Патент на изобретение №2368985

(54) СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛОГИДРИДНЫХ БУФЕРНЫХ БАТАРЕЙ НА ЭЛЕКТРОМОБИЛЯХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам питания, которыми могут быть снабжены различные транспортные средства: гибридные электромобили, электромобили с энергоустановками на топливных элементах и др. Согласно изобретению способ эксплуатации никель-металлгидридных буферных батарей заключается в проведении ускоренного заряда, переключении на подзаряд малым током и осуществлении разряда до достижения минимального напряжения, ускоренный заряд током до 20 С проводят до достижения на аккумуляторе или группе аккумуляторов максимального напряжения, рассчитываемого по формуле U_max=U_з-k×(t-t_o)+R×(I_з-I_нз), где U_з – конечное зарядное напряжение аккумулятора (или группы аккумуляторов) при номинальном токе заряда I_нз при температуре t_o=20°С, k – температурный коэффициент напряжения, t – температура аккумулятора, I_з – ток заряда, R – сопротивление аккумулятора (или группы аккумуляторов), что соответствует достижению 85-90% максимальной зарядной емкости; разряд проводят до достижения на аккумуляторе или группе аккумуляторов минимального напряжения

U_min=U_p-k×(t-t_o)-R×(I_p-I_нр), где U_p – конечное разрядное напряжение аккумулятора (или группы аккумуляторов) при номинальном токе разряда I_нр при температуре t_o=20°C; разряд или ускоренный заряд прекращают при достижении максимальной температуры, равной 60-65°С; повторное включение на ускоренный заряд проводят только после израсходования на разряде не менее 10% от номинальной емкости или при хранении более 10 дней. Техническим результатом является высокий ресурс, надежность в эксплуатации и высокая эффективность батареи.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к химическим источникам тока, которыми могут быть снабжены различные транспортные средства: гибридные электромобили, электромобили с энергоустановками на топливных элементах и др.

Известен способ эксплуатации никель-металлогидридных аккумуляторов, заключающийся в быстром заряде током (0,5-1)С с переключением в режим подзаряда током (0,033-0,05)С при достижении одного из параметров:

– времени (90 мин при заряде током 1C);

– максимального напряжения 1,8 В/аккумулятор;

– максимальной температуры (50-60°С в зависимости от температуры аккумулятора);

– падения напряжения на 5-10 мВ/аккумулятор от максимального значения в ходе заряда (-U);

– скорости роста температуры 1-2°С/мин (dT/d)

(См. «Методы заряда для Ni-MH аккумуляторов» на стр.12 и 13 технического руководства фирмы Panasonic «Никель-металлгидридные аккумуляторы». Ноябрь 2000).

Недостатками технического решения указанного аналога являются:

– невозможность эксплуатации аккумуляторов в буферном режиме, когда в процессе заряда ток может изменяться, и зарядные импульсы могут чередоваться с разрядными;

– отсутствие зависимости максимально допустимого напряжения при заряде от температуры аккумулятора и тока;

– ограничения по току заряда (до 1C).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ эксплуатации тяговых батарей электромобиля, взятый за прототип, с использованием гальваностатического заряда до определенного термозависимого напряжения с последующим переходом на потенциостатический заряд (Книга: «Электромобиль: техника и экономика». В.А.Щетина, Ю.Я.Морговский, Б.И.Центер, В.А.Богомазов. Под общ. ред. В.А.Щетины. – Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1987, стр.76-80). Контролируемыми параметрами при заряде являются напряжение, температура и зарядная емкость, а при разряде – напряжение и температура.

Недостатками данного способа эксплуатации являются:

– невозможность эксплуатации в буферном режиме;

– отсутствие зависимости минимально допустимого напряжения при разряде от температуры и тока.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа эксплуатации никель-металлогидридной батареи, обеспечивающего высокий ресурс, надежность в эксплуатации и высокую эффективность.

Поставленная задача решается тем, что ускоренный заряд током до 20С проводят до достижения на аккумуляторе (или группе аккумуляторов) максимального напряжения, зависящего от тока и температуры или до достижения максимальной температуры, после чего проводится подзаряд током (0,03-0,05)С. В любой момент заряда или хранения батарея может быть подвергнута разряду током до 20С до достижения минимального напряжения, зависящего от тока и температуры.

