Управление процессом зарядки аккумуляторной батареи и его завершением

Данное изобретение относится к зарядным устройствам и касается, в частности, способа и устройства для управления процессом зарядки аккумуляторной батареи и для завершения процесса зарядки.Известно несколько способов зарядки аккумуляторной батареи и несколько способов определения того момента, когда необходимо завершить процесс зарядки. Недостатком всех этих способов является одна и та же проблема излишней зарядки батареи. Если аккумуляторная батарея излишне заряжается, то это вызывает появление кислорода на положительном электроде. Этот кислород затем поглощается отртщательным электродом и батарея нагревается. Риск повреждения аккумуляторной батареи из-за чрезмерной зарядки являются обычнЫМ для большинства способов зарядки. Изготовители аккумуляторных батарей с учетом этого разрабатывают батареи с дополнительным объемом материала отрицательного электрода. Однако чрезмерная зарядка необратимо расходует отрицательный электрод и, как только дополнительный материал использован, будущая чрезмерная зарядка уменьшает объем отрицательного электрода, доступный для хранения заряда, и емкость батареи уменьшается.Хорошим подтверждением излишней зарядки, особенно при зарядке с использованием постоянного тока, является уменьшение напряжения батареи. Это уменьшение напряжения батареи часто обозначается как мштус дельта У. Один из способов определения состояния зарядки батареи состоит в том, чтобы обнаруживать ПОЯВЛСНИС МИНУС ДСЛЬТЗ У И завершать ПрИ ЭТОМ процесс зарядки. Однако этот способ сокращает срок службы батареи, потому что минус дельта У появляется, когда излишек кислорода создается положительным электродом и поглощается отргщательным электродом. Как следствие, этот способ допускает повышение температуры батареи, а также создание давления внутри батареи.Другой способ определения момента завершения процесса зарядки используется, если батарея заряжается пропусканием через нее импульсов тока и разрядные импульсы подаются после каждого зарядного импульса. При этом способе процесс зарядки завершается в ответ на средний разрядный ток в течение разрядного импульса или в ответ на отношение энергии,удаленной разрядным импульсом, по сравнению с энергией, подаваемой на батарею в течение предшествующего зарядного импульса. Однако не имеется тесной связи между значением разрядного напряжения и состоянием заряда батареи.Еще один способ завершения процесса зарядки предусматривает снятие отсчетов напряжения на клеммах батареи в промежутке между ЗЗРЯДНЬТМИ импульсами ЧСрСЗ ОПРСДСЛСННОС время после начала зарядки.Еще один способ предусматривает измерение напряжения батареи, когда подается зарядный ток, и измерение напряжения батареи во время подачи разрядного тока. Два измеренных значения напряжения сравниваются и процесс зарядки завершается, если имеется заданная разность между этими напряжениями. Однако заданная разность должна быть выбрана в зависимости от типа заряжаемой батареи и ее емкости. Кроме того, этот способ не предотвращает генерации кислорода, совпадающей с чрезмерным зарядом, так как не позволяет точно определять состояние заряда батареи. Причиной является то, что если батарея заряжается с большой скоростью и если имеется длинный разрядный импульс, то никель-Кадмиевая (мед) или никель-металлгидридная (ММН) батарея будет нагреваться и амплитуда зарядного напряжения будет изменяться из-за изменения температуры батареи. Таким образом, этот способ недостаточно точен для зарядки больших батарей с вЬтСОКОЙ СКОРОСТЬЮ, ПОТОМУ ЧТО НСЗНЗЧИТСЛЬНЭЯ погрешность в определении состояния батареи может привести к повреждению батареи. Еще более усложняет проблему то, что характеристики батареи изменяются в течение цикла зарядки и различаются у разных экземпляров батарей.