Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей



страница3/13
Дата17.10.2016
Размер2.77 Mb.
ТипДиссертация
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

1.4.2 Оценка степени заряженности АБ

В связи с различием характеров зависимостей сопротивления Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов от внутреннего сопротивления не удается выявить универсальный метод оценки степени заряженности для всех щелочных источников тока по параметру внутреннего сопротивления. Некоторые перспективы для решения этой задачи появляются при анализе импедансных характеристик аккумуляторов в широком диапазоне частот.

На рис. 1.13 приведены годографы импеданса, полученные на отечественных аккумуляторах емкостью 30 Ач в различных стадиях заряда. Измерения характеристик проводились на частотах тестового сигнала в диапазоне от 1000 до 0,1 Гц. Каждая из характеристик измерялась сразу после сообщения аккумулятору некоторой доли зарядной емкости [28].

c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image6.png

Рис. 1.13. Годографы импеданса Ni-Cd аккумулятора емкостью 30 Ач при разной степени заряженности

На рис. 1.13 номерами обозначены характеристики импеданса соответствующие разным степеням заряда. Степень заряженности определяется отношением емкости отданной батареей при разряде к емкости переданной ей в процессе заряда Сзар/Сраз. Таким образом, на рис. 1.13 цифрой 1 обозначена характеристика батареи отношение зарядной и разрядной емкостей Сзар/Сраз = 0,07; под цифрой 2 - Сзар/Сраз = 0,30; 3 - Сзар/Сраз = 0,70; 4 - Сзар/Сраз = 0,80; 5 - Сзар/Сраз = 0,95; 6 - Сзар/Сраз = 1,07; 7 - Сзар/Сраз = 1,15.

Из рис. 1.13 видно, что в пределах заряженности от ~15 до 95 % изменения годографа в области высоких частот монотонны. В этих пределах омическое сопротивление RΩ меняется мало. Однако, диаметр высокочастотного полукруга - сопротивление переноса заряда R0 заметно увеличивается. Аналогичные результаты наблюдаются и при испытании никель-кадмиевых герметичных аккумуляторов меньшей емкости и для вентилируемых аккумуляторов [29-35]. Характерные изменения импедансных характеристик у всех одинаковы, различаются только диаметры высокочастотной полуокружности.

Импедансные характеристики никель-металлгидридных аккумуляторов исследовались меньше. Их годограф схож с годографом никель-кадмиевого аккумулятора, но он становится стабильным лишь после 3-5 циклов активации, при которых уменьшается сопротивление переноса заряда R0 [36-38]. Схожесть характеристик импеданса источников тока этих двух электрохимических систем связана с тем, что они имеют одинаковый оксидно-никелевый электрод. Щелочные аккумуляторы проектируются так, что емкость положительного электрода несколько меньше чем отрицательного (C/C+ > 1). Поэтому емкость источника тока в целом ограничивается емкостью положительного оксидно-никелевого электрода, что и определяет вид кривых импеданса источников тока. Импеданс отрицательного же электрода аккумуляторов обеих электрохимических систем одинаков во всем диапазоне степеней заряженности [33].

Поскольку продолжительность процедуры измерения внутреннего сопротивления на переменном токе увеличивается с уменьшением частоты (для регистрации 2-3 синусоид тестового сигнала при частоте 0,01 Гц занимает ~5 минут) исследователи предпочитали измерять этот параметр на фиксированной частоте. В 1979 г. были проведены исследования параметров Ni-Cd аккумулятора емкостью 4 Ач, осуществляемые с помощью моста переменного тока, который позволял производить измерения на частотах от 10,1 до 30,2 Гц [32]. На рис. 1.14 показаны зависимости значений угла разности фаз φ между тестовым сигналом тока и напряжением от степени заряженности. Сдвиг фаз обусловлен наличием емкостной и индуктивной составляющей сопротивления аккумулятора. Зависимости получены на трех частотах тестового сигнала: 10,1 Гц; 20,1 Гц; 30,2 Гц.



c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image7.png

Рис. 1.14. Зависимость угла разности фаз тока и напряжения тестового сигнала от степени заряженности [32]

На рис. 1.14 видно, что угол разности фаз φ на каждой из представленных зависимостей возрастают в процессе разряда аккумулятора. При частоте тестового сигнал ~30 Гц величина угла разности фаз изменилась почти в 10 раз и характер этого изменения близок к линейному. Это может говорить о хороших диагностических свойствах параметра, полученного на частоте ~30 Гц.

Угол разности фаз в качестве диагностического параметра для никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 1,8-2 Ач рассматривался в [33]. Однако там было показано, что угол разности фаз φ почти линейно меняется на 5° лишь в диапазоне заряженности от 0 до 40 %. В остальном диапазоне от 40 до 100 % значение угла разности фаз φ остается неизменным.

Вообще же большая часть исследователей сходятся во мнении, что в зависимости от степени разряженности (заряженности) более всего меняются параметры импеданса в области диффузионных частот (ниже 0,01 Гц).

