CC BY
83
УДК 629.42:621.355
БАЛАГУРА А.С., ассистент (Донецкий институт железнодорожного транспорта), КОЧЕВ А.В., ассистент (Донецкий институт железнодорожного транспорта), ГОНЧАРОВА Д.С. ассистент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Анализ методов восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов после потери емкости в процессе эксплуатации
Balagura A.S., Assistant (DRTI), Kochev A.V., Assistan (DRTI), Goncharova D.S., Assistan (DRTI)
Analysis methods of recovery of nickel-cadmium batteries after a loss in capacity during operation
Введение
Аккумуляторная батарея (АБ) на электровозах применяется для питания цепей управления и освещения при неработающих генераторах управления или стабилизирующее-зарядных агрегатах. На электрическом подвижном составе широко используют щелочные АБ, обладающие высокой механической прочностью, выдерживающие токи большой силы, короткие разряды, тряску. При эксплуатации щелочных аккумуляторных батарей тягового подвижного состава аккумуляторы теряют свою емкость[1]. Основными причинами сокращения срока службы аккумуляторов являются продолжительные режимы заряда, глубокая разрядка и большие токи заряда из-за неисправности регулятора напряжения, неудовлетворительное техническое
обслуживание. Следовательно, наиболее эффективными мероприятиями для продления срока службы батареи будут:
-эксплуатация в условиях
циклирования с полным зарядом и разрядом;
- хранение в разряженном состоянии и заряд АБ перед началом эксплуатации;
- повышение качества технического обслуживания.
При выполнении этих условий потери емкости будут сведены к минимуму. Наработка на отказ аккумуляторных батарей ограничивается, как правило, положительным электродом. Батареи выходят из строя, несмотря на то, что их отрицательный электрод и механическая часть находиться в удовлетворительном состоянии. Следовательно, срок службы аккумуляторов зависит от срока службы оксидно-никелевого электрода [1].
Постановка задачи
Задачей работы является изучение факторов, влияющих на качественные показатели формирования и
восстановления емкости. Поиск
оптимальных способов формирования и восстановление емкости.
Цель работы
Исследование способов и устройств, позволяющих ускорить формирование и восстановление емкости щелочных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей электровозов.
Основной материал
В настоящий период времени издано большое количество работ,
рассматривающих способы ускоренного формирования и восстановления емкости аккумуляторных батарей. Но в данный период времени применяется постоянный ток для формирования технологических процессов и восстановления емкости щелочных батарей. Обзор литературы привел к выводам, что при постановке задачи разработки перспективных способов формирования и восстановления емкости необходим комплексный подход. Следует рассматривать вопросы нарастания электромеханических процессов
формирования и восстановления емкости во взаимосвязи с задачами технической реализации режимов и факторами, отрицательно влияющими на качественные показатели АБ. Трудностью внедрения ассиметричного тока является,
недостаточно изученная теория
нестационарного электролиза, и сложность устройств, реализующих переменно-токовые режимы. С появлением однокристальных микропроцессоров, с внутренней памятью программ и данных, оснащенных таймерами, силовой элементной базой с необходимыми параметрами стало возможным создание более прогрессивных устройств ускоренного заряда. На основе однокристальных микропроцессоров и современной элементной базе стало возможно создавать экономичные и приемлемые по цене, зарядные устройства. Поэтому вопрос изучения закономерности поведения никель-кадмиевых
аккумуляторных батарей при ускоренном заряде асимметричным током, становится более актуальным. Ответ на этот вопрос позволит решить задачу сокращения энергетических и временных затрат при обслуживании аккумуляторов. В настоящий период времени издано большое количество работ, в которых разработаны способы ускоренного формирования и восстановления емкости щелочных аккумуляторов и устройств.
В работе [1] автор исследовал оптимальные режимы формирования никель-кадмиевых аккумуляторных
батарей ассиметричным током
промышленной частоты. Наиболее оптимальным как по скорости формирования, так и распределению тока оказался режим, при котором величина импульса составляла 40% от прямого импульса. Увеличение обратного импульса до 60% улучшило распределение тока, но при этом наблюдалось падение емкости. Улучшение процессов формирования емкости ассиметричным током в работе [1] было получено за счет увеличения плотности тока в сравнении с принятыми нормативными требованиями для формирования емкости постоянным током, и сокращения длительности зарядом при каждом цикле формирования емкости. Количество циклов при использовании ассиметричного тока осталось неизменным таким же, как и при формировании постоянным током.
Большой интерес представляет влияние длительности обратного импульса на распределение тока по толщине электрода в твердой фазе и макрокинетику в пористом электроде, и влияние на процессы коррозии никелевой основы. Особое внимание в работе [1] было уделено вопросам коррозии.
