CC BY
41
УДК 621.355.2 DOI 10.24411/2078-1318-2018-14296
Канд. техн. наук В.В. КОЛОСОВСКИЙ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, professor-elfak@rambler.ru)
ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА КАК ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
В системах электропитания электротехнических устройств, в том числе и автономных, широко используются химические источники тока (ХИТ). Работоспособность этих устройств во многом зависит от условий работы и состояния ХИТ.
В настоящее время промышленность выпускает аккумуляторы различных электрохимических систем, необходимость широкого применения которых, как резервных и автономных источников электрической энергии, вызвана бурным развитием современных технических устройств, где химические источники тока являются часто единственным источником электроэнергии.
Процессы, происходящие в ХИТ, подчиняются и описываются законами химии и электрохимии, с другой стороны, внешнее поведение ХИТ как элемента электрической цепи описывается и подчиняется законам физики и электротехники. Процессы, происходящие внутри ХИТ, имеют нелинейный характер (поляризация, скачки потенциалов на границе сред и др.), а процессы, происходящие вне ХИТ, - линейный характер и подчиняются известным законам Ома, Джоуля—Ленца и др. Это является основной причиной отсутствия общего математического описания ХИТ как электротехнического устройства.
Цель исследования - описание системами уравнений внешнего поведения ХИТ как элемента электрической цепи и получение новых научных результатов, имеющих практическое значение.
Область исследования разрядных процессов, протекающих в ХИТ не столь обширна, и имеемые в различных источниках уравнения разряда ХИТ не в полной мере удовлетворяют тем или иным требованиям, определяющим практическую и теоретическую ценность уравнения разрядной кривой. К подобным требованиям следует отнести:
1) определение любой точки разрядной кривой в пределах применяемых напряжений с достаточной точностью;
2) пригодность для любых нагрузок;
3) удовлетворение граничным условиям;
4) пригодность для любых температур и сроков хранения ХИТ, встречающихся на практике;
5) независимость постоянных коэффициентов от температуры, нагрузки и времени действия саморазряда;
6) простоту измерения параметров ХИТ, несущих информацию о его текущем состоянии;
7) пригодность для различных способов разряда (R = const, I = const, прерывистые разряды, сложные разряды);
8) пригодность для различных электрохимических систем и типов ХИТ.
Выполнение требований последних двух пунктов не обязательно, но весьма
желательно.
Материалы, методы и объекты исследования. Полученное [1-5] уравнение разряда ХИТ удовлетворяет почти всем перечисленным требованиям и поэтому названо общим уравнением разряда. Данное уравнение имеет четыре разновидности, показанные в таблице, соответствущие четырем группам, на которые могут быть разделены все из вестные ХИТ. В этих уравнениях Ut и Uo - текущее и начальное значения напряжения; R -сопротивление нагрузки; Ра - показатель степени, зависящий от относительной нагрузки р = R/rк и постоянных сю, сц, ci2, Ра = а0 [1 + а1 (1 — €Р& ~
показатель степени для второго вычитаемого, Р^ — Ь0 [1 -+- (1 — е где ¿о, ¿7
и Ь2 - постоянные.
На рис. 1 показана зависимость Ра и РЬ от относительной нагрузки.
Как правило, Ра<1, а РЬ>1. Коэффициенты Кс и К'с представляют собой начальные относительные напряжения полуэлементов (НОНП), тоже зависящие от отношения р.
Таблица. Группы ХИТ и соответствующие им разновидности общего уравнения разряда
и коэффициенты НОНП
Группа ХИТ Уравнение разрядной кривой Коэффициент НОНП
I —
II
III
IV
Как видно таблицы, первые две разновидности уравнения отличаются перестановкой коэффициентов Кс
P'a
R/Гк
2
2-С1 1
1-С1 С1
0
С1-1 -1
Кс —►
R/гк
Кс
Рис. 1. Зависимость показателей Pa и Pb от Рис. 2. Зависимость коэффициентов НОНП от относительного нагрузочного сопротивления относительного нагрузочного сопротивления .....- для отрицательного а1
Группа III отличается от группы I коэффициентом НОНП, который здесь может принимать отрицательные значения при жестких нагрузках (под термином «жесткая нагрузка» подразумевается нагрузка, при которой у аккумуляторов Uo<0,95E, а у сухих элементов Uo<0,9E. Под термином «мягкая нагрузка» подразумевается нагрузка, при которой Uo>0,98E), вследствие чего второй член уравнения может изменить знак (рис. 2). К этой группе относятся такие ХИТ, у которых напряжение разряда может сначала
подниматься, а затем падать (например, марганцевой или окисно-ртутных систем), как показано на рис. 3. Для группы IV ХИТ характеристическое время одного полуэлемента существенно меньше второго Та « Т^, что приводит к появлению «площадки» на разрядной кривой (например, у серебряно-цинковой системы). При К'с = 0 второй член равен нулю, а при жестких разрядах он становится отрицательным, как для группы III.