В [39] степень заряженности аккумуляторов емкостью 23 Ач предлагали определять по изменению реактивной составляющей полного сопротивления при частоте 0,4 Гц. Рис. 1.15 иллюстрирует зависимость этого параметра от степени заряженности. Зависимость получена усреднением значений параметров 6 аккумуляторов.



c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image8.png

Рис. 1.15. Зависимость реактивной составляющей импеданса от степени заряженности аккумулятора [39]

Из рис. 1.15 видно, что зависимость может быть достаточно хорошо описана линейным уравнением, и что немало важно, характеристика монотонна на всем диапазоне степени зараженности от 0 до 100 %.

Для аккумуляторов большой емкости при оценке степени заряженности лучшую разрешающую способность обеспечивают измерения модуля импеданса в некотором диапазоне частот. В процессе заряда или разряда при изменении соотношения индуктивной и емкостной составляющих смещается минимум модуля импеданса. На рис. 1.16 приведены результаты исследований аккумулятора FNC-T 204Н компании Hoppecke емкостью 46 Ач [40]: зависимость частоты, при которой импеданс Z принимает свое минимальное значение Zmin, от степени заряженности. На рисунке представлены данные для аккумуляторов обеих рассматриваемых щелочных электрохимических систем.



c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image9.png

Рис. 1.16. Частота минимального значения модуля импеданса Ni-Cd (а) и Ni-MH (б) аккумуляторов при разной степени заряженности [40]

Из рис. 1.16 видно, что зависимость для никель-кадмиевых аккумуляторов имеет практически линейный участок в диапазоне частот 50-38 Гц. Этот участок соответствует степени заряженности 10-100 %. Зависимость никель-металлгидридных аккумуляторов, в свою очередь, имеет линейный участок на диапазоне частот 150-100 Гц. Он соответствует диапазону степени заряженности 0-50 %. Оставшийся диапазон степени заряженности 50-100 % соответствует узкой полосе частот ~100-95 Гц, что делает этот параметр неудобным для оценки степени заряженности никель-металлгидридный аккумуляторов [3].

В [41, 42] для оценки величины остаточной емкости предложено производить измерения откликов диагностируемого аккумулятора на несколько тестовых импульсов постоянного напряжения. Согласно источникам [41, 42] последовательно подаётся 6 импульсов с интервалом 60 с. Каждый последующий импульс на 50 мВ больше предыдущего. В качестве отклика на тестовый сигнал регистрируются скачки тока протекающего через диагностируемый аккумулятор. Обрабатывая временные зависимости токов, полученных при каждом из 6 тестовых импульсов, авторы получают некоторую зависимость относительных значений тока от номера тестового импульса. В качестве диагностического параметра этот метод использует значение одного из коэффициентов уравнения, описывающего эту зависимость. По заверениям авторов, значение коэффициента этого уравнения коррелирует с величиной остаточной емкости аккумулятора, коэффициент корреляции при этом принимает значения 0,5-0,8 для различных аккумуляторов [42].



1.4.3 Оценка степени деградации в процессе эксплуатации АБ

Длительная эксплуатация щелочных аккумуляторов в режиме циклирования неизбежно ведет к снижению их емкости. Это связано с потерей активных масс электродов, изменением их структуры и уменьшением рабочей поверхности. Уменьшение емкости никель-металлгидридных аккумуляторов определяется, прежде всего, снижением сорбирующей способности отрицательного электрода, что приводит к изменению поляризационного сопротивления аккумуляторов. В результате необратимых процессов, связанных с потреблением кислорода и воды, и срабатываний аварийного клапана герметизированных аккумуляторов при повышении давления в аккумуляторах уменьшается количество электролита и растет омическое сопротивление.

Поэтому процесс оценки степени деградации щелочных аккумуляторов исследователи обычно связывают с измерением их внутреннего сопротивления. Но технологический разброс омического сопротивления свежих щелочных аккумуляторов зависит от уровня автоматизированности и контроля технологического процесса их производства. Разброс RΩ призматических аккумуляторов большой емкости с ручной сборкой может достигать 30-40 %. Разумеется, в этом случае определить стадию деградации аккумулятора с наработкой достаточно трудно, если отсутствует индивидуальная характеристика каждого аккумулятора. Все усугубляется тем, что диапазон сопротивления RΩ заряженных аккумуляторов с увеличением наработки меняется не значительно. Однако, после разряда на 70-80 % изменения омического сопротивления становятся заметными.

Существуют некоторые наработки по определению близкого выхода из строя аккумуляторов. Так в [43] при испытаниях никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 12 Ач было отмечено, что с наработкой увеличивается угол наклона прямой в области диффузионного контроля Варбурга (см. рис. 1.6). Близость отказа может быть спрогнозирована при увеличении на 10-15 % диффузионного импеданса Варбурга при разряде аккумулятора до 0 В. Однако импедансные спектры отказавших аккумуляторов, снятые в диапазоне частот от 10 кГц до 0,4 мГц, имели различный вид, что вызывает сомнения в устойчивости такого критерия отказа.

Важной задачей при эксплуатации щелочных аккумуляторов является определение наличия микрокоротких замыканий, возникающих при длительной работе в режиме циклирования. Дендриты, прорастающие от кадмиевого электрода сквозь сепаратор, способствуют значительной потере емкости.

