«НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЗАРЯДА НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ПЕРЕМЕННЫМ АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ ...»

На правах рукописи

Сметанкин Георгий Павлович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ЗАРЯДА НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ПЕРЕМЕННЫМ АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ

Специальность 02.00.05 —Электрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Саратов-2013 2

Работа выполнена в ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и проектноконструкторский институт электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»).

Научный консультант: Сербиновский Михаил Юрьевич доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кедринский Илья-Май Анатольевич доктор химических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», профессор кафедры физической и аналитической химии Финаёнов Александр Иванович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры технологии электрохимических производств, Энгельсского технологического института (филиала) СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Галушкин Николай Ефимович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», профессор кафедры радиоэлектронных систем Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) ДГТУ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского»

Защита диссертации состоится 20 декабря 2013 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Автореферат разослан _ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В. В. Ефанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. ХИТ являются основными источниками автономной энергии современных технических устройств самого разного назначения. Поиск и анализ новых систем для аккумулирования и хранения электрической энергии не ослабевают во всём мире, а в последнее время особенно интенсивно развиваются исследования традиционных ХИТ, среди которых щелочные аккумуляторы занимают одно из ведущих мест. Это определяется тем, что благодаря высоким эксплуатационным характеристикам, безопасности, надежности, простоте обслуживания, длительной сохранности энергии, возможности разряда форсированными режимами, безотказной работе в широком диапазоне климатических условий и способности выдерживать высокие механические нагрузки этот тип автономных источников тока незаменим во многих электротехнических устройствах, особенно в авиации, космосе, специальной технике. Значение щелочных аккумуляторов оценивается очень высоко, несмотря на прогресс в технологии свинцовых аккумуляторов и появлении энергоёмких литиевых источников тока.

Поэтому весьма актуальны исследования, направленные на повышение эффективного использования активных материалов никель-кадмиевых аккумуляторов (НКА) и батарей (НКБ), улучшение их потребительских свойств, повышение надежности щелочных аккумуляторов и продление их срока службы. Одним из эффективных путей в решении этих проблем является использование нестационарных режимов заряда.

В настоящее время накоплен значительный опыт исследований по использованию асимметричного переменного тока с целью интенсификации процесса заряда щелочных аккумуляторов. Проведены исследования поведения электродов щелочных аккумуляторов при поляризации переменным асимметричным током в достаточно широких диапазонах изменения его параметров. Доказаны перспективность и преимущества использования асимметричного переменного тока для интенсификации электрохимических процессов в оксидно-никелевом электроде (ОНЭ) по сравнению с постоянным током. Так, значительный вклад в изучение нестационарных режимов работы щелочных аккумуляторов внесли научные исследования, выполненные в ЮРГТУ (НПИ) под руководством д.т.н., профессора Ф.И. Кукоза и д.т.н., профессора Ю.Д. Кудрявцева. Результаты этих работ послужили основой для проведения исследований по выявлению закономерностей влияния параметров асимметричного переменного тока на электродные процессы. А также оптимизации этих параметров с целью снижения влияния факторов, ограничивающих интенсификацию электродных процессов при заряде НКА, разработку эффективных, реализуемых для промышленного применения технологий формирования, заряда и восстановления емкости НКА и батарей, проведения оптимизации режимов технологических процессов и создание автоматизированного оборудования для реализации этих технологий в производстве.

Разработка научно обоснованных технологий и автоматизированного оборудования соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (Энергоэффективность и энергосбережение) и перечню критических технологий Российской Федерации (Технологии создания энергосберегающих систем использования энергии).

Все вышесказанное свидетельствует об актуальности и значимости научных работ данного направления, а также позволяет сформулировать цель и задачи исследования.

Целью данной работы была разработка научных основ технологий и принципов создания автоматизированного оборудования интенсивного заряда, формирования и восстановления ёмкости НКА и реализация в виде автоматизированных технологий и созданного специального оборудования, на базе результатов исследования процессов, протекающих на ОНЭ при нестационарном электролизе под воздействием переменного асимметричного тока.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1 Обобщение и классификация результатов научных исследований и научно-технической информации о процессах в НКА в условиях заряда переменным асимметричным током, о имитационных моделях для исследования пористых электродов и формах переменного тока, его параметрах и их влиянии на электродные процессы.

2 Установление закономерностей поведения пористого электрода при изменении параметров асимметричного тока (частоты, коэффициента заполнения, отношения амплитуд разрядного и зарядного импульсов). Для исследования распределения тока по глубине поры при его поляризации переменным асимметричным током была разработана имитационная модель поры ОНЭ.

3 Установление закономерностей протекания электродных процессов, определяемых конструкцией и назначением реальных НКА и батарей. В зависимости от параметров асимметричного тока: частоты, коэффициента заполнения, отношения амплитуд разрядного и зарядного импульсов, определение их влияния на поляризацию электродов аккумуляторов, газовыделение, эффективность заряда.

4 Разработка научно обоснованного комплекса критериев, характеризующих состояние аккумуляторных батарей в процессе ускоренного заряда НКА асимметричным током, и алгоритмов их использования.

5 Разработка автоматизированных технологий и оборудования ускоренного формирования, восстановления ёмкости и заряда щелочных НКА и батарей, использующих разработанные алгоритмы выявления критериев в реальном масштабе времени.

6 Оценка влияния условий эксплуатации и интенсивных режимов заряда и восстановления ёмкости на технико-эксплуатационные характеристики аккумуляторных батарей широкой номенклатуры в режиме наработки на срок службы.

7 Технико-экономическая оценка разработанных технологий формирования, восстановления емкости и заряда асимметричным током щелочных аккумуляторных батарей и автоматизированного оборудования, реализующих режимы заряда переменным асимметричным током.

Достоверность полученных результатов, обоснованность сформулированных в диссертации научных положений и выводов базируются на применении:

- комплекса современных независимых химических, физикохимических и физических методов исследования, методов физического и математического моделирования, в том числе методов теории электрических цепей, теории автоматического управления;

- методов статистической обработки экспериментальных данных, корректностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований;

- фундаментальных физических и физико-химических законов;

- аналитических методов обработки данных экспериментальных исследований, полученных ЗАО «НИИХИТ-2», Заводом «АИТ», ЗАО «ОЗ НИИХИТ», ОАО «ВЭлНИИ», 16ЦНИИИ и другими организациями при стендовых испытаниях и в условиях эксплуатации, согласованием результатов и теоретических положений;

- поверенных приборов и инструмента при проведении экспериментов.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1 Имитационная модель поры ОНЭ, для которой впервые разработана принципиально новая моделирующая схема, позволившая исследовать распределение электрохимических процессов в поре ОНЭ при прохождении асимметричного тока, путем варьирования параметров элементов последовательно соединённых ячеек, дающая возможность использовать в ходе исследования прикладные программы, предназначенные для анализа работы электрических схем.

2 Комплекс критериев, характеризующих состояние НКА и НКБ, в том числе герметичных, при интенсивном заряде переменным асимметричным током и алгоритмы их применения для окончания заряда.

3 Энергосберегающие и ресурсосберегающие автоматизированные технологии интенсивного формирования, восстановления ёмкости НКА асимметричным током.

4 Энергосберегающие и ресурсосберегающие автоматизированные технологии эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, в том числе герметичных, при интенсивном заряде асимметричным током без предварительного полного разряда.

5 Принципы разработки и созданное оригинальное специальное оборудование заряда НКА и батарей различных типов и номиналов, реализующее разработанные энергосберегающие и ресурсосберегающие автоматизированные технологии, в том числе, с автоматическим определением типа заряжаемой батареи и проведением соответствующего данной батарее заряда (автоматический выбор режима заряда и критериев окончания заряда), с рекуперацией разрядного импульса, передающие энергию разрядного импульса в зарядную цепь и использующие ее для создания тока заряда.

6 Разработанные классификации нестационарных процессов в НКА, критериев оценки состояния аккумуляторов (батарей) в ходе заряда и его окончания, способов их реализации.

Научная новизна. Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в том, что впервые:

1 Для исследования электрохимических процессов, проходящих в пористом электроде при прохождении переменного асимметричного тока, разработана модель поры оксидно-никелевого электрода (ОНЭ), в которой применена принципиально новая оригинальная схема, позволившая моделировать прохождение переменного асимметричного тока в зависимости от его параметров (скважности, частоты, отношения амплитуды катодного импульса к амплитуде анодного импульса).

2 Разработаны научные основы заряда переменным асимметричным током со стабилизацией амплитуд анодного и катодного импульсов.

3 Предложены и обоснованы комплексы критериев окончания заряда, в отличие от ранее известных, алгоритм выбора критерия на основании автоматического анализа напряжения аккумулятора (батареи) во время заряда.

4 Научно обоснованы параметры асимметричного тока заряда на основании их влияния на макрокинетику электродных процессов.

5 Разработаны научные положения по использованию переменного асимметричного тока в автоматизированных технологиях заряда, формирования и восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов, совокупность которых можно квалифицировать как научно обоснованные технологические решения.

6 Впервые разработаны классификации нестационарных процессов в НКА, критериев состояния аккумуляторов (батарей) в ходе заряда и способов их реализации для его окончания.

Практическая значимость и реализация результатов заключается в следующем:

1 Разработаны принципы создания оптимальных конструкций автоматизированного оборудования ускоренного формирования, заряда и восстановления ёмкости.

2 Разработаны автоматизированные технологии ускоренного формирования, заряда и восстановления ёмкости, реализованные для различных типов и типоразмеров аккумуляторных батарей (АБ). Получено шесть патентов на технологические решения, реализованные в разработанных устройствах заряда аккумуляторных батарей.

3 Определены оптимальные параметры процесса формирования и восстановления ёмкости при минимальном количестве циклов заряда/разряда, в отличие от известных способов, результат достигнут без увеличения плотности зарядного тока.

4 Предложены конкретные параметры асимметричного тока для АБ в зависимости от типа электродов (металлокерамических, прессованных и ламельных) и типа и типоразмера аккумуляторов и батарей.

5 Спроектирован, изготовлен и апробирован аппаратно-программный измерительный комплекс (АПК), позволяющий в процессе заряда/разряда аккумуляторной батареи в автоматическом режиме фиксировать информацию. По ходу записи длительных процессов АПК позволяет в заданные моменты времени фиксировать «кадры» с более высоким разрешением.

6 Спроектирован, изготовлен и апробирован стенд, сохраняющий в памяти информацию о количестве циклов заряда/разряда, времени и условии окончания заряда, времени разряда для автоматического циклирования по заданной программе аккумуляторов (батарей) в непрерывном режиме.

