С целью проверки эффективности работы электронного сепаратора нами были спроектированы и изготовлены зарядно-разрядные стенды максимальной мощностью 500 Вт и 6 кВт. С их помощью исследованы разрядные характеристики нескольких типов свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов, а также двойнослойных и гибридных суперконденсаторов.
Первый из стендов предназначен для разрядки испытуемого химического источника тока через электронный сепаратор (ЭС) и имеет следующие характеристики:
- максимальная мощность нагрузки в кратковременном / долговременном режиме – 500 Вт / 350 Вт;
- диапазон входного напряжения 7.5-15 В;
- диапазон выходного напряжения ЭС 7.8-12 В;
- максимальный рабочий ток 37 А;
- габариты и масса 215×150×110 мм, 1 кг.
Выходное напряжение ЭС стабилизировано. Ток через исследуемый химический источник тока измеряется с помощью прецизионного датчика Холла. Для измерения тока нагрузки предназначен низкоомный токовый шунт (0.75 мОм), напряжение на котором измеряется аналоговым или цифровым милливольтметром. В качестве нагрузки используются мощные проволочные резисторы или лампы накаливания.
Второй стенд был спроектирован для испытаний высоковольтных суперконденсаторов и аккумуляторных батарей и имеет следующие характеристики:
- максимальная мощность нагрузки в кратковременном / долговременном режиме – 3 кВт / 6 кВт;
- диапазон входного напряжения 95-400 В;
- диапазон выходного напряжения ЭС 90-220 В;
- максимальный рабочий ток 24 А;
- габариты и масса 62×57×42 см, 30 кг.
Функционально стенд включает в себя сетевой источник питания зарядного устройства, зарядное устройство, 4 параллельно включённых модуля электронных сепараторов, микроконтроллерный модуль управления, 4 выходных электронных ключа с независимым управлением и устройства коммутации. Он обеспечивает разрядку химических источников тока через электронные сепараторы либо непосредственно на нагрузку, а также зарядку (обычную, убывающим постоянным током, или с помощью электронного сепаратора) химических источников тока. В качестве нагрузки используются термоэлементы мощностью 1-1.5кВт.
Всё электропитание стендов (за исключением зарядного устройства) осуществляется непосредственно от испытуемого источника тока, поэтому их к.п.д. даже при максимальной мощности нагрузки оказывается довольно низок – 85% для стенда мощностью 500 Вт и 92% для стенда мощностью 6 кВт. На минимальной мощности нагрузки к.п.д. падает до 78-80%.
При разрядке ХИТ обычным (без электронного сепаратора) способом нагрузка подключается либо через электронные ключи (для стенда мощностью 6 кВт), либо непосредственно к выводам ХИТ через механический контактор. В качестве нагрузки, в зависимости от требуемой мощности, используются термоэлементы, мощные проволочные резисторы, лампы накаливания или автомобильные преобразователи DC/AC (инверторы).
Поскольку напряжение на выходе спроектированных нами опытных образцов электронного сепаратора стабилизировано, разрядка испытуемого химического источника тока через электронный сепаратор осуществляется в режиме постоянной мощности. Между тем, приведённые в паспортных данных аккумуляторов разрядные кривые получены, как правило, в гальваностатическом режиме (разрядки постоянным током). Поэтому для получения сопоставимых между собой результатов нами применяется следующая методика: в режиме разрядки ХИТ через электронный сепаратор измеряются не только постоянное выходное напряжение и ток нагрузки, но и падающее напряжение непосредственно на выводах испытуемого ХИТ и ток через него. Эти величины, отслеживаемые в течение всего времени разрядки с помощью цифрового осциллографа Tektronix TDS 1012 (в режиме самописца) или usb-самописца Velleman PCSU1000, в дальнейшем обрабатываются соответствующими компьютерными программами. Аналогичным образом, измеряются напряжение и ток ХИТ и при его разрядке в обход электронного сепаратора. Таким образом, можно с высокой степенью достоверности рассчитать энергию, снимаемую с химического источника тока при его разрядке как через электронный сепаратор, так и без него. Общая погрешность измерений не превышает 2-3%.
Поскольку на энергетические характеристики аккумуляторов различных типов существенное влияние оказывает рабочая температура аккумулятора, этот параметр необходимо постоянно контролировать (для этого нами используются цифровые мультиметры с термопарными датчиками). Данные, полученные в результате сравнительных испытаний по разрядке ХИТ двумя вышеописанными способами, корректируются с учётом температурных коэффициентов.
Сравнительные испытания по разрядке литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов осуществляются с использованием электронной нагрузки Актаком ATH-8301. Данный прибор обеспечивает постоянную мощность или ток нагрузки, что позволяет разряжать аккумулятор в одинаковых условиях как через электронный сепаратор, так и без него. Эффективность работы электронного сепаратора проявляется в большем времени разрядки до заданного напряжения. Для контроля напряжений и токов используется прецизионный цифровой мультиметр Fluke 187.
В настоящее время разработано и проходит испытания в электрохимической лаборатории компании «СВЭЛ энержи» устройство эффективной зарядки аккумуляторов («СВЭЛ-УЭЗ»), реализующее алгоритм снижения поляризационной составляющей внутреннего сопротивления химического источника тока. Его использование позволяет заряжать аккумуляторы быстрее и до большей емкости, чем в обычном режиме. Зарядка аккумуляторов с водным электролитом (например, свинцово-кислотных) может осуществляться пониженным напряжением, благодаря чему удаётся практически исключить газообразование в процессе зарядки. Макетный экземпляр устройства имеет максимальную зарядную мощность 200 Вт и к.п.д. 90-98%.
English
Русский