Для обнаружения в аккумуляторе микрокоротких замыканий чаще всего заряженные аккумуляторы ставят на хранение в течение месяца, при котором оценивается скорость их саморазряда. Также используется методика измерения сопротивления аккумуляторов в состоянии замороженного электролита. Например, у качественных призматических аккумуляторов НКГ-50СА сопротивление, измеренное при температуре жидкого азота, превышает 135 кОм, а после 4500 циклов при возникновении микрокоротких замыканий оно может упасть до 0,19-130 Ом [5]. В [44] описывается еще одна методика. Она состоит в регистрации изменения напряжения аккумулятора при заряде в режиме постоянного напряжения, а впоследствии определяется сопротивление микрокоротких замыканий. По заверению авторов при напряжении 1-1,1 В ошибка оценки шунтирующего сопротивления не превышает 5 % [3, 44].



1.5 Методики диагностики свинцово-кислотных АБ

1.5.1 Оценка качества новых свинцово-кислотных АБ

Одна из основных электрических характеристик свинцово-кислотных источников тока - их напряжение разомкнутой цепи. Значение этого параметра зависит от концентрации (плотности) электролита. НРЦ этих источников тока заметно меняется в процессе разряда в результате разбавления электролита. А малое количество электролита, как, например, в герметизированных аккумуляторах, приводит к усилению влияния его характеристик на степень изменения НРЦ. На производстве обеспечить контроль всего процесса изготовления достаточно сложно. Поэтому измерение НРЦ готовых полностью заряженных источников тока или регистрация его изменения в процессе разряда может помочь в оценке качества продукции.

При сборке батарей большого напряжения, например, для источников бесперебойного питания, из стандартных батарей или отдельных аккумуляторов возникает проблема их сортировки по качеству. В процессе производства электрические характеристики источников тока имеют значительный разброс. Поскольку такие батареи обычно работают в буферном режиме и приспособлены к длительному перезаряду [7], то предполагается, что за время заряда батареи с разной степенью заряженности зарядятся до одинакового уровня.

Однако в стационарном состоянии напряжение источников тока составляющих высоковольтную батарею может значительно различаться. При обследовании батареи из двух параллельных цепочек по 180 аккумуляторов после эксплуатации в буферном режиме (напряжение заряда 2,38 В / аккумулятор) реальный разброс напряжения в группе из произвольно выбранных 230 аккумуляторов составил 170 мВ (при среднеквадратичном отклонении в группе ±33 мВ) [6]. Разброс характеристик батарей приводит к ускоренному старению всей системы: постепенной коррозией решеток положительного электрода, перезаряд отрицательного электрода.

С целью оценки качества герметизированных свинцово-кислотных батарей предпринимались испытания 12 В батарей технологии AGM емкостью 5 Ач [45, 46]. Обследовалась продукция трех разных производителей (до 24 батарей в выборке). Выборки A1 и A2 – батареи типа SP12V137 компании Exide. Выборка B – батареи типа UP-RWA 1232Р2 производства Panasonic. Выборка C – батареи SW200 компании Yuasa. Результаты испытаний приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2



Характеристики

Производитель

A1

A2

B

C

Объем выборки, шт.

11

7

14

13

Среднее по выборке НРЦН, В

13,18

13,14

12,97

13,17

Разброс НРЦН, мВ

30

110

60

90

Средняя по выборке разрядная емкость Cр, Ач

5,56

5,57

4,48

5,16

Разброс Cр, Ач

0,10

0,19

0,36

0,25

Напряжение разомкнутой цепи батарей измерялось через 48 часов после полного их заряда, оно обозначено как НРЦН.

На рис. 1.17 показана зависимость емкости батарей и величин их НРЦН. Выбранные обозначения осей координат (отношение индивидуальных характеристик батарей к обобщенной характеристике для всей совокупности испытанных, выраженное в %) позволяют видеть линейность зависимости этих параметров для всей совокупности исследуемых батарей и особенности зависимостей в каждой из выборок.

Из рисунка видно, что батареи из выборки C отдают несколько меньшую емкость, чем батареи выборки A, не смотря на близкие по значению величины НРЦН. Это связано с разной технологией их изготовления, приводящей к уменьшению количества электролита у батарей выборки С.



c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image1.png

Рис. 1.17. Зависимость разрядной емкости свинцово-кислотных батарей от их НРЦ в заряженном состоянии [45].

Зависимость разрядной емкости от плотности электролита (величины НРЦ) различна при разных режимах разряда. При разрядном токе 0,1 С разбавление электролита происходит постепенно во всем его объеме. Это не приводит к существенному увеличению внутреннего сопротивления источников тока, и, как следствие, крутому изменению разрядной кривой. При значительных токах разряда, имеющих место, например, в источниках бесперебойного питания, изменение внутреннего сопротивления происходит быстрее и определяется его плотностью, общим количеством и распределением в поровом пространстве электродов и сепаратора.

