Оценка возможности применения способа ускоренного заряда асимметричным током герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621. 351. +519. 6

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПОСОБА УСКОРЕННОГО ЗАРЯДА АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ ГЕРМЕТИЧНЫХ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

© 2012 г. Г.П. Сметанкин , А.С. Бурдюгов , Т.В. Плохова , М.Ю. Сербиновский

*Всероссийский научно-исследовательский *All-Russian Scientific Research and Design

и проектно-конструкторский институт Institute for Electric Locomotives Building,

электровозостроения, г. Новочеркасск Novocherkassk

Технологический институт Taganrog Technological

Южного Федерального университета Institute of Southern Federal

в г. Таганроге University

Представлены результаты исследований по ускоренному заряду герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов с неопределённой степенью заряженности 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 ^ 2,0 ч при сохранении ресурса, в сравнении с режимом заряда постоянным током в течение 14 ^ 19 ч, определяет преимущества выбранного режима.

Ключевые слова: асимметричный ток; ускоренный заряд; герметичный аккумулятор; неопределенная степень заряженности; предварительный разряд.

The research results of nickel cadmium sealed batteries' rapid charging with indefinite degree of asymmetrical current charge are represented. The chosen mode of asymmetrical current charging allows rapid charging of the sealed accumulators without putting them into reset state (discharge up to 1V). The accumulator rebuilding time spent only for accelerated charge is 1,5 ^ 2 hours while resource is conserved, in comparison with the direct current charge mode during 14 ^ 19 hours, so it defines the priorities of the chosen mode.

Keywords: asymmetrical current; fast charge; sealed accumulator; indefinite charging rate; pre-discharg.

Введение Эти свойства делают их незаменимыми для ис-

Исследование возможности интенсификации за- пользования в с^орудомш^ работающем в жестких

ряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных климатических условиях.

батарей с неопределенной степенью заряженности без °сновн°й пр°блем°й при эксплуагации герметич-

предварительного разряда при условии обеспечения ных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей явля-

высокой стабильности параметров заряженных бата- ется большое время переподготовки. В настоящее

рей представляет большой практический интерес. время по общепринятой технологии для исключения

Никель-кадмиевые аккумуляторы и аккумуляторные влияния предыстории разряда на параметры заряжен-

батареи, в том числе герметичные, широко применя- ных батарей их предварительно разряжают до задан-

ются в промышленности, на транспорте в изделиях ного значения напряжения, тем самым приводя их в

специального назначения, они обладают уникальными одинаковое состояние перед зарядом. Эта операция

свойствами- позволяет добиться удовлетворительной воспроизво-

- высокими зарядными и разрядными токами - до димости параметров заряженных герштатаьк ни-10 с ■ кель-кадмиевых аккумуляторных батарей. Так, в соот-

- сохранностью заряда- до 10 лег ветствии с инструкцией по эксплуатации герметичных

- большим сроком службы - до 20 лет; аисумулягорот ЖОЛЩ-0,5 тарад ^ку^лшюрот

- большим количеством зарядно-разрядных цик- проводится током, численно равным 0,1 номинальной лов - до 10000^ ёмкости (0,1Сном) в течение 14 ч после их разряда

- рабочим диапазоном температуры окружающей током, численно равным °,2 - °,6 Сном, до напряжения среды - от минус 40 до плюс 50 °С; 1 В при такой технологии для полного зарада акку-

- низкими эксплуатационными расходами; мулятора с неизвестной стетешда заряженности тре-

- температура окружающей среды, после воздей- буется достаточно большой промежуток времени от

ствия которой сохраняется работоспособность, - от 14 до 19 ч, что делает актуальным поиск режимов

минус 50 до плюс 60 °С. заряда, сокращающих время и эксплуатационные

затраты на переподготовку герметичных аккумуляторов.

Герметичные НК аккумуляторы изготавливаются, как правило, с избытком активной массы отрицательного кадмиевого электрода для осуществления кислородного цикла при перезаряде герметичного аккумулятора. Кислород, выделяющийся на оксидно-никелевом электроде (ОНЭ), поглощается на кадмиевом электроде. Ёмкость герметичных НК аккумуляторов ограничивается ёмкостью ОНЭ.

