Электрические средства управления батареями

Напряжённый режим функционирования тяговой батареи электромобиля обязывает применять разнообразный арсенал средств управления и контроля, предотвращающих работу батарей в аномальных режимах перезаряда, переполюсования и перегрева. Эти средства должны быть с одной стороны эффективны, с другой компактны и экономичны.

В этой главе опишем принципиальную сторону вопроса, отвлекаясь от конкретных схемных решений.

Заряд батарей (как было указано ранее) осуществляется в гальваностатическом, потенциостатическом или комбинированном режимах.

Контролируемыми параметрами являются напряжение, ток, ёмкость, температура. Контроль негерметичных батарей существенно сложнее герметичных конструкций, поскольку для последних при полном заряде характерно увеличение давления и температуры. При гальваностатическом заряде зарядная ёмкость, пропущенная через батарею, равна С = l . Сложность реализации гальваностатического заряда состоит в необходимости информации о степени заряженности к моменту начала заряда. Если эта информация отсутствует, то в некоторых случаях необходимо проводить операцию доразряда с контролем батареи по минимальному напряжению. Это, в первую очередь, относится к никель-цинковой батарее, перезаряд которой приводит к ден-дритообразованию на цинковом электроде и, следовательно, к коротким замыканиям.

В последнее время в железо-никелевых батареях используется датчик полной заряженности, состоящий из инертного электропроводного сигнального электрода, помещённого через сепаратор вплотную к положительному электроду. Сигнальный электрод через регистрирующее устройство соединяется с отрицательным электродом аккумулятора. При перезаряде НЖА на положительном электроде начинает генерироваться кислород, который, достигнув сигнального электрода, генерирует ток в цепи сигнальный электрод-отрицательный электрод; причём величина тока коррелируется с интенсивностью выделения кислорода. Использование подобного датчика позволяет иметь информацию о моменте окончания заряда, КПД заряда, уровне тепловыделения, а также обходиться без процедуры доразряда батареи.

Потенциостатический заряд, т. е. заряд при постоянном клеммном напряжении на батарее, позволяет начинать заряд с любого уровня заряженности, поскольку наличие ёмкости в батарее сказывается на её зарядном напряжении. Для получения лучшего КПД напряжение потенциостатического заряда необходимо задавать термозависимым.

Существенным недостатком потенциостатического заряда является невозможность подобрать клеммное стабилизированное напряжение, гарантирующее полный заряд батареи на протяжении всего срока службы. Это обусловлено трансформацией зарядных характеристик батареи при циклировании.

Контролируемыми параметрами при потенциостатическом заряде являются текущее значение тока и иногда сообщённая ёмкость, для определения которой в цепь необходимо включать интегратор тока, так как при потенциостатическом заряде зарядный ток меняется во времени.

При комбинированном заряде (гальваностатическом до определённого напряжения с последующим переходом на потенциоста-тический заряд) контролируемыми параметрами являются ток заряда и зарядная ёмкость, равная величине

где – время гальваностатического заряда; – общее время заряда.

При разряде контролируемыми параметрами являются общее разрядное напряжение и температура. При использовании многоэлементной батареи для уменьшения числа контролируемых ячеек возможно применение группового контроля.

Наряду с общими принципами эксплуатации каждая из промышленных типов аккумуляторных батарей имеет определённые эксплуатационные особенности. Свинцово-кислотные батареи необходимо хранить в заряженном состоянии для избежания суль-фатации пластин. По мере понижения уровня электролита его необходимо поддерживать, доливая дистиллированную воду. Если произошла механическая утечка электролита, то только в этом случае необходима корректировка кислотой. Плотность электролита в заряженном состоянии для ТБЭ на базе СКА составляет 1,28 г/см3. Необходимо отметить, что в случае заниженной плотности электролита батарея отдаёт меньшую ёмкость. Превышение плотности (более 1,32 г/см3) приводит к резкому сокращению срока службы аккумулятора. Если ТБЭ эксплуатировалась не интенсивно, то рекомендуется один раз в месяц давать цикл заряда и один раз в три месяца цикл глубокого разряда и полного заряда. Основными причинами ограничения срока службы являются короткие замыкания и сульфатация. Устранение коротких замыканий возможно в условиях специальных мастерских. Для устранения сульфатации необходимо сменить электролит на дистиллированную воду и заряжать ТБЭ силой тока, в четыре раза меньшей номинальной.