В работе [2] для ускоренного формирования асимметричным током автор предлагает использовать форму тока с относительно коротким анодным импульсом большой амплитуды и с продолжительным малой амплитуды катодным импульсом. Соотношение амплитуд анодного и катодного импульсов от номинальной емкости составляет 27^28, а амплитуда анодного импульса - 8,4^8,6 [1]. Способы формирования и восстановления емкости никель-кадмиевых АБ, предлагаемые в работе [2], позволяют сократить время этих технологических процессов. Но предлагаемая автором методика приводит к перегреву аккумуляторов. Для аккумуляторных батарей большой емкости амплитуда анодного тока приобретает высокие величины, что делает применение такого
способа экономически не выгодным, а для некоторых типов АБ невозможным.
Для ускорения процесса
формирования емкости постоянный ток имеет ограниченные возможности. Связано это с самим электродом, применяемым в аккумуляторах. Электрод щелочного аккумулятора имеет пористую систему определенной толщины. В пористых электродах имеется градиент тока и потенциала по глубине электрода при заряде или разряде. Неравномерное распределение заряда по глубине электрода происходит из-за увеличения тока, благодаря чему поверхность быстро заряжается до величины потенциала газовыделения, появившиеся пузырьки газа частично или полностью перекрывают поры, вследствие чего снижается протекание тока по электролиту в глубину электрода.
Увеличение электрического тока при ускоренном заряде приводит к неравномерному распределению заряда по глубине электрода [3], из-за чего поверхность быстро заряжается, образующиеся пузырьки газа частично или полностью перекрывают устья пор, что ухудшает сопротивление протеканию тока по электролиту в глубину электрода.
Вместе с этим зарядная реакция концентрируется на поверхности электрода, а скорость заряда электрода в значительной степени определяется градиентом потенциала в глубину электрода за счет протекания токов диффузии. В начале процесса заряда градиент потенциала имеет максимальную величину, с ростом заряженности глубины электрода происходит постепенное выравнивание потенциала по толщине электрода, величина градиента
уменьшается, и токи диффузии падают. Согласно такому процессу процент зарядного тока, расходуемого на газовыделения, возрастает [5].
При заряде метало-керамических оксидно-никельевых электродов
электрический ток неравномерно
распределяется по глубине пористого электрода[1].
Анализ уровня развития техники зарядных зарубежных и отечественных устройств по публикациям, не имеет больших отличий. Исследуемые способы заряда, сводившиеся к сокращению времени заряда, которые показали весьма не плохие результаты для традиционных, широко применяемых систем Pb/PbO2 и Cd/NiOOH.
Поиск более прогрессивных способов зарядов и формирования емкости аккумуляторов не отставал от развития элементной базы силовой электроники. В группе управляемых силовых приборов, помимо тиристоров и симисторов, появились более мощные полевые транзисторы и транзисторы IGBT. Эти приборы используются в преобразователях с КПД 90% и более.
Устройства для заряда
аккумуляторов, созданные по принципу высокочастотных преобразователей, имеют небольшие габариты и вес. Это дает возможность снизить финансовые затраты на создание устройств. С широким использованием IGBT приборов и созданием на их основе большого перечня инверторов тока и высокочастотных преобразователей, имеющих коэффициент полезного действия около 90%, есть возможность отказаться от
преобразователей, выполненных на приборах с фазным управлением и перейти к более чувствительному регулированию зарядных токов. Уменьшить потери в контактах, повысить надежность контактных соединений и увеличить срок службы батарей возможно при снижении амплитудных значений в сохранении среднего тока заряда.
Применение асимметричного тока позволит увеличить электрохимические процессы в аккумуляторной батарее, особенно процессы формирования и восстановления емкости. Рост средней плотности ассиметричного тока
ограничивается несколькими факторами. Основным факторами являются:
- возникновение коррозии никелевой основы метало-керамических оксидно-никелевых электродов;
- экономические и технологические факторы, связанные с удорожанием и усложнение зарядных устройств;
- конструктивные особенности аккумуляторных батарей, ограничивающие амплитуду заряд-разряд импульсов.
При разработке мероприятий формирования емкости необходимо учитывать вышеперечисленные факторы.
Степень окисленности разряженных анодных масс также возрастает с первого цикла до десятого цикла. В дальнейшем степень окисленности разряженных анодных масс остается практически неизменной. [5]
Образованию коррозии никелевой основы пористой матрицы способствует повышение плотности тока, температуры, поэтому нельзя допускать значительного нагрева аккумуляторов. Коррозия никелевой металлокерамической основы снижает емкость оксидно-никелевого электрода, теряется прочность в процессе циклирования и приводит к не удерживанию в порах активной массы. Этим вызывает вымывание активной массы во время газовыделения. Уменьшение степени заряжаемости электрода обуславливается тем, что в процессе эксплуатации с оксидно-никелевым электродом происходит карбонизация токопроводящей добавки графита.
