУРА
All-Russian Research and Development Institute, Novocherkassk
Бурдюгов Александр Сергеевич -
кандидат технических наук, заместитель заведующего отделом, ОАО «ВЭлНИИ», г. Новочеркасск
Alexander S. Burdyugov -
Ph.D., Deputy Head of Division
All-Russian Research and Development Institute,
Novocherkassk
Плохова Татьяна Владиславовна -
младший научный сотрудник ОАО «ВЭлНИИ», г. Новочеркасск
Tatyana V. Plokhova -
Junior Researcher
All-Russian Research and Development Institute, Novocherkassk
Сербиновский Михаил Юрьевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Летательные аппараты»,
ТТИ ЮФУ, г. Новочеркасск
Mikhail Yu. Serbinovsky -
Dr.Sc., Professor Department of Air Vehicles,
Taganrog Technological Institute of Southern Federal University, Novocherkassk
Статья поступила в редакцию 12.09.12, принята к опубликованию 06.11.12