В [45, 46] исследовался также саморазряд батарей в течение 2 месяцев хранения после полного заряда. Результаты исследования показали, что 10 % потери емкости соответствует изменению НРЦ батареи на 20 мВ. При эксплуатации батарей в буферном режиме такие сроки хранения не сказывается на разбросе напряжений отдельных батарей в цепочке.

Другая важная характеристика источников тока - их внутреннее сопротивление, которое определяет уровень рабочего напряжения при нагрузке. В соответствии с ГОСТ [15-21] сопротивление свинцово-кислотных источников тока выражается формулой

где I1 и I2 для свинцово-кислотных источников тока принимают значения 4-6 I10 и 20-40 I10 соответственно (I10 – ток десятичасового разряда). Напряжение U1 регистрируется через 20 с после начала протекания I1, а U2 - через 5 с протекания тока I2.

Разброс сопротивления новых батарей обычно небольшой и не дает реальной возможности их сортировки. Более точное представление о состоянии свинцово-кислотных источников тока может дать анализ их импедансных характеристик в диапазоне частот от нескольких сот до 1 Гц, который проявляет кинетические характеристики.

В [47] представлены серии годографов импеданса отдельных аккумуляторов емкостью 7,5 Ач, которые были выбраны из батарей напряжением 12 В, предварительно признанных качественными A и некачественными B и C (рис. 1.18, 1.19, 1.20).



c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image3.png

Рис. 1.18. Годографы импеданса заряженного аккумулятора из батареи A при разной продолжительности хранения [47]: 1 – 1, 2 – 5 и 3 – 20 дней



c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image5.png

Рис. 1.19. Годографы импеданса заряженного аккумулятора из батареи B при разной продолжительности хранения [47]: 1 – 1, 2 – 5 и 3 – 20 дней



c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image4.png

Рис. 1.20. Годографы импеданса заряженного аккумулятора из батареи C при разной продолжительности хранения [47]: 1 – 1, 2 – 5 и 3 – 20 дней

В табл. 1.3 приведены усредненные параметры этих аккумуляторов батарей A, B и C и их разброс.

Таблица 1.3



Батарея

НРЦ, В

Импеданс при 1 кГц, мОм

Емкость при токе 1С, Ач

А

2,17 ± 0,02

2,3 ± 0,2

9 ± 0,5

В

2,19 ± 0,03

3,1 ± 0,5

7 ± 1,0

С

2,19 ± 0,03

4,3 ± 0,7

3 ± 1,4

Из рис. 1.18 видно, что хранение аккумулятора качественной батареи A не приводит к изменению годографа на всем диапазоне частот. В свою очередь, годографы аккумулятора B (рис. 1.19), емкость которого лишь на 7 % ниже номинальной (7,5 Ач) (табл. 1.3), при частотах ниже 5 Гц расходятся при увеличении сроков хранения. Годографы аккумулятора C (рис. 1.20), емкость которого составляет лишь 40 % от номинальной, имеют еще большее расхождение. Следовательно, для оценки качества свинцово-кислотных источников тока может быть использован анализ изменений импеданса на частоте 1 Гц в процессе 2-3-недельного хранения после заряда. Однако, в батарее, состоящей из нескольких аккумуляторов (предположительно с разными характеристиками), эти изменения могут быть завуалированы. Кроме того, хранение и измерение необходимо производить при определенной температуре, так как ее влияние на значение импеданса очень существенно. При увеличении температуры с 20 до 40 °С полное сопротивление у аккумулятора A меняется от 48 до 25 мОм, у аккумулятора B - от 93 до 46 мОм [3].



1.5.2 Оценка степени заряженности АБ

Как было сказано ранее, НРЦ свинцово-кислотных батарей уменьшается в процессе разряда. Это изменение довольно значительно для каждой батареи, но возможность оценки степени заряженности даже батарей одного типа затрудняется большим разбросом этого параметра в партии новых источников тока. А при эксплуатации разброс НРЦ батарей в одинаковом состоянии становится еще больше.

Исследования изменения характеристик импеданса свинцово-кислотных источников тока при их разряде начались еще в 1970-х годах. В [48] приведены результаты измерений импеданса аккумуляторов емкостью 7 Ач с помощью моста переменного тока. Измерения показали, что уже при частоте 200 Гц становится заметным влияние индуктивной составляющей на полное сопротивление. Однако она постоянна на протяжении всего разряда и не несет информации о степени заряженности. Наблюдаемое с разрядом изменение характеристик импеданса имеет место при частотах ниже 100 Гц. Однако различные параметры импеданса меняются в процессе разряда по-разному. Активное и полное сопротивления заметно увеличиваются лишь к концу разряда, а в диапазоне степеней заряженности 20-100 % имеют малую величину. Емкостное же сопротивление имеет экстремум при 50 % заряженности.

В [49] при исследовании свинцово-кислотных батарей с напряжением 4 и 6 В и емкостью от 3 до 9 Ач в диапазоне частот от 0,01 до 630 Гц было показано, что при степени заряженности от 20 до 100 % угол разности фаз монотонно изменяется с 10 до 20-25° при частотах порядка 1-6 Гц.