Для уменьшения времени переподготовки герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов предлагается технически и экономически эффективное решение посредством их автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током [1 - 4]. На основании проведенных ранее исследований по влиянию нестационарных токовых режимов на заряд и формирование активной массы ОНЭ никель-кадмиевого аккумулятора были определены диапазоны оптимальных параметров асимметричного тока для ускоренного заряда герметичных НК аккумуляторов: диапазон частот f = (4 ^ 10) Гц, соотношение амплитуд п = /к//а = 3 ^ 5, скважность катодного импульса у = (0,04 ^ 0,10), паузы между импульсами т + = т -= = 2 мс [1 - 3]. Для исследования, как наиболее эффективный с точки зрения реализации и получаемого эффекта, был выбран режим со следующим параметрами f = 4 Гц, п = /к//а = 3, у- = 0,04, т+ = т- = 2 мс.

В результате исследований было установлено, что автоматизированный ускоренный заряд герметичных аккумуляторов и аккумуляторных батарей плотностью тока 1,2 ^ 0,8 Сном увеличивает ресурс наработки.

Целью настоящей работы является доказательство возможности и эффективности применения автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током герметичных аккумуляторных батарей с неопределенной степенью заряженности без предварительного разряда батарей до 1 В на аккумулятор на примере 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 (/зар > /ном) 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, это позволяет исследовать стабильность парамет-

ров заряженных аккумуляторов при работе их в батарее. 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 0,5 А;

2. Разряжали каждый аккумулятор отдельно током, численно равным 0,2 Сном до напряжения 1 В, тем самым определили значение его ёмкости;

3. Батареи заряжали асимметричным током режимом автоматизированного ускоренного заряда со средней плотностью тока 0,5 А;

4. Батареи разряжали на 20 % от Сном и снова заряжали асимметричным током режимом автоматизированного ускоренного заряда со средней плотностью тока 0,5 А;

5. Выполняли п. 2;

6. Последовательно выполняли пункты 3, 4 и 5, разряжая батареи по п. 4 на 40, 60 и 80 % от Сном

соответственно.

Разрядом аккумуляторов на 20, 40, 60, 80 % от Сном имитировали неопределенную степень заряжен-ности батареи. Разряд аккумуляторных батарей на определенное, заранее заданное значение относительно Сном предполагает проверку возможности заряда аккумуляторов, находящихся в разной степени заря-женности до полной ёмкости. С нашей точки зрения, выбранные нами значения предварительных разрядов не могут, 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. То есть окончание заряда определяется изменением состояния аккумуляторов в процессе заряда. Во время проведения эксперимента напряжение окончания заряда не менялось, условия его проведения соответствовали нормальным климатическим условиям.

В результате выполнения последовательности действий, описанных выше, получено сорок значений разрядной ёмкости (Сотд), которые представлены в

табл. 1.

Количество интервалов разбиения полученных значений вычислялось по формуле [2]

k = 1+ 3,2 ^ п .

Величину интервала изменения емкости АСотд находили по формуле

АС0тд = ( Ас0тдтах -^Д^У k

при n = 40, k = 6,127 И7, ДСотд = 23 мАхч .

Значения, соответствующие границам АСотд,

приведены в табл. 2 (колонка 1).

Проверка гипотезы соответствия изучаемого распределения нормальному закону распределения (закону Гаусса) проводилась по методике, описанной в работе [5], путем сравнения генеральных параметров теоретического распределения и их оценок, полученных по выборке. Выборочные значения результатов измерения ёмкостей аккумуляторов приведены в табл. 2.

Таблица 1

Ёмкости аккумуляторов НКПЛГЦ-0,5, заряженных по способу автоматизированного ускоренного заряда

№ п.п. C - C отд ном ' мДхч C отд ' мДхч № п.п. C - C отд ном ' мДхч C отд ' мДхч № п.п. C - C отд ном ' мДхч C отд ' мДхч № п.п. C - C отд ном ' мДхч C отд ' мДхч

1 -82 418 11 -25 475 21 5 505 31 25 525

2 -80 420 12 -20 480 22 5 505 32 36 536

3 -50 450 13 -20 480 23 12 512 33 37 537

4 -38 462 14 -17 483 24 16 516 34 38 538

5 -38 462 15 -14 486 25 16 516 35 42 542

6 -38 462 16 -5 495 26 16 516 36 45 545

7 -35 465 17 -3 497 27 18 518 37 72 572

8 -35 465 18 0 500 28 20 520 38 78 578

9 -35 465 19 0 500 29 23 523 39 78 578

10 -34 466 20 3 503 30 25 525 40 78 578

Таблица 2

Результаты распределения опытных данных и вычисления выборочных значений

C - C отд ном ' мДхч мДхч ni P*i xiPi, мДхч xt - m , мДхч P*t (xi - m*)2 P*t(xi - m )3 Pi(x,-- m )

