УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
BATTERY MONITORING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к контролю аккумуляторных батарей, а именно, к измерению параметров аккумуляторных батарей в режиме ЭДС и под нагрузкой, и может быть использовано для контроля состояния широкого класса аккумуляторных батарей.
Техническое состояние аккумуляторных батарей зависит от целого ряда параметров, значения которых должны быть определены в процессе их испытаний. К таким параметрам относятся: степень разряженности, величина ЭДС, величина напряжения под нагрузкой.
Емкость аккумуляторной батареи уменьшается с понижением температуры за счет увеличения вязкости электролита и замедления его диффузии в поры активной массы. Степень снижения емкости с понижением температуры меньше при использовании электролита с большой концентрацией серной кислоты. С увеличением разрядного тока большее количество сульфата свинца откладывается на поверхности пластин, что достаточно быстро изолирует активную массу от контакта с электролитом. Это также приводит к уменьшению разрядной емкости.
Известно устройство контроля аккумуляторной батареи (АБ) (РФ №2531062 приоритет от 26.03.2013, «Устройство контроля аккумуляторной батареи», авторы: Филлипов А.Н., Пушкин Н.М., МПК: G01R 27/02, опубликовано 20.10.2014 Бюл. №29), содержащее аккумуляторную батарею, подключенный к ней преобразователь постоянного напряжения, выполненный по схеме автогенератора с трансформаторной обратной связью, выходная обмотка преобразователя подключена к выпрямителю, выход которого соединен с индикатором, источник тока, сдвоенный транзисторный оптрон, операционный усилитель, два резистора и дополнительный индикатор.
Недостатком известного устройства является то, что в его состав входит аккумуляторная батарея и источник тока, что значительно понижает энергонезависимость. Устройство не имеет возможности контроля параметров аккумуляторных батарей под различной нагрузкой, что значительно уменьшает возможность определения реального состояния аккумуляторной батареи. Схема устройства не предусматривает автоматического отключения аккумуляторной батареи от нагрузки для предотвращения ее разряда.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании устройства контроля аккумуляторных батарей, которое способно решать задачи измерения напряжения АБ до 30 В в режиме ЭДС и под различными нагрузками с исключением ее разряда.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей, повышении информативности проводимых измерений, повышении точности определения состояния АБ и повышение надежности работы.
Данный технический результат достигается тем, что в устройстве контроля аккумуляторных батарей, содержащем блок подключения АБ, вход которого является входом устройства контроля аккумуляторных батарей, делитель контролируемого напряжения, блок индикации режима работы и блок индикации нагрузки, новым является то, что дополнительно введены первый и второй блоки предохранения, блок индикации напряжения АБ, блок включения нагрузки, блок нагрузки, блок подключения внешней нагрузки, блок автоматического отключения нагрузки, блок запуска режима измерений, блок включения вольтметра, выход которого соединен с первым входом блока индикации напряжения АБ, второй вход которого соединен с выводом делителя контролируемого напряжения, вход которого соединен с первым выходом блока запуска режима измерений, второй выход которого подключен к входу блока выбора режима работы, первый вход блока запуска режима измерений соединен с первым выходом первого блока предохранения, второй выход которого соединен с входом блока включения вольтметра, а третий выход через второй блок предохранения соединен с входом блока подключения внешнего вольтметра, вход перового блока предохранения соединен с выходом блока подключения АБ, а четвертый выход соединен с первым входом блока включения нагрузки, второй вход которого соединен с первым выходом блока автоматического отключения нагрузки, вход которого соединен с первым выходом блока выбора режима работы, второй выход которого соединен с первым входом блока индикации режима работы, второй выход блока автоматического отключения нагрузки соединен со вторым входом блока запуска режима измерений, а третий выход соединен со вторым входом блока индикации режима работы, первый, второй и третий выходы блока включения нагрузки соединены соответственно с входами блоков нагрузки, подключения внешней нагрузки и индикации нагрузки, выходы блока подключения внешней нагрузки и блока подключения внешнего вольтметра являются соответственно первым и вторым выходами устройства контроля аккумуляторных батарей.
За счет обеспечения возможности применения различных нагрузок при проверке состояния АБ повышается информативность проводимых измерений, что повышает точность определения состояния АБ.
За счет использования блока автоматического отключения нагрузки, предотвращающего разряд аккумуляторной батареи, повышается надежность работы. Энергонезависимость устройства осуществляется за счет использования энергии измеряемой батареи.
Расширенные функциональные возможности включают:
- возможность измерения величины ЭДС аккумуляторной батареи от 5 до 30 В;
- возможность измерения напряжения аккумуляторной батареи под различными нагрузками от 12,5 до 30 В, что обеспечивается встроенными нагрузками и возможностью подключения внешней нагрузки (с ограничением по току до 10 А);
- возможность подключения контрольного вольтметра с целью контроля и настройки работы устройства.