В [50] описаны исследования спектров импеданса вентилируемых стационарных батарей емкостью 100 Ач. Изменение годографов импеданса батареи при разной степени ее разряженности показано на рис. 1.21.

c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image6.png

Рис. 1.21. Спектров импеданса вентилируемой свинцово-кислотной батареи емкостью 100 Ач при степени разряженности 1 – 30-35, 1 – 60-65 и 3 – 90-95 % [50]

На рис. 1.21 последовательно отмечены частоты: 92; 9,2; 0,92; 0,092 и 0,009 Гц. Индуктивность проявляется при частоте выше 200 Гц, а в диапазоне частот от 200 до 5 Гц импедансный годограф имеет вид полуокружности. При низких частотах диффузионный импеданс отражается прямой, но при частотах ниже 0,1 Гц емкостная составляющая импеданса уменьшается.

Из рис. 1.21 видно, что при изменении степени разряженности меняется активное сопротивление, регистрируемое при частоте порядка 100 Гц и при частоте ниже 0,1 Гц.

Как было сказано выше в процессе разряда свинцово-кислотного аккумулятора меняется концентрация его электролита. Вместе с концентрацией меняется его электропроводность. Таким образом, диагностическим параметром при оценке степени заряженности свинцово-кислотных источников тока может стать омическое сопротивление RΩ. Как видно из рис. 1.22, для батарей большой емкости, изменения RΩ в процессе разряда невелики (от 0,075 до 0,145 Ом). Но они могут быть более заметны в источниках тока меньшей емкости и в герметизированных аккумуляторах с небольшим количеством электролита.

c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image8.png

Рис. 1.22. Изменение омического сопротивления в процессе заряда свинцово-кислотной батареи [51]

В [51] импедансные характеристики герметизированных батарей напряжением 6 В емкостью 4 Ач оценивались на основании данных, полученных при использовании методики измерений сопротивления RΩ на постоянном токе (при наложении в течение 50 с импульса тока не более 0,007 С). Там было предложено оценивать состояние заряженности по изменению сопротивления RΩ, которое меняется линейно в зависимости от log(Сзарн) (десятичный логарифм отношение емкости заряда к номинальной емкости источника тока) [3].

В [52] оценка доступной емкости аккумулятора проводится на основе математической модели процесса разряда свинцово-кислотного аккумулятора. В первую очередь производятся измерения разноименных параметров. К ним относятся напряжение разомкнутой цепи, температура отрицательного вывода аккумулятора и отклик на тестовый сигнал переменного тока. Амплитуда тестового сигнала составляет ~20 мВ. Частота сигнала равна резонансной частоте f±, при которой полное внутреннее сопротивление Z(f±) становится равно омическому RΩ. При измерении отклика вычисляются среднеквадратичные значения его тока и напряжения.

На основе измеренных параметров производятся вычисления характеристик модели реального источника тока, одной из которых является значение доступной емкости аккумулятора [52].

1.5.3 Особенности контроля параметров в процессе эксплуатации АБ

В связи с разработкой батарей высокого напряжения для электро- и гибридных автомобилей и в других приложениях появилась потребность в оценке состояния единичных аккумуляторов или блоков аккумуляторов в процессе их работы. Как правило, для этого используются параметрические модели описания их поведения, опирающиеся на измерения напряжения и параметров внутреннего сопротивления. В этих условиях импедансометрия оказывается мощным инструментом для проверки диагностируемого источника тока на соответствие какой-либо параметрической модели. Малый тестовый сигнал при импедансометрии и возможность быстрого анализа отклика позволяет оценить состояние аккумулятора при выполнении системой практически любой функции.

В первую очередь необходимо оценить возможность использования параметров сопротивления для описания поведения источников тока, эксплуатируемых при постоянно меняющейся нагрузке (токах заряда и разряда). При измерениях импедансных спектров вентилируемой батареи емкостью 100 Ач, которые производились через 0,5 ч после снятия емкости, а также непосредственно в процессе заряда и разряда, было показано, что спектры, соответствующие одинаковой степени разряженности батареи в этих трех режимах, сильно различаются только при низких частотах (рис. 1.23). Наблюдаемое различие спектров при заряде и разряде одинаковым по величине током определяется асимметрией электродных и масстранспортных процессов. Представленные импедансные спектры регистрировались при температуре 20 °С. При температуре 60 °С спектры имеют аналогичную форму, но полное сопротивление Z уменьшается на 1/3. Минимальная частота 0,001 Гц при токах от 0 до 3 А и 0,007 Гц для тока 10 А [50].
c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image10.png

Рис. 1.23. Спектры импеданса свинцово-кислотной батареи в состоянии покоя (0 А), при заряде (+1А, +3А, +10А) и разряде (–1А, –3А, –10А)

По результатам исследований [50] можно сделать вывод, что при мониторинге состояния источника тока удобно использовать в качестве диагностического параметра импедансные характеристики из высокочастотной области. Такие характеристики оказываются устойчивыми в широком диапазоне зарядно-разрядных токов и измерения параметров проводятся очень быстро. Кроме того, состояние источника тока можно считать квазистационарным, а значит, характеристики могут быть использованы для диагностики источников тока находящихся в покое.