7 Разработано специальное автоматизированное оборудование, реализующее технологии ускоренного заряда, формирования и восстановления ёмкости и соответствующее критериям оптимальности конструкции. Приоритет технических и технологических решений подтвержден одним авторским свидетельством на изобретение и 28 патентами на изобретения.

8 Впервые разработано энергосберегающее специальное оборудование формирования асимметричного тока с рекуперацией разрядного импульса.

9 Разработано, изготовлено и эксплуатируется зарядное оборудование, реализующее, способы автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током:

- устройства с питанием от сети переменного тока:

а) зарядные установки с гальванической развязкой от сети, для заряда асимметричным током и разряда постоянным током (а.с. № 1742940) (для батарей шахтных электровозов (НЭВЗ г. Новочеркасск) и электровозных батарей 42НК-125 (депо ст. Каменоломни));

б) зарядные установки без гальванической развязки, с параметрическим способом задания режима асимметричного тока в диапазоне от 0,5 до 6А в качестве ограничителя тока выступает конденсатор, величина ёмкости определяет величину тока заряда (проводились испытания герметичных аккумуляторных батарей на ресурс на заводе АИТ г. Саратов, ВНИИС г. Воронеж, 16ЦНИИИ г. Москва, ОАО «ВЭлНИИ»

г. Новочеркасск);

в) автоматизированная зарядно-разрядная станция САЗР-4,5-380/100УХЛ4-202 (эксплуатируется в депо ст. Самара Куйбышевской железной дороги и депо ст. Россошь Юго-Восточной железной дороги);

- устройства с питанием от сети постоянного тока:

а) блоки зарядные БЗ-281 и БЗ-282 для одновременного заряда пяти и четырёх АБ, для устройств ускоренного заряда УУЗ-1 и УУЗ-2 соответственно (выпущена промышленная опытная партия);

б) автоматизированная исследовательская установка ФАТ-1800 с программно устанавливаемыми стабилизированными амплитудами анодного и катодного импульсов и программно задаваемыми в широком диапазоне коэффициентами заполнения для исследовательских работ по созданию покрытий с новыми свойствами (технологический институт ЮФУ).

Приоритет технических и технологических решений, использованных при создании устройств, подтвержден одним авторским свидетельством на изобретение и 28 патентами на изобретения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции (Набережные Челны, 1996 г.); на научных семинарах в ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск); а также ежегодных научно-технических конференциях ОАО ВЭлНИИ (г. Новочеркасск, 1991-2000 гг.); на научно-практической конференции ШИ ЮРГТУ (НПИ) (г. Шахты, 2005 г.); на Международной научно-технической конференции «Проблемы трибоэлектрохимии» ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск, 2006 г); на научно-практической конференции «Транспорт-2006» в РГУПС (РИИЖТ) (г. Ростов-на-Дону, 2006 г.); на научной конференции в Восточно-украинском национальном университете (г. Луганск, 2006 г.);

на постоянно действующих научных семинарах «Трибоэлектрохимия»

ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2007 г); на Международной научнопрактической конференции «Транспорт-2013» в РГУПС (РИИЖТ) (г. Ростов-на-Дону, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание работы

отражено в 70 научных публикациях, в том числе 21 научной статье, опубликованной в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, одном авторском свидетельстве на изобретение и 28 патентах на изобретения.

Личный вклад автора. Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, заключается в обосновании и постановке задач исследования, участии во всех этапах экспериментальных и опытно-конструкторских разработок, статистической обработке и интерпретации результатов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит: из введения, восьми глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Текст диссертации изложен на 384 стр., содержит 67 рисунков, 21 таблицу и 8 приложений. Список литературы включает 294 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цель и задачи проводимых исследований, обозначена научная новизна и указана практическая ценность работы.

В первой главе приведен обзор научных трудов и научно-технической информации по формированию, восстановлению емкости и заряду щелочных НКА.

Обзор публикаций и результаты проведенных исследований автора показали необходимость и целесообразность создания новых технологий и оборудования, ускоренного формирования и восстановления емкости НКА. Перспективность применения для этих целей асимметричного тока известна. За последние несколько десятилетий предложено большое количество разнообразных методов и режимов формирования и восстановления емкости с применением асимметричного тока, которые не доведены до уровня технологий.

Широкое внедрение нием асимметричного формирования и восстановтока в значительной ления НКА и НКБ Разработка новой модели поры ОНЭ степени сдерживалось сов, недостаточной для реализации заданных изученностью процес- исследования при нестационарном Исследование законоэлектролизе, так и рования и восстановления мерностей заряда, формисложностью техниче- НКА и НКБ асимметричным током использования неста- териев оценки состояния ционарных процессов, применяемых при заСоздание специальных автомаряде и формировании Технологии интен- тизированных стендов для реааккумуляторов, была сивного заряда, форми- лизации заданных параметров разработана классифи- ния НКА и НКБ асимспециального оборудования в которую включена разработанная в ходе Рис. 1. Взаимосвязь частей исследования данного исследования группа процессов. Классификация включает однополярные и переменно токовые импульсные процессы с синусоидальными или несинусоидальными импульсами тока. Синусоидальные импульсные циклы разделены по коэффициенту заполнения, выделен комбинированный процесс, имеющий составляющую постоянного тока с наложением на него синусоидальных импульсов. Несинусоидальные процессы разделены на процессы с гальваностатическими и негальваностатическими импульсами. Более подробно классификация изложена в диссертации.

На основе изучения работ, в которых обсуждались: вопросы макрокинетики в пористом электроде; факторы, ограничивающие интенсификацию процессов формирования и восстановления емкости; формирование фазового состава оксидно-никелевого электрода; влияние изменений кристаллической структуры гидроксида никеля на кинетику электродных процессов; взаимосвязь процессов, происходящих в ОНЭ с поляризацией асимметричным током, были выявлены факторы, ограничивающие процесс интенсификации заряда ПЭ, к которым можно отнести: электродные перенапряжения; газовыделение; диффузионные затруднения в глубину поры; окисление никелевой МК основы пористого ОНЭ. Из публикаций известно, что обратный импульс асимметричного тока способствует десорбции катиона щелочи из гидроксида никеля, увеличению содержания молекул свободной воды в кристаллической структуре гидроксида никеля и росту скорости переноса протона в твердой фазе, что, в конечном итоге, приводит к увеличению скорости катодных процессов в ОНЭ. Известен способ окисления никелевой МК основы пористого ОНЭ для получения активной массы в порах электрода. Следовательно, катодный импульс большой амплитуды и достаточный по времени может приводить к окислению основы МК ОНЭ. Ввиду того, что катионы калия адсорбируются преимущественно в поверхностных слоях гидроксида никеля, для разряда поверхности электрода катодный импульс может быть достаточно коротким. На основании этих рассуждений сделан вывод, что сокращение длительности катодного импульса способствует снижению вероятности возникновения коррозии никелевой основы пористой матрицы ОНЭ, а анализ работ по ускоренному заряду щелочных аккумуляторов асимметричным током показал, что короткого разрядного импульса достаточно для существенного снижения концентрационной и поляризационной составляющих в пористом электроде и следовательно, способствует равномерному распределению электрохимических процессов по толщине электрода.

На основании изучения литературных источников и проведенных предварительных исследований было установлено, что весь большой объём экспериментальных материалов по использованию переменного асимметричного тока для изучения макрокинетики процессов преобразования активной массы пористых электродов практически не поддаётся обобщению. В большинстве случаев: 1) описывается полученный эффект, и не описаны форма и параметры асимметричного тока; 2) описывается форма тока, но не приводятся результаты систематических исследований; 3) форма тока представляет усреднение той, что сформирована применяемым устройством (прибором или стендом), т.е. можно говорить только о наличии анодного и катодного импульсов и усреднённых значениях параметров асимметричного тока. Из научно-технической литературы известно, что исследователи и разработчики достигали сокращения времени формирования в основном за счет увеличения плотности асимметричного тока. При этом амплитудные значения импульсов асимметричного тока значительно превышают среднее значение тока. В некоторых работах рекомендуемое отношение амплитуд разрядного и зарядного импульсов достигает 27. Это значительно повышает омические потери в аккумуляторе, приводит к перегреву аккумуляторов. Такой подход непродуктивен с точки зрения физических и электрохимических аспектов процесса заряда и с точки зрения возможности технической реализации предлагаемых режимов.

На основе анализа существующей научно-технической информации и результатов собственных исследований было принято решение разработать научные основы интенсификации процессов заряда, формирования и восстановления ёмкости НКА и батарей при средних плотностях асимметричного тока, близких к рекомендованным для этих целей при постоянном токе, т.к.

для аккумуляторов открытого типа токи формирования и заряда достаточно высокие – от 0,25 до 0,5 Сном и дальнейшее их увеличение связано с увеличением потерь при протекании тока (омических) и большими затратами на увеличение мощности зарядного оборудования (ток возрастает линейно, мощность в квадрате). Для герметичных АБ ток формирования выбирается в этом же диапазоне.

Во второй главе описаны результаты исследований закономерностей влияния параметров асимметричного тока на распределение тока в глубину пористого электрода и оптимизация этих параметров с целью равномерного его распределения по толщине электрода. Показано, что предложенные ранее импедансные модели не полностью отражают физико-химические процессы, происходящие в пористом электроде. В связи с этим предложена принципиально новая имитационная модель поры ОНЭ, в которую наряду с традиционными, введены нелинейные элементы, позволяющие зарядные и разрядные токи направлять по разным цепям схемы имитационной модели, что даёт возможность учесть особенности протекания зарядных и разрядных электрохимических реакций в поре ОНЭ. Доказана правомерность применения такой модели при изучении процессов, происходящих на пористом электроде в растворе электролита при прохождении асимметричного тока. Дальнейшие исследования проведены на разработанной имитационной модели поры.

Разработанная имитационная модель поры – замещающая электрическая схема, позволяющая использовать для исследования пакеты прикладных программ. Использовался пакет прикладных программ Micro Cap 7.0.

Изменяя параметры замещающей электрической цепи, моделировали изменение сечения поры (проводимости раствора электролита в поре), количество активной массы на данном участке, т.е. изменения в поре и на её поверхности, соответственно, по глубине электрода. Можно моделировать прохождение асимметричного тока в глубину поры в зависимости от его параметров, задавая параметры зарядного тока в виде параметров входного сигнала, имитационной модели поры.