Другой способ управления циклом зарядки использует считывание "напряжения без сопротивления". Напряжение на клеммах батареи без нагрузки ("напряжение без сопротивления") измеряется после окончания зарядного импульса. Это напряжение сравнивается с опорным напряжением, чтобы определить зарядный ток. Опорное напряжение может зависеть, например,от температуры окружающей среды, внутренней температуры, внутреннего давления, зарядного тока ИЛИ ИЗМСНСНИЯ ВСЛИЧИНЬТ зарядного ТОКИ. Однако измерение напряжения без сопротивления должно производится, когда все элементы в батарее находятся в состоянии равновесия. Если состояние равновесия не было достигнуто, то результаты измерения напряжения в разомкнутой цепи Могут различаться в зависимости от времени, прошедшего после окончания предыдущего зарядного импульса. Время равновесия зависит от зарядного тока и возможности массообмена в батарее. Кроме того, точность измерения напряжения без сопротивления будет зависеть от концентрации электролита в батарее и от срока изготовления батареи. Концентрация электролита будет изменяться из-за пористой структуры поверхности пластин, поэтому измерение напряжения в разомкнутой цепи через несколько миллисекунд после окончания зарядНОГО импульса не бУДСТ давать ТОЧНЪТХ результатов. Таким образом, батарея может перегреться или разрушиться. Далее, имеются различия между батареями, различия между типами батарей и различия в одной батарее, которые возникают во время цшла заряда. Поэтому выбор надле Жащего опорного напряжения может быть трудным или требовать много времени.Любой способ, позволяющий быстро заряжать батарею, должен учитывать постоянно изменяющиеся параметры батареи, такие как внутреннее сопротивление, сопротивление поляризации, условия массопереноса и температуру. Система быстрой зарядки обычно использует спадающий ток, чтобы избежать излишнего заряда и избежать появления газа. В патенте США Мг 5307000 описывается использование нескольких разрядных импульсов между зарядными импульсами, что обеспечивает быструю зарядку батареи с высокими токами зарядных импульсов в течение более длительного периода времени без критических напряжений на элементах и без выделения тепла. Без множества деполяризующих импульсов напряжение батареи будет повышаться очень быстро из-за бЬ 1 стро увеличивающейся концентрации электролита вокруг электродов, особенно в конце зарядного импульса.Процесс быстрой зарядки должен быть основан на надежном и точном способе управления зарядкой и ее завершением. Некоторые известные способы зарядки связаны с отключением при заданной температуре или с другими способами, которые не подходят и/или неодинаковы для всех типов батарей и требуют выбора емкости батареи, даже когда заряжаются аккумуляторные батареи одного и того же типа(свшЩово-кислотные, МСф ММН). Другие известные способы зарядки связаны с отключением по напряжению. Однако фиксироваъшьтй ПОрОГ напряжения не ЯВЛЯСТСЯ НЗДСЖНЪ 1 М, ПОТОму что надлежащий порог напряжения изменяется в зависимости от режима батареи, температуры, предыдущей эксплуатации батареи и предыстории зарядки.Из известного уровня техники следует, что предпочтительный способ быстрой зарядки батареи предполагает подачу высокого зарядного тока в батарею, предпочтительно путем прикладывания последовательностей зарядных и деполяризующих импульсов к батарее. Поскольку процесс зарядки становится быстрее и мгновенные зарядные токи возрастают, становится намного труднее определить момент, когда батарея полностью заряжена и когда наступает оптимальное время для завершения или модификации процесса зарядки. Без точной информации о том, что батарея полностью заряжена,время и энергия тратятся впустую из-за излишней зарядки батареи.Однако, как установлено выше, излишняя зарядка вызывает выделение газов, создает нагрев, увеличивает давление внутри батареи и вследствие этого вызывает повреждение батареи или же в батарее потенциально начинается катастрофический тепловой "разгон". Известно,что батарея заряжена, когда зарядный ток стабилизировался или начал увеличиваться послеПОСТСПСННОГО УМСНЬШСНИЯ В ТСЧСНИС зарядки С постоянным напряжет-Шем. Однако этот способ ОСНОВЫВЗСТСЯ на ИЗМСНСНИИ КОНСЧНЫХ характеристик батареи, которые происходят, когда батарея находится близко к режиму теплового разгона. Таким образом, желательно определить, заряжена ли батарея, без ее приближения к переходу в режим теплового разгона.