Отключение батареи с ускоренного заряда (переключение в режим подзаряда) проводится при достижении на одном из аккумуляторов (или группе аккумуляторов) максимального зарядного напряжения, рассчитываемого по формуле:

U_max=U_з-k×(t-t_o)+R×(I_з-I_нз),

где:

U_з – конечное зарядное напряжение аккумулятора (или группы аккумуляторов) при номинальном токе заряда I_нз при температуре t_o=20°С;

k – температурный коэффициент напряжения;

t – температура аккумулятора;

I_з – ток заряда;

R – сопротивление аккумулятора (или группы аккумуляторов).

Включение в режим ускоренного заряда происходит после израсходования при разряде не менее 10% от номинальной емкости батареи или при хранении более 10 дней.

Отключение батареи при разряде проводится при достижении на одном из аккумуляторов (или группе аккумуляторов) минимального разрядного напряжения, рассчитываемого по формуле:

U_min=U_p-k×(t-t_o)-R×(I_p-I_нр),

где:

U_p – конечное разрядное напряжение аккумулятора (или группы аккумуляторов) при номинальном токе разряда I_нр при температуре t_o=20°С.

Кроме отключения по напряжению система контроля и управления работой батареи обеспечивает отключение батареи при заряде и разряде в случае достижения максимально допустимой температуры на любом из аккумуляторов – t_мах=60-65°С.

Пример. Способ эксплуатации был реализован при циклировании батареи, состоящей из 168 последовательно соединенных никель-металлогидридных призматических аккумуляторов емкостью 10 А·ч. На каждой группе из 4-х аккумуляторов измерялось напряжение и контролировалась температура. Первоначально были рассчитаны значения U_з, U_p, k, R на основании зависимостей напряжения, температуры и внутреннего давления в аккумуляторе от сообщенной емкости при различных значениях тока. При этом значение U_max было выбрано таким образом, чтобы заряд батареи прекращался при достижении 85-90% от максимальной зарядной емкости, то есть емкости, при которой внутреннее давление в аккумуляторе достигало давления открытия предохранительного клапана.

После подстановки экспериментальных значений в приведенные выше формулы было получено:

U_max=5,96-0,009×(t-20)+0,0107×(I_з-3)

и

U_min=4-0,009×(t-20)-0,0107×(I_p-3).

Данные формулы были включены в логику системы по контролю и управлению батареей с отключением при достижении t_мax=65°С.

Батарея была установлена на испытательный стенд, имитирующий работу электропривода электромобиля на топливных элементах с максимальными токами при заряде (торможении) и разряде (разгоне) 160 А, т.е. 16С. Наработка батареи составила 2000 часов в течение 2 лет. Выход по току (отношение разрядной емкости к зарядной) составил более 90%.

Формула изобретения

Способ эксплуатации никель-металлогидридных буферных батарей на электромобилях, заключающийся в проведении ускоренного заряда, переключении на подзаряд малым током и осуществлении разряда до достижения минимального напряжения, отличающийся тем, что ускоренный заряд током до 20 С проводят до достижения на аккумуляторе или группе аккумуляторов максимального напряжения, рассчитываемого по формуле U_max=U_з-k×(t-t_o)+R×(I_з-I_нз), где U_з – конечное зарядное напряжение аккумулятора (или группы аккумуляторов) при номинальном токе заряда I_нз при температуре t_o=20°C; k – температурный коэффициент напряжения; t – температура аккумулятора; I_з – ток заряда, R – сопротивление аккумулятора (или группы аккумуляторов), что соответствует достижению 85-90% максимальной зарядной емкости; разряд проводят до достижения на аккумуляторе или группе аккумуляторов минимального напряжения U_min=U_p-k×(t-t_o)-R×(I_p-I_нр), где U_p – конечное разрядное напряжение аккумулятора (или группы аккумуляторов) при номинальном токе разряда I_нр при температуре t_o=20°C; разряд или ускоренный заряд прекращают при достижении максимальной температуры, равной 60-65°С; повторное включение на ускоренный заряд проводят только после израсходования на разряде не менее 10% от номинальной емкости или при хранении более 10 дней.