Перечень требований при эксплуатации ТБЭ на базе никель-железных батарей в общем соответствует таковому на базе кислотных аккумуляторов. Необходимо периодически (не реже одного раза в месяц) осуществлять проведение усиленных зарядов и регулярную доливку воды по мере её расходования. Специфичным является карбонизация электролита в результате взаимодействия углекислого газа воздуха со щёлочью. Для устранения этого явления необходимо не реже одного раза в год проводить смену электролита. Состав электролита для повышенных температур (25-40 °С) – натриевая щеёлочь у – 1,20 г/см3 с добавкой 10-15 г/л LiOH. Для температур от 25 до -20 °С применяется калиевый электролит плотностью 1,25 г/см3.

Длительно хранить ТБЭ лучше без электролита. Для этого их разряжают, сливают электролит и закрывают пробками.

При эксплуатации железо-никелевой батареи для электромобиля необходимо так или иначе идентифицировать момент окончания заряда, поскольку систематические перезаряды приводят к разогревам и потере ёмкости положительным электродом. Идентификация с помощью уровня напряжения довольно затруднительна, поскольку при этом используются высоковольтные батареи с большим количеством аккумуляторов. Целесообразно использовать упомянутый датчик полной заряженности, реагирующий на интенсивность выделения кислорода.

При эксплуатации никель-цинковых батарей, также применяемых в электромобиле, требуется особенная аккуратность, поскольку такие явления как перезаряд и перегрев приводят к разрушению плёночной сепарации и к коротким замыканиям. Перед началом заряда батарею рекомендуется разрядить из расчета 1,2 В на аккумулятор. Температура электролита при заряде не должна превышать 40-45 °С. Идентифицировать момент окончания заряда можно по вскипанию или повышению температуры электролита.

Отрицательный электрод никель-цинковой батареи работает в условиях систематических перезарядов. Это связано с ростом токовой доли выделения кислорода на окисно-никелевом электроде по мере увеличения степени заряженности. Вместе с тем исчерпание концентрации цинкат-ионов в электролите (как упоминалось) приводит к дендритообразованию. Для восстановления концентрации цинкат-ионов рекомендуется проводить глубокий доразряд отрицательного электрода путём поэлементного шунтирования аккумуляторов в батарее. В этом случае растворение цинка происходит без наложения внешнего напряжения за счёт более высокого катодного потенциала цинкового электрода в сравнении с водородным с сопряжённой реакцией выделения водорода на разряженном оксидно-никелевом электроде.

Приведённый анализ состояния разработки тяговых батарей для электромобиля позволяет сделать определённые выводы

Проблема оказалась гораздо сложнее, чем предполагалось на начальных этапах разработки. Это подтверждается тем, что пятнадцатилетние усилия по созданию топливных элементов, натрий-серных батарей не завершились промышленным выпуском ХИТ этого типа для электромобиля.

Наиболее обнадёживающие успехи достигнуты в области создания никель-железного аккумулятора; тем не менее потребуются большие усилия для снижения стоимости и организации теплового режима работы батареи, совместимого с большим сроком службы.

Топливные элементы являются слишком сложными, дорогостоящими и малоресурсными системами для массового производства применительно к электромобилю. Определённые перспективы открываются с появлением металло-водородных аккумуляторов. Их применение в электромобиле будет зависеть от разработки экономичного бесплатинового водородного электрода или (если иметь в виду свинцово-водородный аккумулятор) от разработки водородного электрода с содержанием платины 0,05-0,1 мг/см3.

Натрий-серный аккумулятор должен пройти еще определённый этап технологической доработки, касающейся увеличения ресурса сепаратора, удешевления конструкционных материалов и рационализации схем эксплуатации.

В табл. 2.7 обобщены показатели рассматриваемых электрических аккумуляторов и приведены данные об основных технологических проблемах, сдерживающих использование аккумуляторов в электромобиле.

Таблица 2.7. Сравнительные характеристики промышленных и разрабатываемых ХИТ для электромобиля