На основании анализа научной и технической информации, приведенного в главе 1, и анализа результатов собственных исследований, для изучения влияния асимметричного тока на макрокинетику процессов электрохимического преобразования активной массы пористых электродов была выбрана за основу форма асимметричного тока с прямоугольными разнополярными импульсами тока, стабилизированной амплитуды с двумя паузами в промежутках времени между окончанием анодного импульса и началом катодного импульса (tп+) и между окончанием катодного импульса и началом анодного импульса (tп–). В исследованиях паузы одинаковые и равны 2 мс.

Величина пауз выбрана на основании анализа литературных источников и длительности переходных процессов при интенсивном заряде асимметричным током, при этом учитывалась максимальная длительность переходных процессов. Также величина пауз определяется завершением коммутационных помех в силовой цепи при прерывании тока и временем, необходимым для измерения напряжения аккумулятора (батареи) в интервале паузы тока. Выбранная величина пауз минимально достаточна для завершения переходных процессов в электроде и оборудовании и практически не увеличивает длительность технологического цикла. Применение данной формы тока основано на том, что импульсы тока стабилизированной амплитуды создают гальваностатический режим протекания тока через электрохимическую систему в каждом интервале асимметричного тока. Такие параметры источника асимметричного тока необходимы для получения стабильных, воспроизводимых результатов на разных по ёмкости и типу аккумуляторах.

Электродные перенапряжения за один период асимметричного тока практически не меняются. Но в процессе протекания зарядного тока происходит изменение степени окисленности ОНЭ или изменяются условия протекания тока (например, газовыделение) что отражается на электродных перенапряжениях, которые измеряются и фиксируются. По математическим характеристикам изменений электродных перенапряжений во времени или достижения ими определённых абсолютных величин можно сделать вывод о характере произошедших изменений в электрохимической системе, завершении одних и появлении других электрохимических процессов. Причем, завершение одного процесса и появление другого происходят плавно, и характеризуются изменением электродных потенциалов.

Задающий генератор в модели формирует прямоугольные разнополярные импульсы тока заданной амплитуды с двумя паузами в промежутках времени между окончанием анодного импульса и началом катодного импульса и между окончанием катодного импульса и началом анодного импульса.

Генератор Рис. 2 Имитационная модель поры ОНЭ:

А1 – единичный модуль схемы замещения элементарного участка поры;

C1 – электрохимическая емкость элемента поры;

R1 – сопротивление саморазряда;

C2, R2 – моделируют переход ионов гидроксила из адсорбированного состояния в связанное в составе гидроксидов;

R3, VT1, VT2 - моделируют нелинейную составляющую сопротивления активации основной токообразующей реакции;

R4R7 – сопротивление транспорту ионов в глубь поры Схема имитационной модели поры ОНЭ приведена на рисунке 2. Модель представляет собой параллельно соединённые схемы замещения элементарных участков поры. Глубина поры определяется по току, протекающему по единичному модулю А4. Коэффициент проникновения тока в глубину поры вычислялся как: К=Ig / I0 100, где Ig – ток, протекающий через модуль А4; I0 – полный ток заряда. Настройка и проверка модели на постоянном токе описаны в диссертации.

Исследования проводили следующим образом: фиксировали частоту (f) и коэффициент заполнения катодного импульса (D–), с определённым шагом меняли отношение амплитуд катодного импульса к анодному импульсу. Получали зависимость тока в глубине поры от отношения амплитуд. Таким же образом, фиксируя две величины и изменяя третью, получили зависимости доли тока в глубине поры от коэффициента заполнения и частоты. За несколько итераций получили представленные результаты.

Результаты исследования распределения тока в поре с равномерным распределением активной массы и неизменного сечения позволили сделать следующие выводы. Доля глубинного тока растет по мере увеличения отношения n = Iк/Iа амплитуд катодного (Iк) и анодного (Iа) импульсов асимметричного тока (рис. 3).

Зависимость величины тока в глубине поры от частоты асимметричного тока имеет экстремальный характер, максимум соответствует диапазону частот 5-15 Гц, но в диапазоне частот 320 Гц наблюдаются значения K, близкие к наилучшим, т.е. соответствующие наилучшему распределению зарядного тока (рис. 4). При снижении частоты тока распределение зарядного тока по глубине закономерно приближается к распределению для постоянного тока, при увеличении частоты процесс заряда постепенно «выталкивается» на поверхность электрода. При f = 95-100 Гц доля тока в глубине электрода не превышает 10%.

Рис. 3 Зависимость доли глубинного тока от отношения амплитуд катодного и анодного токов Увеличение зарядного тока закономерно уменьшает долю тока в глубине электрода, что объясняется ростом ограничений диффузионного характера по мере возрастания тока заряда (рис. 5). Увеличение отношения n =Iк/Iа способствует более равномерному распределению тока по глубине электрода, поэтому для более полной проработки электрода n должно быть в диапазоне от 3 до 5.

Увеличение коэффициента заполнения D- катодного импульса положительно влияет на распределение тока по глубине электрода, однако, зависимости носят характер насыщения, и при значениях D->0,04 доля тока в глубине электрода практически не растет (рис. 6).

Таким образом, проведенные исследования имитационной модели поры ОНЭ позволили выявить диапазоны оптимального изменения параметров асимметричного тока заряда для максимального снижения влияния факторов, ограничивающих интенсификацию электрохимических процессов преобразования активной массы пористых электродов, что выражается в наиболее равномерном распределении тока по глубине электрода: n =3–5, f=4–10 Гц, Dtп+= tп–=2мс.

ток; 2-Iк/Ia= 3; 3- Iк/Ia= 4; 4- Iк/Ia= Установленные диапазоны параметров асимметричного тока хорошо согласуются с результатами, полученными автором при исследовании физических макетов НКА с целью определения оптимальных режимов ускоренного заряда асимметричным током.

В третьей главе диапазоны параметров асимметричного тока, определённые в главе 2, рассмотрены с точки зрения их технической реализации, определены и обоснованы критерии оптимальности параметров режима асимметричного тока. Для выбора технически реализуемых оптимальных параметров режима асимметричного тока были получены зависимости токов от различных параметров режима асимметричного тока, в пределах ного тока описывается следующими мате- Рис. 7Форма асимметричного тока с обозначением матическими выражениями:

где: f – частота асимметричного тока, T t t tп tп – период асимметричного тока; t+ и t- - длительности зарядного и разрядного импульсов соответственно; t п t п 2 мc – длительность интервалов отсутствия тока;

где D и D – коэффициенты заполнения зарядного и разрядного импульсов, соответственно; I + и I – - амплитуды токов зарядного и разрядного импульсов, соответственно; Q+ и Q - - заряд, проходящий через аккумулятор в зарядный и разрядный интервалы асимметричного тока, соответственно.

Величины среднего и полного зарядного тока равны соответственно:

На рис. 8, 9 и 10 представлены взаимные зависимости параметров асимметричного тока, отраженные в данных формулах. Алгоритм построения зависимостей следующий: 1) задается величина среднего тока заряда Iср, например, Iср = 1 A, и паузы при переходе от зарядного тока к разрядному tп+ и от разрядного тока к зарядному tп- (tп+ = tп- = 2 мc); 2) строятся завиРис. 8 Зависимости токов от отношения амплитуд Рис. 9 Зависимости токов от частоты асимметтоков Iразр / Iзар при f =const, D- =const: ричного тока при n=const, D- =const:

Рис. 10 Зависимости токов от скважности разрядноОптимальность разрабатываго импульса при n=const, f =const:

определяется: a) минимизацией потерь в силовой схеме; б) использованием рекуперации энергии разрядного импульса (возвращение энергии разрядного импульса в цепь заряда); в) использованием минимальной номенклатуры силовых приборов.

Схемотехнические решения, в которых силовые электронные приборы работают в ключевом режиме, обеспечивают минимальные потери при преобразовании энергии. Более подробно это описано в диссертации.

В зарядном оборудовании формирования асимметричного тока, разработанном автором и защищённом патентами, используются схемы с рекуперацией разрядного импульса. При разряде аккумуляторной батареи энергия разрядного импульса преобразуется в заряд входной ёмкости фильтра, которая разряжается при переходе к зарядному интервалу асимметричного тока.

На входе зарядного устройства установлен диод, который защищает источник питания от обратного тока при рекуперации.

Для биполярных транзисторов разница между номинальным и максимальным значениями рабочего тока составляет от 3 до 5 раз, при условии, что превышать максимальное значение тока недопустимо. При использовании в качестве силовых приборов биполярных транзисторов (в том числе IGBT) оптимально реализуемое отношение n = 3, при этом отношении амплитуды разрядного импульса к амплитуде зарядного импульса один и тот же тип силового прибора, используемый для создания тока заряда и тока разряда, будет загружен оптимально: в зарядной цепи током, соответствующим номинальной загрузке, в разрядной цепи током, соответствующим максимальной загрузке.

Для полевых (MOS) транзисторов основными характеристиками являются омическое сопротивление канала и возможность отвода тепла от корпуса, т.е. тепловое сопротивление корпуса.

Для асимметричного тока (рис. 7), энергию зарядного и разрядного импульсов выделяемую на полевом транзисторе можно представить в виде:

где r – внутреннее сопротивление полевого (MOSFET) транзистора.

Мощность зарядного и разрядного импульсов равна:

Отношение мощности зарядного импульса к мощности разрядного импульса в соответствии с формулами (2), (3) и (4) равно:

для выбранных соотношений параметров (представленных на рисунке 7) получаем:

Расчет по формуле (9) показывает, что параметры асимметричного тока (n =3; Т=250 мc; D-=0,04; tп+ = tп- = 2 мc) соответствуют диапазонам, определенным в главе 2 и реализуемы с минимальными энергетическими потерями.

При любых изменениях параметров в определенных в главе 2 диапазонах возрастает значение полного тока в соответствии с вышеприведенными зависимостями (рис. 8, 9 и 10), растёт относительная мощность разрядного импульса в соответствии с (9), что требует использования в разрядной цепи более мощного прибора для реализации одной и той же средней величины асимметричного тока заряда.

Анализ технических проблем, возникающих при разработке устройств заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, показал, что:

повышение частоты асимметричного тока, увеличение отношения амплитуд катодного и анодного импульсов, увеличение коэффициента заполнения катодного импульса приводят к росту амплитудных значений анодного тока для поддержания заданной величины среднего тока заряда, что повышает затраты энергии на реализацию режима и стоимость зарядного устройства.