Можно избежать проблем выделения газов, нагрева, теплового разгона и других повреЯЩСШПЙ батареи путем уменьшения зарядных ТОКОВ, УВСЛИЧСНИЯ ВрСМСНИ зарядки ИЛИ завершения процесса быстрой зарядки в более раъшей точке, исходя из некоторых выбранных критериев, например времени процесса зарядки, ампер-часов заряда, введенного в батарею, или температуры батареи. Однако эти способы могут привести к преждевременному завершению процесса зарядки, вследствие чего - к недозарядке батареи, или существенно увеличить время, которое требуется для последующей, например, непрерывной (или дозовой) подзарядки,чтобы довести батарею до полной зарядки. Кроме того, использование времени или амперчасов зарядки в качестве определяющего критерия вызовет катастрофический отказ в случае полностью заряженной или почти полностью заряженной батареи, если для нее применяется процесс быстрой зарядки, потому что батарея не будет способна принять высокие импульсные зарядные токи. В этом случае выделение газов и чрезмерный нагрев батареи начнут происходить ПОЧТИ НСМСДЛСННО.Следовательно, имеется потребность в способе точного определения состояния заряда батареи, особенно в течение процесса быстрой зарядки, чтобы процесс быстрой зарядки мог использоваться как можно дольше, позволяя доводить батарею до состояния полной зарядки или близкого к нему, однако так, чтобы процесс быстрой зарядки завершался до повреждения батареи.Кроме того, в процессе быстрой зарядки в некоторый момент, когда батарея становится фактически заряженной, она может быть неспособна принимать полный ток зарядного импульса. Таким образом, часть зарядного тока, подаваемого в течение зарядного импульса, вызывает выделение газов и нагревание. Однако завершение процесса быстрой зарядки в это время было бы преждевременным, потому что батарея полностью не заряжена и все еще поддается быстрой зарядке, но с более низким зарядным током.Следовательно, имеется потребность в изменении процесса быстрой зарядки по мере того, как батарея становится заряженной, чтобы продолжать быструю зарядку батареи эффективным образом.Настоящее изобретение направлено на точное определение того момента, когда батарея заряжена. Это позволяет как можно дольше ис пользовать процесс быстрой зарядки, таким образом эффективно заряжая батарею, но завершить процесс быстрый зарядки в нужный момент, чтобы предотвратить излишний заряд батареи и таким образом предотвратить напрасные затраты времеъш и энергии и повреждение батареи.В соответствии с настоящим изобретением, чтобы определить, когда батарея заряжена,на батарею подается зарядный импульс и затем,по меньшей мере, два разрядных (деполяризующих) импульса. Напряжение батареи измеряется в определенной точке во время паузы(периода ожидания) после первого деполяризующего импульса и в такой же относительной точке во время паузы после второго деполяризующего импульса. Деполяризующий импульс создается приложением нагрузки к клеммам батареи и имеет обычно значительно меньшую продолжительность по сравнению с зарядным импульсом.Когда зарядный импульс подается на вЬ 1 воды свинцово-кислотной батареи, сульфат свинца в растворе электролита батареи превращается в свинец, окись свинца и ионы электролита. Свинец и окись свинца осаждаются на соответствующих электродах. Ионы электролита формируются на электродах и окружают их. Эти ионы электролита рассеиваются вследствие явления переноса из-за разности в концентрациях ионов вокруг электродов и в растворе.