В [53] описаны исследования характеристик импеданса вентилируемого аккумулятора емкостью 45 Ач при токах заряда и разряда 0,01С, 0,05С и 0,1С. При этом изучалась возможность диагностики состояния его заряженности по величине сопротивления в точке пересечения характеристики импеданса с осью R. Сопротивление RΩ при разных токах разряда несколько различается по величине, но во всех случаях оно стабильно при степени разряженности в диапазоне от 0 до 60-70 %, а затем увеличивается примерно в 2 раза, и тем быстрее, чем ниже скорость разряда. Объясняется это нарастающим экранированием поверхности электродов сульфатом свинца.

В [51] предложена оценка состояния заряженности герметизированных батарей емкостью 4 Ач. Оценка проводится путем анализа отклика на периодические импульсы тока величиной 0,007C в течение 50 с. Исследование проводили на батареях в состоянии покоя и в процессе разряда током 0,2С. Авторы отмечают, что чувствительность параметра для мониторинга состояния батареи достаточна и при токе разряда 0,2С сохраняется квазистационарность. Однако следует помнить, что время теста составляет 50 с и при больших токах заряда или разряда за это время в аккумуляторе могут произойти значительные изменения, что нарушает квазистационарность.

Оценка степени заряженности при измерении отклика на импульс постоянного тока исследовалась и для батарей большей емкости (для электромобиля). Исследования проводились на герметизированном аккумуляторе 2 В 20 Ач и вентилируемой батарее 12 В 52 Ач [54]. В качестве диагностического параметра использовался отклик на тестовый импульс величиной 500 А в течение 1 с, связанный со степенью заряженности некоторой нелинейной зависимостью. Эта зависимость сохраняет свой характер при степени деградации батареи в диапазоне от 0 до ~50 %. Зависимость, полученная на герметизированной батарее 2 В 20 Ач приведена на рис. 1.24.



Рис. 1.24. Зависимость остаточной емкости от сопротивления свинцово-кислотной батареи при различных степенях деградации [54]

Для батареи 2 В 20 Ач значение ее остаточной емкости по величине сопротивления может быть определена с максимальной чувствительностью в диапазоне степени заряженности от 0 до 50 %, для батареи 12 В 52 Ач - от 0 до 20 %. При большой степени заряженности сопротивление стабильно и не позволяет производить ее оценку. Высокая точность оценки степени заряженности по предложенной методике достигается через 2-3 мин измерений [3].

1.5.4 Оценка степени деградации АБ

Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов открытого типа и герметизированных ограничивается постепенным снижением емкости. В большинстве случаев это связано с деградацией положительного электрода - коррозией его решеток при работе в буферном режиме. При эксплуатации в режиме циклирования деградация связана с изменением структуры активных масс. Деградация герметизированных аккумуляторов также связана с потерями воды при сбросе излишнего давления газа, в результате чего происходит осушение сепаратора и увеличение внутреннего сопротивления источников тока.

Учитывая разнообразие режимов работы свинцово-кислотных источников тока в разных приложениях, в общем виде качественное представление о взаимодействии факторов воздействия и механизмов деградации может быть представлено в виде табл. 1.4 [55].

Оценить степень деградации свинцово-кислотных источников тока также можно, регистрируя изменение со временем их омического сопротивления. В стационарных герметизированных батареях, работающих в буферном режиме, это происходит при постоянном подзаряде, вследствие коррозии решеток и потерь воды из сепаратора. Трудности в оценке степени деградации при использовании этого диагностического параметра возникают только с измерением очень малых величин сопротивления и необходимостью знания величины параметра в начале эксплуатации конкретного источника тока.

В [50], например, было показано, что изменения омического сопротивления герметизированных батарей 6 В 4 Ач коррелирует с изменением степени заряженности. С увеличением наработки батарей наблюдается смешение этой зависимости по оси омического сопротивления, но в целом ее характер сохраняется (рис. 1.25)

Таблица 1.4



Механизмы деградации

Факторы


воздействия

Коррозия

положительного

электрода


Необратимая

сульфатация



Потери активных масс

Потери

воды


Уменьшение

поверхности

активных

масс


Расслоение

электролита



Длительная работа при малой степени заряженности

Косвенный эффект (из-за низких концентраций электролита и потенциала)

Высокая

корреляция



Нет прямого влияния

Нет

влияния


Нет

влияния


Косвенный эффект (при больших сроках повышается сульфатация, расслаивается электролит)

Наработка в ампер-часах

Нет

влияния


Нет прямого влияния

Влияние через механические напряжения

Нет

прямого


влияния

Образование кристаллов большого размера

Высокая

корреляция



Заряд

Сильное влияние (из-за высокого зарядного напряжения)

Отрицательная корреляция (быстрый заряд уменьшает сульфатацию)

Сильное влияние (из-за газо-выделения)