Принцип восстановления емкости аккумуляторов аналогичен принципу формирования емкости никель-кадмиевых аккумуляторов после изготовления. Неформированные пластины имеют неактивные формы гидроксидов, процесс восстановления которых
неудовлетворительный, из-за низкой проводимости гидроксидов для катодных процессов. При циклировании у высших гидроксидов в кристаллической структуре повышается содержание активного кислорода [6], что способствует повышению проводимости активной массы. В разряженной активной массе остается
значительное количество гидроксидов №ООН, обладающих более высокой проводимостью, чем №(ОН)2. Именно этим авторы объясняют улучшение
проводимости разряженной активной массы. При неглубоком циклировании с электродами происходят изменения, ухудшающие проводимость гидроксидов для катодных процессов. Снижение проводимости объясняется саморазрядом гидроксидов №ООН в той части активной массы, которая в течение
продолжительного времени не
подвергалась циклированию. При изготовлении электродов добавляют графит, для повышения проводимости структуры активной массы электродов. При этом предполагается, что гидроксид №ООН имеет то же назначение, что и графит [4].
Неглубокое циклирование никель-кадмиевых батарей так же объясняется изменением проводимости по твердой фазе за счет введения катиона К+ в кристаллическую решетку №ООН. Для восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторных батарей необходимо использовать ассиметричный ток.
Для формирования и восстановления емкости аккумуляторов наилучшей является форма ассиметричного тока с коротким и длинным зарядным импульсом, который намного превышет по амплитуде зарядный импульс, разрядным импульсом. Эту форму ассиметричного тока рекомендуют авторы [7,8] для способов ускоренного заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, обеспечивающую равномерное распределение тока по толщине электрода. Что позволит увеличить длительность заряда для каждого цикла формирования ассиметричным током, по сравнению с технологическим режимом формирования постоянным током.
Выводы
Анализ литературы показал потребность создания новых устройств ускоренного формирования и
восстановления емкости. Использование асимметричного тока для цепей формирования и восстановления емкости известно давно, но широкого распространения данное мероприятие не получило, из-за недостаточно изученной теории пористых электродов и технической сложности реализации ассиметричного тока при разработке зарядных устройств.
Вопреки очевидному преимуществу асимметричного тока, в данный момент в технологических процессах формирования восстановления емкости никель-кадмиевых батарей используют постоянный ток. Из-за сложных процессов, протекающих в пористом электроде при нестационарном электролизе внедрение способов формирования и восстановления емкости, использующих асимметричный ток, требует проведения продолжительных исследований.
Список литературы:
1. Матекин С.С. Формирование и восстановление емкости никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей: дис ... канд. техн. наук: 05.17.03 / С.С. Матекин; Южно-росс. гос. техн. ун-т (ЮРГПУ). - Н., 2007. -с.48-52.
2. Новикова А.Ф. Применение переменного тока в производстве и эксплуатации химических источников тока: дис. канд. хим. наук / Новикова Алла Федоровна. - Новочеркасск: НПИ, 1988.-174с.
3. Сушко В.Г. Применение асимметричного тока в производстве и эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов : дис. .канд. Тех. наук: / Сушко Виктор Григорьевич.- Новочеркасск : НПИ, 1984. -170 с.
4. Багоцкий, В.С. Основы электрохимии / В.С. Багоцкий.- М.: Химия, 1988.- 400 с.
5. Вешева Л.В. Исследование причин, вызывающих безвозратную потерю емкости окисно-никелевого электрода/ Л.В. Вешева, И.Б. Щербаков, О.И. Бондаренко // Сборник работ НИАИ. Аккумуляторы, М.:ЦИНТИ, 1961. - с.10-30.
6. Розенблюм, Е.Н. Фазовый анализ положительного безламельного электрода / Е.Н. Розенблюм // Сборник работ НИАИ. Аккумуляторы, Москва ЦИНТИ, 1961.- с. 150-157.
7. Сметанкин Г.П. Способы и автоматизированные средства ускоренного заряда герметичных щелочных аккумуляторов: дис. . канд. техн. наук / Г.П. Сметанкин - Новочеркасск: НПИ, -2002. - 162 с.
8. Бурдюгов А.С. Способы автоматизированного ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей: дис. .канд. техн. наук / А.С. Бурдюгов - Новочеркасск: НПИ, - 2005. - 168 с.
Аннотации:
Изучены причины потери емкости аккумуляторных батарей в процессе эксплуатации тягового подвижного состава. Рассмотренные факторы позволят создать комплекс мероприятий по продлению срока службы аккумуляторов
Ключевые слова: потеря емкости, длительный подзаряд, циклирование; электрод, гидроксид.
Examine the reasons for the loss of capacity of the battery in the operation of the traction rolling stock. The above factors will create a set of measures to extend battery life.
Key words: loss of capacity, long recharging, cycling; electrode, hydroxide.