В соответствии с вышеизложенным, оптимальным, с точки зрения эффективности электрохимических процессов и технической реализации с помощью автоматизированных устройств, из диапазонов параметров асимметричного тока, определённых в главе 2, является режим асимметричного тока с параметрами: f = 4 Гц; n = I–/I+ = 3; D- = 0,04; tп+ = tп- = 2 мc. Асимметричный ток с выбранными в этом разделе параметрами проходил испытания на широкой номенклатуре аккумуляторов (батарей) разных типов и технологий изготовления.

Во втором разделе представлены методики его исследований, описаны стенды, на которых проводились исследования форсированного заряда, формирования и восстановления ёмкости. Представлены основные результаты формирования ёмкости макетов НКА емкостью 0,5 Ач (ячеек), НКА емкостью 20Ач и макетов аккумуляторов НКПлГЦ-0,5 с тонкими прессованными С/Cном Рис. 11 Изменение разрядной емкости в процессе формирования аккумуляторов НКПлГЦ-0,5 постоСПП-10СГ, с встроенными:

янным током, группа 1 и асимметричным током цинковым электродом сравнения, термодатчиком и газоотводом для измерения объема выделившегося газа.

Сравнительные испытания режимов формирования емкости проводились на макетах никель-кадмиевых аккумуляторов НКПлГЦ-0,5 с тонкими прессованными электродами, номинальной емкостью 0,5 А·ч. Макеты аккумуляторов были разбиты на три группы по пять аккумуляторов. Первую группу заряжали постоянным током 0,05 А, эквивалентным 0,1Сном.

Вторую группу формировали асимметричным током, с параметрами:

f=4 Гц; n =Iк/Iа=3; D-=0,04; tп+ = tп- = 2 мc. Форма асимметричного тока третьей группы имела параметры: f=4 Гц; n =Iк/Iа=1/27; D-=0,8; tп+ = tп- = 2 мc.

В таблице 1 представлены значения токов и параметров первого (в верхней строке) и последующих циклов формирования макетов аккумуляторов НКПлГЦ-0,5 групп №2 и №3.

Таблица Значения средних, полных, амплитудных токов заряда и разряда испытываемых режимов асимметричного тока Группы акк-ров Аккумуляторы разряжали постоянным током 0,1 А, эквивалентным 0,2Сном, до напряжения 1В. Всего было проведено 6 циклов формирования.

На рис.11 представлены усредненные кривые изменения емкости при формировании аккумуляторов НКПлГЦ-0,5.

Полученные результаты подтвердили преимущества асимметричного тока. Наиболее эффективным оказался режим формирования второй группы аккумуляторов, позволивший при повышении среднего зарядного тока в 1, раза в первом цикле, и в 2,9 раза в последующих, и снижении общего времени формирования более чем в два раза, повысить отдаваемую емкость НКА на 14 % по сравнению с формированием аккумуляторов постоянным током.

Таким образом, выбранные в данной работе параметры асимметричного тока позволяют значительно снизить амплитуды импульсов тока, по сравнению с ранее предложенными параметрами асимметричного тока при лучших результатах.

При сравнении двух форм асимметричного тока видно, что амплитуда зарядного импульса формы тока третьей группы более чем в 5 раз превышает амплитуду зарядного импульса формы тока второй группы, что приводит к большим омическим потерям при протекании тока, а также способствует росту электродных перенапряжений, которые создают условия выделения газа, всё это снижает эффективность зарядного импульса тока большой амплитуды. Применение короткого разрядного импульса позволяет значительно уменьшить амплитуду зарядного импульса при тех же средних значениях тока. Это позволяет проводить заряд при более низких перенапряжениях на электродах. Установлено, что реализация выбранных формы и параметров асимметричного тока значительно уменьшает омические потери и удешевляет зарядные устройства.

В таблице 2 представлена программа формирования емкости аккумуляторных ячеек.

Таблица Программа формирования ёмкости макетов НКА (ячеек) и результаты испытаний Номер Затененные ячейки таблицы соответствуют циклам заряда постоянным током Формирование емкости ячеек групп №1 и №6 проводили постоянным током, ток заряда Iзар=0,25 А (0,5Cном). Ячейки групп №2, №3, №4 и №5 формировали асимметричным током, ток заряда Iзар. ср =0,25 А (0,5Cном). Зарядный ток одинаков, отличаются сообщаемые ёмкости в цикле и количество циклов формирования. Ячейки групп №1 и №2 формировали в соответствии с технологической программой, рекомендованной заводом-изготовителем для формирования постоянным током. Ячейки групп №5 и №6 формировали по одинаковым программам для сравнения интенсивности формирования разным родом тока. При заряде измеряли объем выделившегося газа, напряжение и температуру ячеек, потенциалы электродов. Материалы и их обсуждение представлены в диссертации Разряд проводили постоянным током Iразр=0,1 А до напряжения Uразр=1 В. На рис. 12 представлены соотношения затрат времени, энергии и полученные ёмкости при формировании ячеек групп №1-№6. Наименьшие относительные затраты и наибольший эффект формирования получен для ячеек групп №4, №5 и №6, которым соответствует длительный заряд на первом цикле (С=3; 4,5; 4,5Сном) соответственно: асимметричный ток заряда для ячеек групп № 4 и №5 и постоянный ток заряда для ячеек группы № 6. Изменение разрядной емкости по циклам формирования ячеек групп №1-№4 отражено на рис. 13. Отдаваемая емкость ячеек групп №5 и №6 не менялась уже после первого цикла формирования и составила 1,22Сном для ячеек группы №5 и 1,16Сном для ячеек группы №6. Ёмкость ячеек группы №4 не менялась после второго цикла формирования и составила 1,22Сном.

При формировании разрядная Рис. 12 Сравнительные данные формирования ячеек:

емкость ячеек группы №1 – №3 мед- 2 - отношение энергии;

ленно нарастала до окончания фор- 3 - относительная ёмкость мирования на 10, 9 и 8-м циклах соответственно.

При этом отдаваемая емкость ячеек групп №4 и №5 после завершения программы формирования на 15% выше по сравнению с ёмкостью ячеек группы №1. Это подтверждает эффективность выбранной формы и параметров асимметричного тока формирования.

Рис. 13 Изменение разрядной емкости при формировании аккумуляторных ячеек:

1 – постоянный ток, ячейки группы №1;

2 – асимметричный ток, ячейки группы №2;

3 – асимметричный ток, ячейки группы №3;

4 – асимметричный ток, ячейки группы № При формировании минимальный нагрев ячеек наблюдался в первом цикле. В последующих циклах степень нагрева возрастала с каждым последующим циклом, интенсивность нагрева ячеек резко повышалась с началом газообразования. Этот результат явился основанием к исследованию увеличения длительности заряда в первом цикле формирования. Из публикаций известно, что зарядная реакция в никель-кадмиевом аккумуляторе идёт с поглощением тепла (эндотермически), но при интенсивных зарядах это не явно выражено, т.к. поглощение тепла компенсируется выделением тепла за счёт протекания больших токов. При формировании аккумулятора на первом цикле происходит интенсивное преобразование всей активной массы электродов и эффект эндотермической реакции выражен наиболее сильно, что позволяет проводить длительные заряды для формирования без кондиционирования батарей в первом цикле.

При интенсификации формирования путем повышения сообщаемой емкости в первом цикле для ячеек групп №4, №5 и №6 требуемая суммарная сообщаемая зарядная ёмкость снизилась более чем в 2 раза.

Анализ публикаций, касающихся макрокинетики процессов, и результаты наших исследований показывают, что в условиях интенсивного газовыделения, в большей степени проявляющегося при поляризации электродов постоянным током, в пористом электроде происходят флуктуации плотности тока по поверхности электрода, связанные с неравномерностью газообразования и газоотведения из пор ОНЭ, что ведет к неравномерному распределению процесса заряда по глубине поры, а более высокая поляризация электрода приводит к повышенным энергозатратам. В данном случае пониженный разогрев и газообразование в первом цикле способствуют интенсификации формирования ОНЭ путем повышения сообщаемой емкости в первом цикле. Это в какой-то мере объясняет результаты формирования ячеек группы №6 постоянным током.

Интенсивное газовыделение отрицательно сказывается на качестве формирования емкости НКА, особенно, имеющих прессованные электроды, так как вызывает отслоение активной массы от токопроводящей решетки и приводит к потере емкости электродов. Для визуального контроля процесса формирования прессованного кадмиевого электрода были собраны две группы ячеек. Кадмиевые электроды находились в свободном объеме электролита, что способствовало визуализации процесса формирования активной массы. С двух сторон на расстоянии 20 мм были установлены противоэлектроды из гладкого никеля. Первая группа формировалась постоянным током, а вторая группа – асимметричным током с параметрами f=4 Гц, n =Iк/Iа=3, D-=0,04, tп+ = tп- = 2 мc. Исследовалось поведение кадмиевого прессованного электрода при длительных перезарядах постоянным и асимметричным током, режимами, аналогичными формированию в первом цикле. Токи заряда Iпост = Iас = 0,56Сном и Сзар = 5,6Сном.

Процесс формирования кадмиевого электрода проходит при интенсивном выделении водорода. В результате формирования постоянным током поверхность кадмиевых электродов покрылась многочисленными вздутиями, интенсивность отслоений уменьшалась от периферии к центру. Газовыделение было в виде пузырьков разного размера, одни вырастали на поверхности электрода, рост до отрыва проходил постепенно, другие, большие по размеру, как бы вырывались из глубины, резко увеличивались в размерах и затем отрывались от места образования. Это можно объяснить тем, что выделение водорода происходит как на кадмии, так и на никелевой подложке прессованного кадмиевого электрода. Интенсивность этого процесса достаточно высока, а восстановленный металлический кадмий имеет недостаточную пористость для беспрепятственного пропускания такого объёма газа, и образовавшийся газ отрывает его от подложки, образуя пузырь, а дальше в слабом месте он разрывается и газ под давлением выходит наружу. При формировании кадмиевых электродов асимметричным током существенно отличается характер газообразования, газ на поверхности кадмиевого электрода начал появляться после сообщения ему 1,4 Сном в виде молочного тумана вокруг электрода и интенсивность его росла до окончания эксперимента. Мелкие пузырьки без видимого укрупнения и вспенивания электролита выходили на поверхность, вздутий и отслоений на поверхности электрода не наблюдалось. Фотографии электродов после испытаний представлены на рис.14.