1 2 3 4 5 6 7 8 9

-82 -71 2 0,050 -4 -71 249 -17559 106

-59 -48 5 0,125 -6 -48 284 -13526 6E+05

-36 -25 8 0,200 -5 -25 123 -3033 8E+04

-13 -2 7 0,175 0 -2 1 -1 2E+00

10 21 9 0,225 5 21 100 2098 4E+04

33 44 5 0,125 5 44 241 10610 5E+05

55 67 4 0,100 7 67 447 29872 2E+06

78 - - - - - - - -

Для вычисления статистических начальных и центральных моментов использовались середины интервалов разбиения случайной величины хг. Относительная частота вычислялась по выражению pi = пг / п, где п - количество опытов; пг - количество значений случайной величины, попадающих в интервал.

Другие статистические характеристики выборки рассчитывались по приближенным формулам [5]:

статистическое среднее -

т= М* [ X ] = £ хр ;

г=1

статистическая дисперсия -

к

D* = Д*[X] = £ & - ж" )2 р* ;

г=1

статистическое среднеквадратичное отклонение -

ст*=\ДГ ;

коэффициент асимметрии -

*

* Н-3 1 п / * \ з

У1 =~3т = —Е (х - ж) ;

5х П Sx г =1

коэффициент эксцесса -

*

* Н"4 1 п / * ч4

у 2 =^т = — Е(х - ж ) - 3 .

5х тх г=1

Дисперсии этих величин -

ö(Ti) =

6 (n-1) (n+1)(n + 3)

D(y2) =

24 n (n - 2)(n - 3)

(п + 1)2(п + 3)(п + 5) где п = 40 - объем выборки.

В результате вычисления формул получаем: ж* = -2мАхч ;D* = 1444 ;ст* = 38мАхч ;

у* = -0,54 ; у2 = -0,81; D(у*) = 0,13; D(y2) = 0,41. Поскольку |у* | = |- 0,54 | < 3 а/ду*) = 1,09,

|у2| = | -0,81 < 5^Д(у2) = 3,22

и неравенства соблюдаются, то наблюдаемое распределение соответствует нормальному закону.

Критерии Пирсона для оценки согласованности теоретического и статистического распределений вычислялись по формулам:

х2 = Е; г=к -,, i=l т

где 5 - число наложенных связей (для нормального закона распределения 5 = 3); п - статистическая частота; рг - теоретическая вероятность нормального закона распределения с параметрами:

ж = -2 мА х ч ; Д = 1444;

ст = 38мАхч ; х2 = 3,11; г = 4.

Теоретические вероятности попадания в разряды вычислялись по формуле

Рг(хг ^ х^ хг+\) =1

Ф

х,м - m

рСТ'

■S

-(Ф

х -m

рСТ'

■S

где <5 - 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

Границы интервалов n xi - m рст^ Ф nPi (ni - nPi )2 nPi nFn ( х ) nF (х) n [Fn (x)- F (x)]

1 2 3 4 5 6 7 8 9

-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 r и X с помощью специальной таблицы определялись вероятности того, что величина, имеющая распределение X с r степенями свободы, превзойдет данное значение х2. 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 r = 4 находилось значение х2 50 = 3,36. Так как вычисленное значение

X2 = 3,11 < %2 50 = 3,36 , т. е. 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 nFn (x) и предполагаемая теоретическая функция распределения nF(x), определялся максимум D модуля разности между ними, вычислялась X = D-Jn и по специальной таблице находилась вероятность p(X). Это вероятность того, что за счет чисто случайных причин максимальное расхождение между nFn (x) и nF (x) будет не меньше, чем фактически наблюденное. Если вероятность p(X) весьма мала, на практике уровень значимости принимается равным 0,2 ^ 0,3. При X > X 0 3 гипотеза считается сомнительной, при X<X03 гипотезу можно считать совместимой с опытными данными.