Сильное

влияние


Нет

прямого


влияния

Высокая

корреляция



Время между

полными


зарядами

Высокая

отрицательная

корреляция


Высокая

корреляция



Отрицательная

корреляция



Отрицательная

корреляция



Нет

прямого


влияния

Высокая

корреляция



Температура

Высокая

корреляция



При высокой температуре более полный заряд, но и более сильная сульфатация при низкой степени заряженности

Нет прямого влияния

Высокая

корреляция



Малое влияние (деградация расширителя отрицательного электрода)

Нет

прямого


влияния



c:\users\dch\appdata\local\temp\finereader11\media\image12.png

Рис. 1.25. Изменение зависимости омического сопротивления свинцово-кислотной батареи 6 В 4 Ач с наработкой [50]

При оценке изменения сопротивления переноса заряда R0 в процессе разряда может быть обнаружен эффект сульфатации электродов. Из-за наличия в электродах сульфата свинца значение R0 в разряженном состоянии в несколько раз больше чем при степени заряженности 20-100 %. Поэтому, резкое увеличение значения R0 в начале разряда следует рассматривать как результат сульфатации электродов.

Следует заметить, что при мониторинге характеристик батарей непосредственно в процессе длительной эксплуатации решение задачи оценки готовности свинцово-кислотной батареи выполнять необходимые функции в настоящее время нельзя считать найденным. Задача эта еще более сложная, чем оценка текущего состояния заряженности. Препятствует решению этой задачи большое разнообразие предъявляемых к ним требований, невозможность построения обобщенной модели поведения свинцово-кислотных источников тока [3].



1.6 Методы восстановления АБ

При эксплуатации аккумуляторов нередко выявляются дефекты или возникают неисправности, которые с легкостью могут быть устранены.

В процессе эксплуатации иногда имеет место повышенный саморазряд аккумуляторной батареи (более 1 % в сутки). Его причинами являются наличие вредных примесей в электролите, загрязнение поверхности батареи, хранение батареи при повышенной температуре электролита, а также наличие коротких замыканий через сепараторы или по боковым кромкам пластин.

Проливы электролита на корпусе АБ необходимо смыть водой. Для свинцово-кислотных батарей электролит в виде серной кислоты желательно нейтрализовать кальцинированной содой или 10 % раствором аммиака. Для удаления вредных примесей из электролита его заменяют после глубокого разряда АБ. Поскольку значительная часть электролита находится в порах активной массы и сепараторов нередко производится многократная промывка блоков электродов дистиллированной водой. Короткие замыкания могут быть устранены только заменой сепаратора, удалением шлама и механическим удалением свинцовой губки с кромок пластин свинцово-кислотных АБ.

В процессе эксплуатации свинцово-кислотных АБ уровень их электролита непрерывно изменяется. Он снижается при разрядах, особенно при глубоких, при снижении температуры и при длительны перезарядах в результате электролитического разложения воды. В результате верхние кромки пластин могут оголяться, что приводит к ускорению процесса сульфатации. В целях предотвращения этого явления необходимо регулярно проводить доливку дистиллированной воды.

При последовательном соединении аккумуляторов в АБ иногда наблюдаются случаи переполюсовки отдельных аккумуляторов. Это связано с ускоренным саморазрядом отдельных аккумуляторов. При разряде батареи конечное напряжение у этих аккумуляторов достигается быстрее, а дальнейший разряд приводит к изменению их полярности и последующему выходу из строя. Для предупреждения переполюсовки проводят дополнительный заряд отстающих элементов. Иначе следует заменить неисправные элементы.

Однако большинство приведенных выше приемов ремонта АБ пригодны лишь для обслуживаемых, негерметизированных батарей. Необслуживаемые батареи при таких неисправностях становятся непригодными для ремонта [5, 56, 57].

Одним из основных факторов, ограничивающих эксплуатационный срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов, является необратимая сульфатация отрицательных электродов. К настоящему времени накоплен достаточный опыт восстановления АБ после их длительного бездействия.



Заряд реверсивным током является одним из способов профилактики сульфатации и восстановления работоспособности сульфатированных электродов. Реверсивный ток - это переменный ток с различными амплитудами и длительностями импульсов обеих полярностей за каждый период их следования. Соответственно за каждый период следования импульсов аккумулятор заряжается и частично разряжается.

В соответствии с теорией электрохимических процессов заряд аккумулятора реверсивным током дает возможность управлять восстановительными реакциями и структурными изменениями активного материала электродов. Меняя соотношения между зарядными и разрядными импульсами, а также изменяя их амплитуду, можно получать кристаллы сульфата свинца различных размеров и форм. Это позволяет увеличить пористость и суммарную площадь соприкосновения электролита с активным материалом электродов, облегчить условия диффузии и выравнивания концентрации электролита в приэлектродном слое. Увеличение пористости в свою очередь способствует повышению величины максимального тока заряда и разряда. При заряде реверсивным током выделяется меньше тепла и газовыделение в конце заряда начинается позже.

При малой или средней степени сульфатации электродов десульфатацию проводят реверсивным током величиной 0,5-2 А. Процесс десульфатации может занимать 20-50 часов без перерыва. При этом плотность электролита возрастает. Признаком окончания десульфатации является неизменность напряжения и плотности электролита в течение ~2 часов.