На фигуре приведен вариант функциональной схемы устройства контроля аккумуляторных батарей.
Устройство контроля аккумуляторных батарей содержит блок 1 подключения АБ, вход которого является входом устройства контроля аккумуляторных батарей, блок 2 включения вольтметра, блок 3 индикации напряжения АБ, первый 4 и второй 5 блоки предохранения, блок 6 запуска режима измерений, делитель 7 контролируемого напряжения, блок 8 включения нагрузки, блок 9 подключения внешнего вольтметра, блок 10 автоматического отключения нагрузки, блок 11 выбора режима работы, блок 12 нагрузки, блок 13 подключения внешней нагрузки, блок 14 индикации нагрузки, блок 15 индикации режима работы.
Выход блока 2 включения вольтметра соединен с первым входом блока 3 индикации напряжения АБ. Второй вход блока 3 индикации напряжения АБ соединен с выводом делителя 7 контролируемого напряжения. Вход делителя 7 контролируемого напряжения соединен с первым выходом блока 6 запуска режима измерений, второй выход которого подключен к входу блока 11 выбора режима работы. Первый вход блока 6 запуска режима измерений соединен с первым выходом первого блока 4 предохранения, второй выход которого соединен с входом блока 2 включения вольтметра. Третий выход первого блока 4 предохранения через второй блок 5 предохранения соединен с входом блока 9 подключения внешнего вольтметра. Вход первого блока 4 предохранения соединен с выходом блока 1 подключения АБ. Четвертый выход первого блока 4 предохранения соединен с первым входом блока 8 включения нагрузки, второй вход которого соединен с первым выходом блока 10 автоматического отключения нагрузки. Вход блока 10 автоматического отключения нагрузки соединен с первым выходом блока 11 выбора режима работы, второй выход которого соединен с первым входом блока 15 индикации режима работы. Второй выход блока 10 автоматического отключения нагрузки соединен со вторым входом блока 6 запуска режима измерений, а третий выход соединен со вторым входом блока 15 индикации режима работы. Первый, второй и третий выходы блока 8 включения нагрузки соединены соответственно с входами блоков нагрузки 10, подключения внешней нагрузки 13 и индикации нагрузки 14. Выходы блока 13 подключения внешней нагрузки и блока 9 подключения внешнего вольтметра являются соответственно первым и вторым выходами устройства контроля аккумуляторных батарей.
Блок 1 подключения АБ может быть выполнен в виде соединителя для подключения проверяемой аккумуляторной батареи.
Блок 2 включения вольтметра может быть выполнен в виде тумблера для подключения цифрового вольтметра к измерительной схеме.
Блок 3 индикации напряжения АБ может быть выполнен в виде цифрового вольтметра.
Первый блок 4 предохранения, предназначенный для защиты АБ от короткого замыкания и ограничения тока контроля при проверках, может быть выполнен в виде вставки плавкой.
Второй блок 5 предохранения предназначен для защиты АБ от короткого замыкания в цепях подключения контрольного вольтметра и может быть выполнен в виде вставки плавкой.
Блок 6 запуска режима измерений может быть выполнен в виде кнопки подключающей аккумуляторную батарею к схеме контроля.
Делитель 7 контролируемого напряжения может быть выполнен из двух соединенных резисторов.
Блок 8 включения нагрузки может включать в себя тумблер подключения встроенных нагрузок.
Блок 9 подключения внешнего вольтметра может быть выполнен в виде соединителя для подключения внешнего контрольного вольтметра.
Блок 10 автоматического отключения нагрузки предназначен для ограничения времени контроля аккумуляторной батареи под нагрузкой и может включать в себя электролитический конденсатор и резистор разрядки конденсатора.
Блок 11 выбора режима работы - проверка ЭДС или проверка под нагрузкой может быть выполнен в виде тумблера.
Блок 12 нагрузки может включать в себя разные нагрузочные элементы, выполненные в виде резисторов.
Блок 13 подключения внешней нагрузки может быть выполнен в виде соединителя для подключения внешней нагрузки.
Блок 14 индикации нагрузки может быть выполнен из индикаторов включения встроенных нагрузок.
Блок 15 индикации режима работы может быть выполнен из индикатора включения режима проверки ЭДС и индикатора включения режима проверки под нагрузкой.
Устройство контроля аккумуляторных батарей работает следующим образом.
Степень разряженности АБ определяют по плотности электролита и формуле (1) с учетом начальной плотности электролита полностью заряженной батареи.
3
р
где ρ и ρ - плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С;
ρ - измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С.
3
Р
3
В приведенной формуле можно принять (ρ-ρ)≈0,16 г/см.
Необходимо учитывать, что снижение плотности электролита в аккумуляторах может происходить не только в результате разряда, но и в результате неисправностей.