электродов, соответственно, позволили инРис.14 Фотографии кадмиевых электродов после сообщения ёмкости асимметричным током;

б) электрод после формирования показывает, что аккумулятор, сформированный при длительных перезарядах постоянным током, при эксплуатации не в полной мере будет соответствовать своим техническим характеристикам, коробление и отслоение активной массы на кадмиевом электроде может привести к повреждению сепарации и корпуса аккумулятора.

Далее представлены сравнительные испытания режимов формирования емкости постоянным и асимметричным токами (f=4 Гц, n =Iк/Iа=3, D-=0,05, tп+ = tп- = 2 мc), которые проводились на никель-кадмиевых аккумуляторах номинальной емкостью 20 А·ч. В табл. 3 представлены программы формирования групп аккумуляторов и результаты испытаний.

Таблица 3.

Программа формирования аккумуляторов емкостью 20Ач и результаты испытаний Количество акНомер группы кумуляторов Номер цикла Затененные ячейки таблицы соответствуют циклам заряда постоянным током Общие затраты – зарядная емкость за период формирования эквивалентна затраченной энергии. Отношение энергий к базовому варианту – это показатель эффективности способа заряда с точки зрения энергоемкости процесса. На рис. 15 представлены соотношение затрат времени и энергии при формировании аккумуляторов групп №1-№5 и полученные в результате формирования относительные ёмкости. Наименьшие относительные затраты и наибольший эффект формирования получен для аккумуляторов группы №5, которой соответствуют асимметричный ток и длительный заряд на первом цикле (С=4,5Сном).

Результаты по циклам формирования для групп аккумуляторов емкостью 20Ач приведены на рис. 16. Полученные данные хорошо согласуются с результатами формирования емкости аккумуляторных ячеек. При увеличении длительности заряда в первых циклах также сократилось необходимое число циклов формирования емкости, и увеличилась отдаваемая емкость.

Однако для аккумуляторов емкостью 20Ач при формировании группы №5 (табл. 3) потребовалось провести три цикла, тогда как для формирования ячеек группы №5 (табл. 2), при сообщении в первом цикле формирования тех же 4,5Сном, потребовался всего один цикл.

Удельные отдаваемые емкости аккумуляторов емкостью 20Ач соответствовали результатам полученным при формировании аккумуляторных ячеек.

Таким образом, результаты, полученные при исследовании аккумуляторных ячеек, подтверждены результатами, полученными при исследовании реальных аккумуляторов.

Рис. 15 Сравнительные данные формирования аккумуляторов НКМ 20: Рис.16 Изменение разрядной емкости 1 - отношение времени;

3 - относительная ёмкость Если рассматривать общее вре- 2 – асимметричный ток гр. мя, затрачиваемое на формирование 4 - асимметричный ток гр. для аккумуляторов и ячеек, то оно 5 - асимметричный ток гр. складывается из времени заряда, разряда и времени технологических пауз, необходимых для «отгазовки», величина которых задаётся производителем в диапазоне от 24 до 36 часов. Рекомендованные режимы сокращают количество циклов формирования, в результате общее время формирования емкости для аккумуляторов емкостью 20Ач снижено примерно в три раза по сравнению с существующим режимом формирования.

Разработанные способы формирования емкости герметичных и закрытых НКА защищены патентами.

Применение асимметричного тока при формировании обеспечивает равномерное распределение фазовой структуры по объему ОНЭ, благодаря чему не возникает дополнительных механических напряжений в электродах и деформации корпуса аккумуляторов.

Четвертая глава посвящена разработке технологии восстановления ёмкости аккумуляторных батарей и включает два раздела: восстановление ёмкости открытых батарей 42НК-125 и восстановление ёмкости герметичных батарей 10НКГЦ-1,8-1.

Эксплуатация никель-кадмиевых аккумуляторных батарей на железнодорожном транспорте, в соответствии с регламентом технического обслуживания электровоза, требует проведения переподготовки АБ каждые шесть месяцев. Переподготовка АБ включает в себя смену электролита (с зимнего на летний или наоборот) и восстановление ёмкости аккумуляторной батареи 42НК-125, эксплуатируемой в буферном режиме. Отметим, что эксплуатация АБ в буферном режиме по природе электродных процессов аналогична хранению аккумуляторов в заряженном состоянии. Так как по условиям эксплуатации необходимо поддержание АБ в полностью заряженном состоянии, поэтому бортовое зарядное устройство производит заряд батареи при постоянном напряжении (спадающим током) с коррекцией напряжения в зависимости от температуры окружающей среды. Из литературных источников, приведенных в главе 1, известно, что при таких режимах заряда аккумулятор (батарея) теряет до 30% своей ёмкости за счёт пассивации нециклируемой активной массы. Для восстановления емкости после смены электролита в депо, согласно принятому регламенту, проводят четыре формировочных цикла заряда и разряда постоянным током при сообщении батарее на каждом цикле 3Сном.

Для проведения работ в локомотивных депо по вводу в эксплуатацию никель-кадмиевых батарей 42НК-125 разработаны технология восстановления емкости и автоматизированная станция САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202, позволяющая проводить восстановление емкости батарей асимметричным током в автоматизированном режиме. В результате исследований выбраны следующие параметры тока: f=4 Гц, n =Iк/Iа=3, D-=0,08, tп+ = tп- = 2 мc, отличающиеся от выбранных ранее увеличенным в два раза коэффициентом заполнения.

Это связано с тем, что электроды аккумуляторов НК-125 ламельной конструкции, т.е. активная масса заключена в перфорированную металлическую оболочку и доступ к ней затруднён. При малых значениях коэффициента заполнения, часть катодного импульса большой амплитуды шунтируется ламелью. Его становится недостаточно, чтобы обеспечить необходимую степень воздействия на поверхностный слой активной массы, для равномерного распределения зарядной реакции в глубину электрода. Увеличение коэффициента заполнения в два раза дало необходимый результат, подтверждённый испытаниями и многолетней эксплуатацией режима, реализованного в САЗРУХЛ-202.

По результатам десятилетней работы станции САЗР-4,5-380/100-УХЛкоторая эксплуатируется в локомотивном депо ст. Самара Куйбышевской железной дороги, получены следующие результаты: сокращено время восстановления емкости никель-кадмиевых батарей 42НК-125 более чем в раза по сравнению с принятыми режимами восстановления постоянным током; количество циклов технологической тренировки сокращено с 34 до 12; снижено газовыделение, соответственно, отсутствует выплескивание электролита; ускоренное восстановление асимметричным током не ухудшило технико-эксплуатационные показатели батарей.

Модернизированная станция введена в эксплуатацию в депо ст. Россошь Юго-Восточной железной дороги. Станция включает устройство разряда и позволяет полностью автоматизировать процесс формирования ёмкости АБ. Станция рекомендована к расширенному внедрению в локомотивные депо по итогам конференции «Транспорт-2006» в РГУПС (РИЖТ).

Разработка технологии восстановления емкости герметичных никелькадмиевых аккумуляторных батарей с прессованными электродами 10НКГЦ-1,8- после 10 лет ответственного хранения проведена по заданию 16ЦНИИИ.

Хранение в течение 10 лет осуществлялось в отапливаемом помещении в упаковке завода-изготовителя со смазанными консервирующей смазкой токоотводами. Состояние заряженС/Cном Рис. 17 Изменение емкости батарей 10НКГЦдостижение граничного напряжепри восстановлении:

определён асимметричный ток с параметрами f=4 Гц, n =Iк/Iа=3, D-=0,04, tп+ = tп- = 2 мc и величиной 0,3 Сном. Восстановление ёмкости проводили на автоматизированном стенде с автоматическим отключением заряда по уровню граничного напряжения. Результаты исследования показали, что при восстановлении емкости батарей 10НКГЦ-1,8-1 асимметричным током для полного формирования батарей до номинальной емкости потребуется 34 цикла.

Для восстановления емкости батарей из этой же партии постоянным током необходимо не менее восьми циклов. Отметим, что около 20% батарей постоянным током не восстанавливались и выходили на уровень номинальной емкости только после проведения циклов асимметричным током. Результаты восстановлении емкости батарей 10НКГЦ-1,8-1 представлены на рис. 17.

Технологии и оборудование формирования и восстановления емкости герметичных и открытых НКА защищены четырьмя и тремя патентами соответственно.

Восстановление ёмкости аккумуляторов переменным асимметричным током позволяет сократить время восстановления в два и более раз, как за счёт увеличения тока заряда, так и за счёт сокращения количества циклов, необходимых для формирования, а также применять автоматизированные технологии восстановления ёмкости.

Пятая глава посвящена исследованию поведения щелочных аккумуляторных батарей различных типов при ускоренных зарядах постоянным и асимметричным токами.

На основе анализа публикаций, патентной информации и результатов собственных исследований были разработаны и реализованы режимы асимметричного тока для ускоренного заряда герметичных щелочных НКА. Базой анализа в основном служили работы д.т.н. Ф.И. Кукоза, д.т.н. Ю.Д. Кудрявцева, д.т.н. Н.Е. Галушкина, к.т.н. В.Г. Сушко и некоторые другие.

На основе анализа сравнительных исследований применения переменного асимметричного и постоянного токов заряда для макетов НКА и НКА и батарей разных типов, номиналов и технологий изготовления установлено, что применение асимметричного тока повышает эффективность технологических операций заряда, формирования и восстановления ёмкости по сравнению с постоянным током.

В первом разделе изложена методика сравнительных исследований поведения аккумуляторных батарей при номинальных режимах заряда постоянным током 0,1 Сном. и ускоренных режимах асимметричного тока 0,8-1,2 Сном..

Во втором разделе проведен сравнительный анализ влияния номинального режима заряда постоянным током и ускоренного режима заряда асимметричным током на энергетические показатели аккумуляторных батарей.

Исследования проводили на герметичных аккумуляторных батареях 10НКГЦ-1,8-1 и 10НКГЦ-0,9.

В ходе исследования автоматически записывали изменение напряжения на аккумуляторе в процессе заряда и разряда. Аккумуляторные батареи отключались от цепей заряда по достижении на клеммах батареи величины напряжения, определенной ТУ или инструкцией по эксплуатации данной батареи. Сравнивали затраты энергии на заряд и разряд. Функции, описывающие соответствующие зарядные и разрядные характеристики, получены с помощью программного обеспечения, предназначенного для обработки экспериментальных данных с целью получения их математического описания.

Затраты энергии на заряд аккумуляторов и энергию их разряда, вычисляли как определенные интегралы зарядных и разрядных характеристик батарей на соответствующих временных диапазонах.