Когда батарея в основном не заряжена,концентрация электролита мала. Поэтому ионы электролита, сформированные вокруг электродов, быстро рассеиваются в растворе. Однако,когда батарея становится в основном заряженной, разность в концентрациях мала и поэтому ионы рассеиваются более медленно. Пока ионы не рассеиваются, сульфат свинца не может перемещаться в окрестностях электродов. Таким образом, ионы формируют барьер вокруг электродов и препятствуют эффективному приему электродами другого зарядного импульса. Далее, имеется меньшее количество раствора, которое может быть преобразовано процессом зарядки. Если это происходит, зарядное напряжение должно увеличиваться, чтобы вынудить батарею принять ту же самую величину зарядного тока. Однако увеличение зарядного напряжения вызывает диссоциацию воды в батарее с образованием газообразного водорода и кислорода. Газообразный кислород быстро повторно поглощается в растворе. Однако газообразный водород поглощается очень медленно, и таким образом в батарее создается внутреннее давление. Если происходит выброс в атмосферу, то газообразный водород теряется, и таким образом батарея теряет воду. Батарея откажет, если это будет происходить много раз. Кроме того,повышенное напряжение, необходимое для зарядки батареи, вызывает нежелательное нагре 000240вание батареи, а чрезмерный нагрев может вызвать выход батареи из строя.Согласно настоящему изобретению, состояние заряда батареи, то есть концентрация электролита в растворе, может быть определено путем измерения напряжения разомкнутой батареи в течение пауз, следующих за разрядными импульсами. Если напряжение холостого хода остается приблизительно неизменным от одной паузы до последующей паузы, то батарея не заряжается излишне, поэтому зарядный ток не требуется изменять. Если напряжение холостого хода уменьшается от одной паузы до последующей паузы, то батарея заряжается излишне или заряжается со скоростью большей, чем допустимо, поэтому должен быть уменьшен заряднЬцЙ ток или завершен процесс зарядки.Таким образом, когда батарея становится заряженной, зарядный ток должен быть уменьшен до уровня, который батарея будет эффекТИВНО принимать.Согласно настоящему изобретению, батарея эффективно принимает заряд и зарядньцй ток не требуется изменять до тех пор, пока результат второго измерения напряжения приблизительно совпадает с результатом первого измерения напряжения.Согласно настоящему изобретению также считается, что батарея в основном заряжена и зарядный ток должен быть уменьшен, когда результат второго измерения напряжения меньше, чем результат первого измерения напряжения на некоторую заданную разность напряжений (Ау).Таким образом, данное изобретение обеспечивает точное определение состояния заряда батареи в процессе быстрой зарядки и управлеъше процессом зарядки или его завершением так, чтобы избежать повреждения батареи.Следовательно, одной из целей настоящего изобретения является создание способа более точного определения состояния заряда аккумуляторной батареи путем сравнения напряжений батареи в различных паузах.Настоящее изобретение предлагает способ зарядки батареи. Этот способ предусматривает приложение зарядного импульса, который обеспечивает средний зарядный ток, приложение первого деполяризующего импульса, выдержку первой паузы, измерение напряжения в заданной точке в первой паузе, приложение второго деполяризующего импульса, выдержку второй паузы, измерение напряжения в заданной точке во второй паузе, определение разности между напряжением в заданной точке в первой паузе и напряжением в заданной точке во второй паузе и изменение среднего зарядного тока в зависимости от величины и полярности этой разности. В одной форме осуществления настоящего изобретения операции подачи зарядного импульса,подачи первого и второго деполяризующих импульсов, выдержки первой и второй пауз и из МСрСНИЯ напряжений В ЗЗДЗННЫХ ТОЧКЗХ В первой и второй паузах повторяются, если разность НЗХОДИТСЯ В УСТ ЗНОВЛСННЫХ пределах.В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения зарядный импульс характеризуется длительностью зарядного импульса, а операция изменения среднего зарядного тока включает изменение длительности зарядного импульса.В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения зарядный импульс характеризуется амплитудой тока зарядного импульса, а операция изменения среднего зарядного тока включает изменение амплитуды тока зарядного импульса.В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения зарядный импульс характеризуется частотой повторения зарядного импульса, а операция изменения среднего зарядного тока включает изменение частоты повторения зарядного импульса.