Весьма существенно, что одним из главных параметров уравнения разряда является полное внутреннее сопротивление при коротком замыкании Гк источника тока. Оно должно определяться незадолго до начала разряда при температуре предполагаемого разряда, так как Гк является главным носителем информации о текущем состоянии ХИТ.
Рис. 3. Разрядные кривые ХИТ группы III. Л" . становится отрицательным при сильных токах
и
Uo
и
Uo
а)
б)
Рис. 4. Разрядная кривая при скачкообразно изменяющемся нагрузочном сопротивлении (а);
то же в приведенном масштабе (б)
Сопротивление гк может определяться из выражения 7*к = Е/1К или вычисляться косвенным путем более точно.
Из общего уравнения разряда вытекают следующие положения:
1) относительность нагрузки; 2) постоянство относительной длительности полного разряда; 3) возможность вычисления эквивалентных сопротивлений токов.
1. Емкость, отдаваемая ХИТ, определяется не нагрузочным сопротивлением R (или током нагрузки /), а относительной нагрузкой R rK (или близким к ней отношением /к// при R » Г).
o
0
2. Напряжение разряда npni? = const достигает нуля при t/R = Т0/гк. Обозначив время полного разряда при постоянном нагрузочном сопротивлении через Tr, можем написать:
= ' = = шшш ': / -
где Ri, R2, ... — разные нагрузочные сопротивления; Tri, Tr2, ...— соответствующие им времена полного разряда.
3. При сложных или прерывистых разрядах сумма отрезков времени с неизменной нагрузкой в относительном масштабе равна Tq /7*к (рис.4), т. е.
у i = h
Lr тн
Результаты исследования. Из рассмотренных зависимостей для определения емкости отдаваемой ХИТ, напряжения разряда при простых сложных или прерывистых разрядах, получено эквивалентное сопротивление для сложных нагрузок:
St
*эк Ж/ну
а после некоторых преобразований и эквивалентный ток:
E
Uo
0
Рис. 5. Прерывистый цикличный разряд: tp - время включения нашрузки; Ш - время паузы
В частности, для простой цикличной нагрузки, когда в течение циклов продолжительностью ^ включается нагрузка на время разряда (рис. 5), получаем простые формулы:
где КЛр = tjj/tp — коэффициент прерывистости.
t
Выводы. Классификация ХИТ по четырем группам по виду общего уравнения разряда и другие положения позволяют описать системами уравнений внешнее поведение ХИТ как элемента электрической цепи и получить новые научные результаты, имеющие практическое значение.
Литература
1. Патент 2138886 RUS. Способ определения саморазряда свинцового аккумулятора: М.Д. Маслаков, В.В. Колосовский. Опубл. 20.07.1998.
2. Skachkov Yu.V., Kolosovskij V.V., Belousov O.A. Ways of fuel cells voltage improvement //Электротехника. - 2003. - № 8. - С. 46-50.
3. Колосовский В.В., Жуланов В.П., Галкин С.В. и др. Определение саморазряда свинцово-кислотных аккумуляторов косвенным методом// Морской вестник. - 2008. - № 2. - С. 65.
4. Зейнетдинов Р.А., Шапкин Д.В. Перспективы развития парогазовых установок // VIII Международная студенческая электронная научная конференция (электронное издание). -М., 2016. - С. 125-127.
5. Skachkov Yu.V., Kolosovskii V.V., Belousov O.A. Increasing fuel - cell voltage. // Russian Electrical Engineering. -2003. - Т. № 8. -С. 55-58.
Literatura
1. Patent 2138886 RUS. Sposob opredeleniya samorazryada svincovogo akkumulyatora: M.D. Maslakov, V.V. Kolosovskij. Opubl. 20.07.1998.
2. Skachkov Yu.V., Kolosovskij V.V., Belousov O.A. Ways of fuel cells voltage improvement //EHlektrotekhnika. - 2003. - № 8. - S. 46-50.
3. Kolosovskij V.V., ZHulanov V.P., Galkin S.V. i dr. Opredelenie samorazryada svincovo-kislotnyh akkumulyatorov kosvennym metodom// Morskoj vestnik. - 2008. - № 2. - S. 65.
4. Zejnetdinov R.A., SHapkin D.V. Perspektivy razvitiya parogazovyh ustanovok // VIII Mezhdunarodnaya studencheskaya ehlektronnaya nauchnaya konferenciya (ehlektronnoe izdanie). -M., 2016. - S. 125-127.
5. Skachkov Yu.V., Kolosovskii V.V., Belousov O.A. Increasing fuel - cell voltage. // Russian Electrical Engineering. -2003. - T. № 8. -S. 55-58.