Для батареи 10НКГЦ-1,8-1 энергозатраты при заряде постоянным током составили на один цикл Eзп=32,52 Втч, в то время как при заряде асимметричным током Eза=25,76 Втч (снижение на 26%). При разряде батареи после заряда постоянным и асимметричным токами энергоотдача составила, соответственно, Eрп=19,11 Вт·ч и Eра=21,04 Вт·ч (увеличение на 10%). Отдача батареи по энергии при заряде постоянным током составила 58,8%, а при заряде асимметричным током - 81,7%. Таким образом, при использовании режимов заряда асимметричным током энергетические показатели аккумуляторной батареи 10НКГЦ-1,8-1 повышаются почти на 23% по сравнению с режимом номинального заряда постоянным током.

Для батареи 10НКГЦ-0,9 энергозатраты при заряде постоянным током составили Eзп=17,43 Втч, в то время как при заряде асимметричным током Eза=14,87 Втч (снижение на 17%). Энергоотдача при разряде составила Eрп=11,16 Втч после заряда постоянным током и Eра=11,53 Втч после заряда асимметричным, т.е. отдача увеличилась на 5%. Относительная отдача батареи по энергии при заряде постоянным током составляет 64%, при заряде асимметричным током - 77,5%. Таким образом, при использовании режимов заряда асимметричным током абсолютные и относительные энергетические показатели аккумуляторной батареи 10НКГЦ-0,9 повышаются на 13,5% по сравнению с режимом номинального заряда постоянным током, при сокращении времени заряда в несколько раз.

В третьем разделе рассмотрены критерии, характеризующие состояние аккумуляторной батареи в процессе заряда. Проведены классификации критериев состояния аккумуляторов (батарей) и окончания их заряда, а также способов реализации этих критериев. Показано, что состояние аккумуляторов в ходе заряда оценивают с помощью изменений электрических (напряжение и ток) и неэлектрических (длительность заряда, давление газа в корпусе, температура, масса (вес)) величин. При этом окончание заряда может определяться одним критерием - достижением отдельным параметром заданной величины или заданной величины изменения параметра, либо, окончание заряда может определяться комплексом критериев, применяемых по определенному алгоритму.

Применяемые критерии и алгоритм окончания заряда определяют способы их реализации. Поэтому классификация способов оценки состояния аккумулятора или батареи и окончания заряда в целом соответствует классификации критериев окончания заряда. Отличия классификации определяются техническими решениями, реализующими данный критерий или последовательное применение выбранных критериев. Подробно классификации описаны в диссертации.

Обобщенный вид кривых изменения напряжения на аккумуляторной батарее при заряде постоянным и асимметричным токами представлен на рис. и 19. На основании анализа экспериментальных данных предложены критерии окончания заряда.

Напряжение ограничения, данное в ТУ для герметичных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, соответствует напряжению под током, когда Рис. 18 Изменения напряжения акку- Рис. напряжения на аккуРис. 19 Изменения большая часть тока заряда расходуется на выделение газа, поэтому оно было принято за критерий окончания заряда аккумулятора. Способ заряда асимметричным током с автоматическим выключением тока заряда при достижении на полюсах батареи заданного уровня напряжения показал свою пригодность только для исправных батарей. Как показали расширенные исследования, для создания технологии автоматизированного ускоренного заряда одного этого критерия недостаточно, необходимо не только с высокой надежностью определять заряженное состояние аккумуляторной батареи, но и диагностировать ее исправное состояние, а также в реальном масштабе времени осуществлять управление процессом заряда. Для осуществления этих целей необходимы критерии, отражающие общие для всех типов НКА процессы, происходящие в ходе заряда. В результате обработки экспериментальных данных установлено, что основной характеристикой, по которой можно судить о качестве процесса заряда, являются параметры изменения напряжения на аккумуляторе (батарее) при заряде, то есть не сами абсолютные величины напряжения в процессе заряда, которые для разных типов аккумуляторов и при разных плотностях зарядных токов имеют достаточно широкий разброс значений (от 1,35 до 1,65В при С0,5Сном на аккумулятор), а характеристики, полученные в результате анализа изменений напряжения на аккумуляторе, позволяющие судить о ходе процесса, в том числе, о смене электрохимического процесса. В качестве таких характеристик предложено использовать первую и вторую производные функции напряжения по времени. Использование для анализа второй производной от напряжения по времени позволяет определить момент изменения вогнутости/выпуклости на зарядной кривой, который дает возможность судить о завершении преобразования активной массы ОНЭ в высшие оксиды и переключении значительной доли зарядного тока на электролиз воды. Обобщенный вид кривых изменения напряжения на аккумуляторной батарее при заряде постоянным и асимметричным токами представлен на рис. 20 и 21. На рисунках видно, что при заряде асимметричным током использование предложенных критериев более очевидно, и с высокой степенью надежности определяется окончание заряда для аккумуляторных батарей с неопределенной степенью разряженности. На основе сиdU/dt Uкон Рис. 20 Изменения напряжения акку- Рис. 21 Изменения напряжения на аккумуляторной батареи при раз- муляторной батарее при разной ной исходной степени разря- исходной степени разряженности стематизации и анализа зависимостей напряжения на аккумуляторах при заряде, было предложено и обосновано использование комплекса следующих критериев контроля состояния аккумуляторной батареи или аккумулятора для завершения их заряда: а) уровень напряжения на клеммах аккумуляторной батареи (аккумулятора) и достижение заданного напряжения (U=Ulim); б) первую производную напряжения и появление её отрицательного значения (dU/dt Umin Запуск зарядного устройства критериев –dU/dt и смены знака Рис. 22 Алгоритм работы устройства ускоренного заряда асимметричным током Выбранные критерии и алгоритм послужили основой разработанной и апробированной на производстве технологии автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током аккумуляторных батарей широкой номенклатуры, в том числе герметичных.

Шестая глава посвящена исследованию технико-эксплуатационных характеристик герметичных щелочных НКА и аккумуляторных батарей при ускоренных режимах заряда асимметричным током.

В первом разделе приведен сравнительный анализ полученных экспериментальных данных, по исследованию основных эксплуатационных характеристик герметичных НКА при ускоренном заряде постоянным и асимметричным током и, соответственно, влиянию интенсификации заряда на технико-эксплуатационные характеристики аккумуляторов и батарей. Исследовали герметичные аккумуляторные батареи в диапазоне ёмкостей от 0,5 до 6,0 Ач.

личества циклов при: постоянном токе заряда 6 А (2); среднем значении асимметричного асимметричным током.

На рис. 23 представлены зависимости разрядной ёмкости аккумуляторной батареи 10НКГЦ-1,8-1 от количества зарядно-разрядных циклов при различных токах заряда. Кривые 2 и 3 соответствуют 20-минутным режимам заряда постоянным и асимметричным токами. При заряде постоянным током после шестого цикла емкость, отдаваемая батареей, становилась меньше установленной ТУ граничной ёмкости (0,6Сном). В то же время при ускоренном заряде асимметричным током количество зарядно-разрядных циклов составляло 50. Таким образом, сверхкороткие режимы заряда асимметричным током дают 8-кратное увеличение ресурса при ускоренном заряде. При полуторачасовом режиме заряда асимметричным током (Iзар. ср= 1,2 А) отдаваемая ёмкость за 120 зарядно-разрядных циклов практически не изменилась и была близка к номинальной.

Во втором разделе приведены результаты испытаний батарей 10НКГЦ-1,8-1 на сохранность ёмкости при разных сроках хранения после заряда асимметричным и постоянным током. Заряд на хранение постоянным током проводился согласно ТУ током Iзар.= 0,1Сном в течение 16 часов (сообщали ёмкость 2,88 Ач), или при достижении на батарее граничного напряжения Uгр = 16 0,2 В. Заряд на хранение асимметричным током проводился током 0,7Сном на автоматизированном устройстве заряда асимметричным током с отключением при достижении на батарее граничного напряжения.

В таблице 4 представлены результаты испытаний батарей 10НКГЦ-1,8-1 при заряде асимметричным током.

Разрядные ёмкости всех батарей, заряженных асимметричным током, оказались выше значения 0,6Сном. Средняя разрядная ёмкость после хранения 30 суток составила 88,9% от Сном, после хранения 80 суток - 83,5% от Сном.

Таблица Разрядные ёмкости батарей 10НКГЦ-1,8-1 при испытаниях на сохранность ёмкости после длительного хранения (заряд асимметричным током) Серийный № Сзар, А·ч Длительность Сраз, А·ч Сраз/Сном В таблице 5 представлены результаты испытаний батарей 10НКГЦ-1,8-1 при заряде постоянным током. Здесь средняя разрядная ёмкость после хранения 30 суток составила 74,8% от Сном, после хранения суток - 66,7%.

Таблица Разрядные ёмкости батарей 10НКГЦ-1,8-1 при испытаниях на сохранность ёмкости после длительного хранения (заряд постоянным током) Серийный № Сзар, А·ч Длительность Сраз, А·ч Сраз/Сном Испытания на сохранность ёмкости после истечения 30 суток для батарей, заряженных режимом асимметричного тока, показали 19%-е преимущество перед батареями, заряженными постоянным током. При хранении батарей 80 суток наблюдалось 25%-е преимущество.

По результатам проведённых испытаний можно сделать следующие выводы:

- при ускоренном заряде асимметричным током батарея 10НКГЦ-1,8- удовлетворяет техническим условиям в отношении сохранности заряда при длительном хранении;

- показано преимущество технологии заряда асимметричным током по сравнению с зарядом постоянным током для батарей, предназначенных для длительного хранения;

- повышенная сохранность заряда у аккумуляторных батарей, заряжаемых асимметричным током, косвенно подтверждает факт формирования более равномерного по объёму электродов и более энергетически устойчивого фазового состава по сравнению с фазовым составом электродов, формируемых постоянным током, за счет снижения концентрационной и поляризационной составляющей пористых электродов аккумулятора при заряде асимметричным током.

В третьем разделе описана методика испытаний на долговечность, основанная на методике ТУ 44РК-4676561-009-94 для аккумуляторных батарей 10НКГЦ. В отличие от стандартной методики заряд проводился током 1,52 часового режима, а конечное напряжение каждого пятого разряда составляло 10,00,2В.

Представлены результаты испытаний батарей для аппаратуры средств связи различных типов и номиналов. На долговечность испытывались герметичные аккумуляторные батареи в диапазоне ёмкостей от 0,94 до 4 Ач.

Показано, что при циклировании аккумуляторов на установке автоматизированного ускоренного заряда током 1,52-часового режима, на границе ресурса аккумуляторных батарей, определённого производителем для номинального заряда постоянным током (Iзар.=0,1Сном.) в диапазоне 300–400 циклов, в зависимости от типа батареи отдаваемая ёмкость близка к Сном.

В четвёртом разделе дана математическая обработка результатов испытаний. Показано, что ресурс аккумуляторных батарей, заряжаемых на оборудовании автоматизированного ускоренного заряда током 1,52-часового режима, возрастает в 3–4 раза по сравнению с заявленным производителем для номинального заряда постоянным током.

Исследования, представленные в этой главе, подтверждают соблюдение эксплуатационных характеристик испытуемых аккумуляторных батарей при эксплуатации АБ на автоматизированном оборудовании асимметричного тока заряда, использующем комплекс критериев окончания заряда. Для герметичных батарей время заряда сокращается в несколько раз при увеличении ресурса и сохранности заряда.

Седьмая глава посвящена разработке оборудования, реализующего технологии автоматизированного интенсивного заряда, формирования и восстановления ёмкости. Описана реализация разработанных способов и режимов ускоренного заряда для аккумуляторов и батарей различной номинальной емкости и разных условий эксплуатации. Приведен краткий анализ проблем, возникающих при разработке оборудования, предназначенного для заряда щелочных аккумуляторных батарей асимметричным током.

За основу была принята идеология цифрового управления зарядным оборудованием. Использование микропроцессоров в оборудовании управления позволяет осуществлять контроль процесса заряда аккумуляторной батареи и управление параметрами режима заряда в реальном времени, а также для каждого типа батареи проводить заряд соответствующим режимом, который содержится в памяти программ микропроцессора. Опыт создания автоматизированного зарядного оборудования показал, что наиболее целесообразно создание специализированных блоков управления для оборудования ускоренного заряда асимметричным током на базе однокристальных микропроцессоров (ОМП).

Разработаны следующие типы автоматизированного зарядного оборудования: с гальванической развязкой (на базе ОМП ВЕ35, для восстановления ёмкости электровозных АБ), с параметрическим заданием режима асимметричного тока (на базе ОМП ВЕ35, для ускоренного заряда и восстановления ёмкости герметичных АБ средств связи), с питанием от сети постоянного тока (на базе ОМП I8051 и PIC), одноканальные и многоканальные с автоматическим определением типа заряжаемой батареи и проведением режима заряда, соответствующего типу батареи, с питанием от промышленной 3-фазной сети для заряда и восстановления ёмкости электровозных АБ.

В первом разделе описано оборудование с гальванической развязкой.

Оборудование, созданное на базе ОМП КР1816ВЕ35, предназначено для заряда электровозных батарей 42НК-125, ток заряда до 90А. Оборудование эксплуатируется в депо ст. Каменоломни.

Во втором разделе рассмотрено оборудование с параметрическим заданием режима асимметричного тока. Величины зарядных и разрядных токов определяются емкостью конденсаторов, включенных в соответствующие цепи, и нет необходимости в их регулировании. Оборудование реализует технологию автоматизированного заряда герметичных батарей с отключением процесса заряда при достижении напряжения на батарее граничного уровня и защищено патентами Российской Федерации № 2134476, № 2216087, № 2219638, № 2219639. Это оборудование показало достаточно высокую надежность, оно использовалось при наработке ресурса исследуемых батарей.

В третьем разделе описано зарядное оборудование с питанием от сети постоянного тока, для мобильных объектов, на базе высокочастотных ШИМпреобразователей. По заказу Министерства обороны РФ были разработаны БЗ-281 и БЗ-282 для оборудования ускоренного заряда УУЗ-1 и УУЗ-2 соответственно на пять и четыре зарядных канала. Оборудование успешно прошло квалификационные испытания, выпущена опытная промышленная партия.

Разработаны также одноканальные зарядные установки на базе ОМП модульного исполнения, программно адаптируемые для использования с любыми типами аккумуляторных батарей.

В разделе обсуждения результатов рассмотрена эффективность применения разработанных технологий и оборудования при эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей.

Представлена функциональная схема автоматической зарядноразрядной станции САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202, предназначенной для ускоренного восстановления емкости аккумуляторных батарей 42НК125. Станции эксплуатируются в депо «Самара» Куйбышевской железной дороги и депо «Россошь» Юго-Восточной железной дороги. По сравнению с промышленным зарядным оборудованием УЗА43-150-80, эксплуатируемым в настоящее время в локомотивных депо, станция САЗР-4,5-380/100-УХЛ-202 имеет в четыре раза меньший вес, на 20 % больший коэффициент полезного действия, существенно меньшие габариты. В соответствии с расчетными данными, производительность увеличена 2,4 раза, время ввода батареи в эксплуатацию уменьшилось в 2,3 раза.

Представлена функциональная схема автоматизированной исследовательской установки ФАТ-1800 с задаваемыми в широком диапазоне: стабилизированными амплитудами анодного и катодного импульсов; периодами асимметричного тока; коэффициентами заполнения анодного и катодного импульсов. Установка предназначена для исследовательских работ по созданию покрытий с новыми свойствами, анодному окислению, оксидированию, осаждению покрытий металлических и композиционных, из органических и водных суспензий, а также позволяет совмещать осаждение и окисление.

В заключение можно сказать, что всё это оборудование создавалось по мере совершенствования знаний о процессах, проходящих в аккумуляторах и АБ и по мере совершенствования аппаратуры управления (однокристальных микропроцессоров) и силовых коммутирующих приборов. Всё это продолжает развиваться. В качестве развития оборудования для общих электрохимических исследований разработана и изготовлена установка ФАТ-1800.

В восьмой главе представлена оценка экономического эффекта от внедрения станции САЗР-4,5-380/100-УХЛ4-202. При расчете экономического эффекта в качестве базы сравнения применялись показатели заменяемой зарядной станции УЗА43А-150-80. Экономическая эффективность определялась на срок службы 10 лет.

Потребление электроэнергии в разработанной зарядной станции за период ввода батареи в эксплуатацию равно 37,5 кВт·ч, что в 4,7 раза ниже показателя существующего зарядного оборудования. Применение асимметричного тока позволило сократить сообщаемую емкость при заряде с 3С ном до 1,2Сном, и количество циклов восстановления емкости с 34 до 12. Годовая экономия электроэнергии при обслуживании 97 батарей составляло 13300 кВт·ч, или 39700 руб. (на 2004 г.), что в ценах на 2012 г. составляет 61180 руб.

Интегральный эффект внедрения разработанной станции при серии из 200 шт. за срок службы составит 230,4 млн.руб. Годовой эффект из расчета на одну станцию при этом равен 153,6 тыс.руб. Срок окупаемости разработанной станции - девять месяцев.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Разработанные научные основы интенсивного заряда позволили обосновать параметры асимметричного тока заряда, формирования и восстановления ёмкости, когда интенсификация процессов осуществляется за счёт выбора параметров переменного асимметричного тока и изменения технологических параметров режима, без значительного увеличения плотности зарядного тока.

2 Разработанные классификации нестационарных процессов заряда аккумуляторов, критериев состояния аккумуляторов (батарей) в процессе заряда и его окончания позволяют облегчить подбор комплекса критериев окончания заряда для определённого типа аккумулятора или условий эксплуатации, а также алгоритмов их реализации.

3 Предложенная новая имитационная модель поры ОНЭ позволила получить распределение тока по глубине поры при прохождении асимметричного тока в зависимости от его параметров (скважности, частоты, отношения амплитуды катодного импульса к амплитуде анодного импульса), на основании которого выбраны диапазоны оптимальных параметров асимметричного тока заряда 4 Установлены закономерности поведения пористого электрода НКА при воздействии переменного асимметричного тока. Изменение параметров асимметричного тока: частоты, коэффициента заполнения, отношения амплитуд разрядного и зарядного импульсов влияет на поляризацию электродов аккумуляторов, газовыделение, эффективность заряда.

5 Используя научно обоснованные параметры асимметричного тока заряда и учитывая особенности конструкции электродов и аккумуляторов, выработаны рекомендации по выбору конкретных параметров асимметричного тока для батарей различных конструкций и типоразмеров.

6 Разработаны критерии оптимальности конструкции автоматизированного оборудования интенсивного заряда, формирования и восстановления ёмкости, которые позволяют минимизировать потери при разработке и производстве, за счёт использования минимальной номенклатуры силовых приборов для заданного диапазона токов заряда.

7 Разработанный аппаратно-программный измерительный комплекс позволяет в процессе заряда/разряда аккумуляторной батареи в автоматическом режиме фиксировать информацию, в ходе записи длительных процессов позволяет в заданные моменты времени фиксировать «кадры» с более высоким разрешением, что дает возможность визуализировать изменения электродных перенапряжений аккумулятора (батареи).

8 Разработанный стенд для автоматического циклирования аккумуляторных батарей в непрерывном режиме позволяет ускорить испытания аккумуляторов (батарей) различными режимами на ресурс и автоматизировать процесс протоколирования результатов.

9 Разработаны принципы конструирования оборудования, реализующего технологии интенсивного заряда, формирования и восстановления ёмкости и соответствующего критериям оптимальности конструкции, включающей энергосберегающую схему формирования асимметричного тока с рекуперацией разрядного импульса.

10Разработано, изготовлено и эксплуатируется зарядное оборудование реализующие способы автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током :

- устройства с питанием от сети переменного тока:

а) зарядные установки с гальванической развязкой от сети, для заряда асимметричным током и разряда постоянным током (а.с. № 1742940) (для батарей шахтных электровозов (НЭВЗ г.Новочеркасск), и электровозных батарей 42НК-125 (депо ст. Каменоломни));

б) зарядные установки без гальванической развязки, с параметрическим способом задания режима асимметричного тока в диапазоне от 0,5 до 6А в качестве ограничителя тока выступает конденсатор, величина ёмкости определяет величину тока заряда (проводились испытания герметичных аккумуляторных батарей на ресурс на заводе АИТ г. Саратов, ВНИИС г. Воронеж, 16ЦНИИИ г. Москва, ОАО «ВЭлНИИ»

г. Новочеркасск);

в) автоматизированная зарядно-разрядная станция САЗР-4,5-380/100УХЛ4-202 (эксплуатируется в депо ст. Самара Куйбышевской железной дороги и депо ст. Россошь Юго-Восточной железной дороги);

- устройства с питанием от сети постоянного тока, автоматическим определением типа заряжаемой батареи и выбором соответствующего данному типу алгоритма ускоренного заряда, реализующие технологии автоматизированного ускоренного заряда асимметричным током:

а) блоки зарядные БЗ-281 и БЗ-282 для одновременного заряда пяти и четырёх АБ одновременно, для устройств ускоренного заряда УУЗ-1 и УУЗ-2 соответственно (выпущена опытная промышленная партия);

б) разработанная автоматизированная исследовательская установка ФАТ-1800 с программно устанавливаемой частотой асимметричного тока, задаваемыми стабилизированными амплитудами анодного и катодного импульсов, и программно изменяемыми коэффициентами заполнения, предназначенная для создания и исследования покрытий с новыми свойствами, анодному окислению, оксидированию, осаждению покрытий металлических и композиционных, из органических и водных суспензий, позволяющая совмещать осаждение и окисление (технологический институт ЮФУ).