В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения каждый деполяризующий импульс характеризуется амплитудой тока деполяризующего импульса, а способ дополнительно включает изменение амплитуды тока деполяризующего импульса, когда средний зарядный ток изменяется.В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения каждый деполяризующий импульс характеризуется длительностью деполяризующего шипульса, а способ дополнительно включает изменение длительности деполяризующего импульса, когда изменяется средний зарядный ток.В соответствии с еще одной формой осуществления настоящего изобретения за каждым зарядным импульсом следует несколько деполяризующих импульсов, а способ дополнительно включает изменение числа деполяризующих импульсов, когда изменяется средний зарядный ток.Настоящее изобретение предлагает также способ зарядки батареи с помощью процесса импульсной зарядки. Способ включает приложение первого зарядного импульса, приложение первого деполяризующего импульса, выдержку первой паузы, измерение напряжения в заданной точке в первой паузе, приложение второго деполяризующего импульса, выдержку второй паузы, измерение напряжения в заданной точке во второй паузе, определение разности между напряжением в заданной точке в первой паузе и напряжением в заданной точке во второй паузе и завершение процесса импульсной зарядки,если разность превышает заданный порог.Данное изобретение предлагает также способ определения состояния батареи. Способ включает подачу первого зарядного импульса на батарею, подачу первого деполяризующего импульса на батарею, выдержку первой паузы,измерение напряжения батареи в первой задан 000240ной точке в первой паузе, измерение напряжения батареи во второй заданной точке в первой паузе, приложение второго деполяризующего импульса к батарее, выдержку второй паузы,определение разности между напряжением в первой заданной точке и напряжением во второй заданной точке и индикацию того, что вода должна быть добавлена в батарею, если разность превышает заданный порог.Настоящее изобретение предлагает также способ завершения процесса зарядки батареи. Способ включает подачу первого зарядного импульса на батарею, подачу первого деполяризующего импульса на батарею, выдержку первой паузы, измерение напряжения батареи в первой заданной точке в первой паузе, измерение напряжения батареи во второй заданной точке в первой паузе, подачу второго деполяризующего импульса на батарею, выдержку второй паузы, измерение напряжения в первой заданной точке во второй паузе, измерение напряжения батареи во второй заданной точке во второй паузе, определение первой разности между напряжениями в первой и во второй заданных точках в первой паузе, определение второй разности между напряжениями в первой и во второй заданных точках во второй паузе и завершение процесса зарядки, если и первая и вторая разность больше, чем заданный порог.Другие цели, отличительные признаки и прешиущества данного изобретения станут очевидными после прочтения следующего описания предпочтительной формы осуществления изобретения вместе с чертежами и формулой изобретения.на фиг. 2 А-2 В - формы колебаний, поясняющие процесс зарядки батареи и то, как с поМОЩЬЮ сравнения ИЗМСрСННЫХ ЗНЗЧСНИЙ напряжения в различных паузах определяется состояние заряда батареи;на фиг. 3 - блок-схема алгоритма, поясняющая процесс определения состояния заряда батареи;на фиг. 4 - формы сигналов, которые поясняют процесс зарядки батареи и то, как определяется состояние батареи;на фиг. 5 - модификация блок-схемы алгоритма фиг. 3, которая поясняет процесс определения состояния батареи.Обратимся теперь к чертежам. На фиг. 1 показана блок-схема зарядной схемы батареи,используемая в данном изобретении. Схема 10 зарядки и разрядки батареи содержит клавишную панель 12, контроллер 13, дисплей 14, зарядную схему 15, разрядную (деполяризующую) схему 16 и цепь 20 контроля тока. Клавишная панель 12 соединена с входом "К" контроллера 13 и позволяет пользователю ввоДИТЬ ЗЗДЗННЫС параметры, ТЗКИС как ТИП батареи