При запущенной форме сульфатации применяют заряд малым реверсивным током. Предварительно аккумулятор разряжают до 1,8 В на аккумулятор, сливают весь электролит и заливают дистиллированную воду. Ток устанавливают настолько малым, чтобы напряжение заряда не превышало 2,3 В. В процессе заряда плотность электролита будет возрастать. Когда плотность во всех аккумуляторах батареи достигнет величины 1,11 г/см3 необходимо снова слить электролит, залить дистиллированную воду и продолжить десульфатацию малым реверсивным током при том же напряжении. Когда плотность электролита достигнет значения 1,12 г/см3 устанавливают величину реверсивного тока равную 1 А. Заряд продолжают до тех пор, пока плотность электролита не перестанет возрастать и не начнется равномерное газовыделение. После этого аккумулятор разряжают в течение 2 часов током, составляющим 20% от максимального разрядного тока, а затем заряжают в том же режиме до получения постоянства напряжения и плотности электролита.

Такие циклы разряда-заряда повторяют 2-5 раз, пока напряжение и плотность электролита не примут установившиеся значения. После этого добавляют аккумуляторную кислоту до плотности 1,21-1,22 г/см3 и полностью заряжают аккумулятор. Через 3 часа после заряда снова корректируют плотность электролита до значения 1,21-1,22 г/см3.

Заряд аккумулятора реверсивным током может проводиться и в качестве профилактики. При систематическом подзаряде аккумуляторов сульфатации электродов практически не наблюдается. Однако сульфатация электродов отсутствует и в АБ, которые интенсивно эксплуатировались и быстро выработали свой ресурс.



Контрольно-тренировочные циклы (КТЦ) заряда-разряда проводится как для предотвращения сульфатации свинцово-кислотных АБ так и для восстановления емкости щелочных аккумуляторов (в основном никель-кадмиевых), потерянной по причине проявления эффекта памяти. Кроме того КТЦ применяются для определения емкости аккумулятора. Контрольно-тренировочные циклы обычно проводятся не реже одного раза в год. Перед выполнение КТЦ аккумуляторную батарею полностью заряжают и выдерживают 3 часа после прекращения заряда. Для свинцово кислотных батарей корректируют плотность электролита до величины 1,21-1,22 г/см3; снова заряжают в течение 20-30 минут для перемешивания электролита. После этого проводят контрольную разрядку постоянным током и контролируют время полного разряда до конечного напряжения 1,7 В на аккумулятор для свинцово-кислотных батарей и 1 В для щелочных АБ. Значение тока разряда выбирается из ряда 0,2С; 0,1С или 0,05С для измерения емкости 5-ти, 10-ти или 20-ти часового разряда соответственно. Емкость батареи определяют как произведение величины разрядного тока и времени разряда. После контрольного разряда батарею сразу же ставят на зарядку и полностью заряжают. Для восстановления емкости и снижения степени сульфатации проводят несколько контрольно-тренировочных циклов [58].

Сульфатированные аккумуляторы могут быть также восстановлены с помощью поверхностно-активных веществ или так называемых десульфатирующих добавок в электролит. В зависимости от степени сульфатации эффективное действие таких добавок (повышение плотности электролита) становится заметным через 5-10 дней после их введения в электролит. Введение добавок может осуществляться при любом состоянии аккумулятора (заряд, разряд, состояние покоя), но целесообразно вводить добавки в конце заряда, когда начинается перемешивание электролита выделяющимися газами. В этом случае добавка быстрее проникает внутрь электродов, а не остается на поверхности электролита вследствие низкой растворимости в серной кислоте. Эффективное действие десульфатирующих добавок сохраняется примерно в течение 1 года, после чего они могут быть введены вновь [5].



Выводы по главе

  1. Проведен анализ быстро-измеримых параметров АБ. Он показал, что наиболее информативным и легко обрабатываемым параметром является внутреннее сопротивление АБ.

  2. Общим недостатком методов оперативной оценки состояния АБ становится использование одного диагностического параметра, в результате чего степень достоверности оценки эксплуатационных характеристик АБ не высока.

  3. Повышение достоверности оценки основных характеристик АБ возможно путем ввода дополнительного диагностического параметра АБ.


Каталог: scientific activities
scientific activities -> Результаты участия в Межрегиональном (с международным участием) конкурсе научно-исследовательских работ студентов – будущих учителей начальных классов и воспитателей доу
scientific activities -> Учебно-методическое пособие по подготовке к сдаче кандидатского минимума
scientific activities -> Структурно-семантические особенности формирования бронетанковой терминологии в английском языке
scientific activities -> Д т. н., доц. А. В. Косых 15 декабря 2012 г
scientific activities -> Учебно-методическое пособие по подготовке к сдаче кандидатского минимума
scientific activities -> Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности
scientific activities -> Научная школа-направление
scientific activities -> Отчет по результатам работ по Государственному контракту №112 от 20. 08. 2009 г. «Развитие человеческого капитала для региона инноваций»
scientific activities -> Постчеловеческое время
scientific activities -> Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал