Сегодня в качестве накопителей электрической энергии чаще всего используются химические источники тока (ХИТ), к которым относятся аккумуляторы и суперконденсаторы различных типов. Область применения аккумуляторов очень широка – это автомобили и мобильные телефоны, видеокамеры и фотоаппараты, промышленные и бытовые системы бесперебойного и резервного электропитания, и многое другое. Надёжность работы и массо-габаритные характеристики всей этой техники напрямую зависят от эффективности использования ХИТ, поэтому её повышение представляется важной и актуальной задачей.
Компания ООО «СВЭЛ энержи» в течение длительного времени занимается исследованиями, направленными на повышение эффективности работы химических источников тока. Нами разработан алгоритм уменьшения внутреннего сопротивления ХИТ в процессе их заряда или разряда и получен обширный экспериментальный материал, подтверждающий перспективность применения данного алгоритма в системах с накопителями энергии.
Внутреннее сопротивление химического источника тока представляет собой сумму активного (омического) сопротивления и так называемого поляризационного сопротивления, связанного с протеканием сложных электродных реакций. Величина омического сопротивления аккумулятора определяется его конструкцией и не может быть снижена; поляризационная составляющая, напротив, может быть уменьшена практически до нуля непосредственно в ходе разряда или заряда. Мы экспериментально доказали, что путём подбора соответствующих параметров разрядных токов и напряжений химические и электрические процессы в химическом источнике тока можно «разделить» («разнести» по времени друг относительно друга). Благодаря этому, достигаются следующие результаты:
- снижаются тепловые потери при заряде и разряде аккумулятора;
- появляется возможность быстро заряжать аккумулятор большим зарядным током;
- существенно увеличивается количество энергии, отдаваемой при разряде;
- уменьшается начальное падение выходного напряжения аккумулятора при больших разрядных токах и появляется возможность более эффективного преобразования отдаваемой энергии; таким образом, время поддержания заданной выходной мощности может быть увеличено в 1.5 и более раз;
- при работе аккумуляторов в циклическом режиме увеличивается их ресурс.
- кроме того, с учётом повышения к.п.д. ХИТ, снижения начального «провала» выходного напряжения и тепловых потерь, появляется возможность заряжать аккумулятор до меньшего напряжения (при сохранении заданных энергетических характеристик). Это позволяет предотвратить газообразование (процесс, ограничивающий эффективность использования никель-кадмиевых и других аккумуляторов с водным электролитом) и тем самым существенно увеличить срок эксплуатации аккумуляторов и исключить необходимость их обслуживания.
Нами были проведены испытания следующих химических источников тока:
- никель-кадмиевых аккумуляторов (используются на железнодорожном транспорте, в авиации);
- никель-цинковых аккумуляторов (используются в телерадиоаппаратуре, электромобилях, аэрокосмической технике, подводных аппаратах для буксировки водолазов, поиска и разработки полезных ископаемых в прибрежных шельфах и т.п.);
- никель-железных аккумуляторов (используются в электрокарах, а также в ветровых электроэнергетических установках);
- свинцово-кислотных аккумуляторов (используются в автомобилях, на железнодорожном транспорте, в средствах связи, системах бесперебойного электропитания);
- литий-ионных аккумуляторов (используются в мобильных телефонах, радиотелефонах, портативных радиостанциях, фотоаппаратуре, портативных компьютерах, медицинской технике, контрольно-измерительных приборах, системах аварийного освещения, счетчиках электрической и тепловой энергии);
- двойнослойных и гибридных суперконденсаторов (используются в железнодорожном и автомобильном транспорте).
Исследования проводились с использованием зарядно-разрядных стендов, обеспечивающих напряжение и мощность 14В/0.5кВт и 400В/6кВт. Они спроектированы на основе специального электронного устройства – сепаратора СВЭЛ-ЭС, которое практически реализует разработанный нами алгоритм снижения поляризационной составляющей внутреннего сопротивления химического источника тока.
Во всех случаях эффективность работы ХИТ существенно улучшилась. Испытания, проведённые при разряде свинцово-кислотных аккумуляторов током в диапазоне 0.25–12С на постоянное сопротивление и постоянную мощность нагрузки, показали, что время разряда аккумулятора с использованием электронного сепаратора увеличивается в 1.5–2 раза. Для литий-ионных аккумуляторов при токах разряда 1–2С увеличение составляет около 30%.
Таким образом, использование электронного сепаратора «СВЭЛ-ЭС» позволяет реализовать следующие возможности:
- уменьшить массу и габариты аккумуляторной батареи в 1.5 и более раз (при сохранении заданных энергетических характеристик);
- увеличить время поддержания заданных напряжения и мощности при разряде аккумулятора в 1.3 – 2 раза, в зависимости от типа аккумулятора и разрядного тока;
- обеспечить надежность работы аккумулятора в условиях как повышенных, так и пониженных температур;
- значительно увеличить ресурс (количество циклов заряда/разряда) аккумулятора;
- упростить обслуживание аккумулятора (для обслуживаемых аккумуляторов) или полностью исключить этот процесс.
English
Русский