Приоритет технических решений, использованных при создании устройств, подтвержден одним авторским свидетельством на изобретение и 23 патентами на изобретения.

По теме диссертации опубликовано 70 работ, из них 21 работа в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, одно авторское свидетельство на изобретение и 28 патентов на изобретения.

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Сметанкин, Г.П. Ускоренное формирование никель-кадмиевых аккумуляторов асимметричным током / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, С.С. Матекин, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2008.- Т. 8. -№ 3. – С. 157-163.

2. Сметанкин, Г.П. Исследование эффективности заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей асимметричным и постоянным током / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, С.С. Матекин // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2008.- Т. 8. -№ 3. – С. 164-167.

3. Сметанкин, Г.П. Имитационная модель поры металлокерамического оксидноникелевого электрода / Г.П. Сметанкин, С.С. Матекин, А.С. Бурдюгов // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2009.- Т. 9. -№ 1. – С. 40-43.

4. Сметанкин, Г.П. Результаты сравнительных исследований формирования никелькадмиевых аккумуляторов постоянным и асимметричным токами / Г.П. Сметанкин, Ю.И. Объедков, С.С. Матекин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2010.- Т. 10. -№ 2. – С. 83-86.

5. Сметанкин, Г.П. Исследование восстановления емкости герметичных никелькадмиевых аккумуляторных батарей 10НКГЦ-1,8-1 / Г.П. Сметанкин, С.С. Матекин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2010.- Т. 10. С. 87-90.

6. Сметанкин, Г.П. Исследование восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторных батарей на примере батарей 42НК-125 / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2011.- Т. 11. -№ 3. – С. 164-167.

7. Сметанкин, Г.П. Исследования процесса формирования никель-кадмиевых аккумуляторов на их физических моделях / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2011.- Т. 11. -№ 4. – С. 187-192.

8. Сметанкин, Г.П. Испытания герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей на сохранность ёмкости при длительном хранении после заряда постоянным и асимметричным током / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2012.- Т. 12. -№ 1. – С. 33-35.

9. Сметанкин, Г.П. Ускоренный заряд герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей асимметричным током и его влияние на ресурс / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2012.- Т. 12. С. 25-32.

10. Сметанкин, Г.П. Исследования процесса формирования закрытых никелькадмиевых аккумуляторов с тонкими электродами / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2012.- Т. 12. -№ 2. – С. 88-96.

11. Сметанкин, Г.П. Сравнительные исследования влияния параметров асимметричного тока на процесс формирования аккумуляторов / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2012.- Т. 12. -№ 3. – С. 143-146.

12. Сметанкин, Г.П. Влияние параметров асимметричного тока на продолжительность процесса формирования никель-кадмиевых аккумуляторов / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова // Электрохимическая энергетика. – Саратов,- 2012.- Т. 12. С. 139-142.

13. Сметанкин, Г.П. Оценка возможности применения способа ускоренного заряда асимметричным током герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова, М.Ю. Сербиновский // Изв. вузов. Сев.-кав. регион. Техн.

науки. - Новочеркасск, 2012. -№ 6.- С. 35-40.

14. Сметанкин, Г.П. Исследование стабильности характеристик герметичных никелькадмиевых аккумуляторов при автоматизированном ускоренном заряде переменным током / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, Т.В. Плохова, М.Ю. Сербиновский // Вестник Саратовского гос. техн. универ. / ГОУ ВПО СГТУ. - Саратов, 2012. -№ 4.- С. 168 -174.

15. Сметанкин, Г.П. Нанесение многослойных покрытий медь-никель-серебро и серебро-никель на электрические контакты с целью экономии серебра / В.И. Балакай, Г.П. Сметанкин, Д.Б. Набиева // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ».- Новочеркасск, 2012.- №2(64).- С. 49-60.

16. Сметанкин, Г.П. Износостойкость электролитического сплава никель-бор, осаждённого из хлоридного электролита / В.И. Балакай, Г.П. Сметанкин, И.В. Балакай, Д.Б. Набиева // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ».- Новочеркасск, 2012.- №2(64).- С. 139-146.

17. Сметанкин, Г.П. Блок питания цепей управления для электровоза / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, С.С. Матекин, С.Н. Сизов // Вестник Всерос. науч.исслед. и проект.-конст. ин-та электровозостроения / ОАО «ВЭлНИИ».- Новочеркасск, 2010.- №1(59).- С. 109-115.

18. Сметанкин, Г.П. Преобразователь для питания бортовой сети электровоза / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, С.С. Матекин, Д.О. Варламов // Электроника и электрооборудование транспорта. – М., 2008. - №1. – С. 10-13.

19. Сметанкин, Г.П. DC-DC преобразователь для заряда аккумуляторных батарей / Г.П. Сметанкин, А.С. Бурдюгов, С.С. Матекин // Практическая силовая электроника. – М., 2006 - №24. – с. 49-50.

20. Сметанкин, Г.П. Компьютерное моделирование процессов в устройстве ускоренного заряда аккумуляторной батареи / Г.П. Сметанкин, Е.М. Плохов, Л.Н. Сорин, П.Г. Колпахчьян // Изв. вузов. Электромеханика. – Новочеркасск.: НПИ, – 2003. – Т. 2. – С. 50-53.

21 Сметанкин, Г.П. Статистическая оценка способа ускоренного заряда никелькадмиевых аккумуляторов / Ф.И. Кукоз, Г.П. Сметанкин, В.Г. Кобак, А.С. Бурдюгов // Изв.

вузов Электромеханика, – Новочеркасск.: НПИ, – 2001. – Т. 4-5, – С. 100-103.

22 а.с. 1742940 СССР, МПК Н 02 J 7/10. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / В.Г. Сушко, Г.П. Сметанкин, А.А. Курочка, Ю.Д. Кудрявцев (СССР). - № 4873204; заявл. 10.10.90 ; опубл. 23.06.92, Бюл. №23. – 4 с. :

ил.

23 Пат. 2134476 Российская Федерация, МПК 7 H 02 J 7/10. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сушко В.Г., Сметанкин Г.П., Соколов Э.М.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».- № 96113920; заявл. 04.07.96 ; опубл.

10.08.99, Бюл. № 22. – 5 с. : ил.

24 Пат. 2207665 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Способ автоматического ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов А.С., Коньков А.А.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос.

науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».- № 2001114542; заявл.

28.05.01 ; опубл. 27.06.03, Бюл. № 18. – 4 с. : ил.

25 Пат. 2215353 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Способ автоматического ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током и устройство для его осуществления / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов А.С., Коньков А.А.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».- № 2001108524; заявл. 30.03.01; опубл. 27.10.03, Бюл. № 30. – 7 с. : ил.

26 Пат. 2216087 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов А.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос.

науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».- № 2001108523; заявл.

30.03.01; опубл. 10.11.03, Бюл. № 31. - 6 с. : ил.

27 Пат. 2219638 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов А.С., Коньков А.А.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос.

науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».- № 2001108522; заявл.

30.03.01; опубл. 20.12.03, Бюл. № 35. - 6 с.: ил.

28 Пат. 2219639 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов А.С., Коньков А.А.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос.

науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».- № 2001108526; заявл.

30.03.01; опубл. 20.12.03, Бюл. № 35. -6 с.: ил.

29 Пат. 2265268 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов А.С., Сметанкин П.Г.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».заявл. 06.04.04; опубл. 27.11.05, Бюл. № 33. - 6 с. : ил.

30 Пат. 2267200 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов А.С., Сметанкин П.Г.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».заявл. 06.04.04; опубл. 27.12.05, Бюл. № 36. - 6 с. : ил.

31 Пат. 2267847 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов А.С., Писанова Л.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».заявл. 06.04.04; опубл. 10.01.06, Бюл. № 01. - 6 с. : ил.

32 Пат. 2267848 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов А.С., Сметанкина Н.И.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».заявл. 06.04.04; опубл. 10.01.06, Бюл. № 01. - 6 с. : ил.

33 Пат. 2271061 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., А.С. Бурдюгов А.С., Матекин С.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».заявл. 06.04.04; опубл. заявки 20.09.2005; опубл. 27.02.06, Бюл. № 6. с. : ил.

34 Пат. 2271062 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Сорин Л.Н., Бурдюгов А.С., Матекин С.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения».заявл. 06.04.04; опубл. заявки 20.09.2005; опубл. 27.02.06, Бюл. №6. – 6 с. : ил.

35 Пат. 2310963 Российская Федерация МПК7 H 02 J 7/10, H 01 М 10/44. Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током / Сметанкин Г.П., Бурдюгов А.С., Матекин С.С., Писанова Л.В., Плохова Т.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед. и проект.-конст. ин-тут электровозостроения». - № 2006113491/09; заявл. 20.04.06; опубл. 20.11.07, Бюл. №32. – 7 с. : ил.

36 Пат. 2313863 Российская Федерация, МПК7 H 01 М 10/44, H 01 М 10/54. Способ ускоренного формирования и восстановления емкости герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током / Сметанкин Г.П., Бурдюгов А.С., Матекин С.С.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос. науч.-исслед.

и проект.-конст. ин-тут электровозостроения». - № 2006113489/09; заявл. 20.04.06; опубл.

27.12.07, Бюл. - №36. – 4 с.

37 Пат. 2313864 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 7/10, H 01 М 10/44. Способ ускоренного формирования и восстановления емкости закрытых никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при помощи заряда асимметричным током / Сметанкин Г.П., Бурдюгов А.С., Матекин С.С., Плохова Т.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всерос.