В столбце 7 табл. 3 приведены значения статистической функции nFn (x) распределения, в столбце 8 -значения теоретической функции nF(x) распределения, соответствующая разность между ними отображена в столбце 9. Из данных таблицы следует

nD = max n |Fn (x) - F(x)| = 3,9 ,

x = nD = 0,61. 4n

По специальной таблице для уровня значимости q = 0,3 , X0,3 = 0,97 . Так как X = 0,61 <X0,3 = 0,97, то

критерий Колмогорова позволяет считать рассматриваемое распределение соответствующим нормальному закону.

Анализ полученных результатов проводился по методике, описанной в работе [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 е^ 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 Е = ± 0,09 ч. Согласно [7], предел погрешности результата получается суммированием абсолютных значений пределов погрешности отдельных измеренных значений:

еполн =± { Iе¿разр + ККазр} = ±13мАХ^

где е 1 = + 0,75 мА - погрешность измерения тока разряда; /разр = 5ч; еí = + 0,09 ч; /разр = 100 мА, что составляет - +2,6 % от Сном = 500 мА х ч .

Для найденного закона распределения математическое ожидание практически совпадает с Сном = 500 мАхч, так как центрированное математическое ожидание (с центром, равным Сном) т и 0 . Интервал значений случайной величины +3ст, соответствующий доверительной вероятности 99 %, попадает в диапазон + 0,23 Сном . Полный диапазон с учетом погрешности измерения равен +0,25 Сном, что соответствует рабочему состоянию аккумулятора в процессе наработки (нижней границей рабочего состояния является С^ = 0,6 СШм).

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], показали, что применение данного способа для аккумуляторов с неопределенной степенью заряженности обеспечивает стабильный заряд аккумуляторов без предварительного разряда до полного текущего значения их емкости.

Таким образом, доказаны:

1) эффективность использования способа ускоренного заряда асимметричным током [4] аккумуляторов и батарей с неизвестной степенью заряженно-сти;

2) высокая 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].

Литература

1. Сметанкин Г.П., Матекин С.С., Бурдюгов А.С. Имитационная модель поры металлокерами-ческого оксиднони-келевого электрода // Электрохимическая энергетика. 2009. Т. 9, № 1. С. 40 - 43.

Поступила в редакцию

2. Сметанкин Г.П. Способы и автоматизированные средства ускоренного заряда герметичных щелочных аккумуляторов : дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2002. 162 с.

3. Бурдюгов А.С. Способы автоматизированного ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей : дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2005. 168 с.

4. Патент РФ №2207665 Способ автоматического ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторной батареи асимметричным током. 27. 10. 2003 г. Бюл. № 30.

5. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М., 1978. 319 с.

6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., 1962. 564 с.

7. Измерения в промышленности : справочник. Кн. 1. / под ред. П. Профоса. М., 1990. 491 с.

2 июля 2012 г.

Сметанкин Георгий Павлович - канд. техн. наук, доцент, зав. отделом, Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения. Тел. (8635) 23-42-71; факс: (8635) 23-40-83. E-mail: nvo_@mail.ru

Бурдюгов Александр Сергеевич - канд. техн. наук, зам. зав. отделом, Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения. Тел. (8635) 23-42-71; факс: (8635) 23-40-83; e-mail: a.burdugov@mail.ru

Плохова Татьяна Владиславовна - науч. сотр., Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения. Тел. (8635) 23-42-71; факс: (8635) 23-40-83. E-mail: ploxova65 @mail.ru

Сербиновский Михаил Юрьевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Летательные аппараты», Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге. E-mail: serbinovskij_mj@tgn.em-alliance.com

Smetankin Georgy Pavlovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Chief of the Department, All-Russian Scientific Research and Design Institute for Electric Locomotives Building. Ph. (8635) 23-42-71; fax: (8635) 23-40-83. E-mail: nvo_@mail.ru

Burdiugov Alexander Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, Deputy Chief of the Department. All-Russian Scientific Research and Design Institute for Electric Locomotives Building. Ph. (8635) 23-42-71; fax: (8635) 23-40-83. E-mail: a.burdugov@mail.ru

Plokhova Tatiana Vladislavovna, Research Engineer. All-Russian Scientific Research and Design Institute for Electric Locomotives Building. Ph. (8635) 23-42-71; fax: (8635) 23-40-83. E-mail: ploxova65@mail.ru

Serbinovsky Mikhail Yurievich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Aircraft», Taganrog Technological Institute of Southern Federal University. E-mail: serbinovskij_mj@tgn.em-alliance.com