Для того чтобы определить неисправности и проверить рассчитанное значение степени разряженности, необходимо измерить ЭДС и напряжение АБ под нагрузкой.
Устройство контроля аккумуляторных батарей работает в двух режимах: в режиме контроля ЭДС и в режиме контроля АБ под нагрузкой. Выбор режима осуществляют с помощью блока 11 выбора режима работы.
Предварительно к входу устройства контроля аккумуляторных батарей подключается АБ через блок 1 подключения АБ. Устройство контроля аккумуляторных батарей включается при помощи блока 2 включения вольтметра.
С помощью устройства контроля аккумуляторных батарей контролируемую АБ кратковременно нагружают токами, близкими по величине к токам номинального режима. Величина измеренного при этом напряжения на клеммах позволяет косвенно оценить степень заряженности и техническое состояние АБ.
Б
В режиме ЭДС при задействовании блока 6 запуска режима измерений напряжение от контролируемой аккумуляторной батареи (U), через первый блок 4 предохранения и делитель 7 контролируемого напряжения поступает на блок 3 индикации напряжения АБ, показания которого соответствуют величине ЭДС АБ. Первый блок 4 предохранения защищает электрические цепи от короткого замыкания. Делитель 7 контролируемого напряжения пропорционально уменьшает напряжение до допустимого значения входного напряжения блока 3 индикации напряжения АБ. При этом блок 15 индикации режима работы отображает режим измерения ЭДС.
Б
Величину ЭДС определяют по напряжению U ненагруженной АБ. Сравнивая рассчитанное и измеренное значения ЭДС, судят о наличии неисправностей батареи.
ЭДС аккумулятора может быть рассчитана по выражению (2).
0
где Е- ЭДС покоя аккумулятора, В;
25
3
ρ - приведенная к температуре 25°С плотность электролита, г/см, определяемая по формуле
1
3
ρ - измеренная плотность электролита, г/см;
t - температура электролита в момент измерения плотности, °С.
3
При плотности электролита 1,05…1,30 г/см ЭДС аккумуляторных элементов составляет соответственно 1,91…2,15 В.
Б
Б
0
Б
Б
0
Значение ЭДС аккумуляторной батареи уменьшается, за счет разрядки с течением времени, т.е. амплитуда U пропорционально уменьшается. Соответственно уменьшается напряжение на выходе делителя 7 контролируемого напряжения, что отображает блок 3 индикации напряжения АБ. Когда значение U намного меньше напряжения ЭДС заряженной батареи Е (расчетного значения), то в аккумуляторе имеется частичное замыкание электродов. Если в аккумуляторной батарее имеет место полное короткое замыкание электродов или обрыв в цепи, то значение напряжения U будет равно нулю. Если значение U больше Е, то в аккумуляторе засульфатированы электроды или отстоялся электролит.
С помощью измерения в режиме ЭДС невозможно выявить наличие таких неисправностей, как уплотнение активного вещества и разрушение электродов. Определить эти неисправности, а также выявить общую пригодность аккумуляторных батарей к эксплуатации, позволяет измерение напряжения под нагрузкой,
С помощью блока 12 нагрузки или блока 13 подключения внешней нагрузки аккумуляторную батарею кратковременно нагружают токами, близкими по величине к токам номинального режима. Переключение в режим измерения АБ под нагрузкой осуществляется при помощи блока 11 выбора режима работы. При этом блок 15 индикации режима работы отображает режим измерения АБ под нагрузкой. С помощью блока 8 включения нагрузки осуществляется выбор необходимого внутреннего нагрузочного элемента блока 12 нагрузки или подключение внешнего нагрузочного элемента через блок 13 подключения внешней нагрузки. При этом блок 14 индикации нагрузки отображает информацию подключенного внутреннего нагрузочного элемента.
За предотвращение чрезмерной разрядки аккумуляторной батареи во время измерения аккумуляторной батареи под нагрузкой отвечает блок 10 автоматического отключения нагрузки. По результатам сравнения значения напряжений полученное при измерении АБ с расчетным значением для данного типа АБ, определяют состояние заряда АБ и пригодность к ее дальнейшей эксплуатации. Если величина напряжения полученного при измерении АБ меньше, чем величина минимального расчетного напряжения, то АБ нужно зарядить или ремонтировать.
Блок 9 подключения внешнего вольтметра предназначен для подключения внешнего контрольного вольтметра с целью контроля и настройки работы устройства контроля аккумуляторных батарей. Блок предохранения 2 защищает аккумуляторную батарею от короткого замыкания в цепях подключения контрольного вольтметра.
Напряжение исправной и заряженной АБ в конце 2-3 секунды при проверке должно быть не менее допустимого напряжения для конкретного типа АБ. При меньших величинах напряжения АБ к эксплуатации непригодна и ее нужно зарядить или ремонтировать.