Устройство контроля технического состояния элементов последовательной аккумуляторной батареи
APPARATUS FOR MONITORING THE TECHNICAL CONDITION OF THE ELEMENTS OF A SERIES-CONNECTED ACCUMULATOR BATTERY

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для контроля состояния аккумуляторных источников питания как отдельных аккумуляторов, так и батарей, состоящих из нескольких последовательно включенных элементов.
Известно, например, устройство контроля технического состояния элементов смешанной (последовательное соединение групп параллельных элементов) аккумуляторной батареи (АБ) [патент RU №2610147 С1, МПК H01M 10/48 (2006.01), G01R 31/36 (2006.01), опубл. 08.02.2017], содержащее N+1 выходных зажимов для подключения контролируемых аккумуляторов, канал связи и орган обработки информации. Данное устройство характеризуется ограниченной функциональностью, в частности оно способно определять только номер отказавшего элемента АБ, а измерение параметров отдельных элементов АБ, их диагностика и прогнозирование остаточного срока службы невозможны.
Известно устройство контроля технического состояния элементов последовательной АБ, принятое за прототип, [патент RU № 2470314 С1, МПК G01R 31/36 (2006.01), опубл.20.12.2012 Бюл. №35], содержащее N+1 выходных зажимов для подключения контролируемых аккумуляторов в N контрольных точках, модуль обработки информации, вход которого подключен к выходу канала связи, и блок суммирования токов. Недостатки данного изобретения аналогичны недостаткам описанного выше устройства по патенту RU №2610147 С1, и заключаются в ограниченной его функциональности, а также в том, что с его помощью невозможно измерять параметры отдельных элементов АБ - емкость, внутреннее сопротивление и температуру поверхности.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении указанных эксплуатационных недостатков, а именно в расширении его функциональности и обеспечении возможности измерения в процессе заряда и разряда параметров отдельных элементов АБ - емкости, внутреннего сопротивления и температуры поверхности.
Поставленная задача заключается в том, что в известном устройстве контроля технического состояния элементов последовательной аккумуляторной батареи (АБ), содержащем выходные зажимы для подключения контролируемых элементов АБ, модуль обработки информации с его блоком преобразования тока в напряжение и аналого-цифровым преобразователем, в отличие от него, заявляемое устройство содержит несколько однотипных модулей, число которых равно числу контролируемых элементов АБ, а также интерефейс дуплексной связи каждого данного модуля с персональным компьютером. При этом каждый данный модуль дополнительно содержит блок измерения температуры поверхности элемента АБ, его емкости и внутреннего его сопротивления, блок заряда / разряда элемента АБ, блок передачи дачи данных по протоколу RS-485 в персональный компьютер, источник питания от сети переменного тока и регулируемую нагрузку элемента АБ. При этом источник питания каждого данного модуля выполнен с гальванической развязкой относительно каждого такого же источника питания. Упомянутый блок передачи данных каждого данного модуля также выполнен с гальванической развязкой относительно каждого такого же блока передачи данных. Блок измерения температуры поверхности элемента АБ, его емкости и внутреннего его сопротивления и блок заряда / разряда элемента АБ выполнены на одной печатной плате. Вход блока измерения температуры поверхности элемента АБ, его емкости и внутреннего его сопротивления соединен с выходными зажимами для подключения контролируемых элементов АБ. Выход блока измерения температуры поверхности элемента АБ, его емкости и внутреннего его сопротивления соединен с входом блока передачи данных. Выход блока передачи данных связан дуплексной связью с персональным компьютером по протоколу RS-485. Блок заряда / разряда элемента АБ соединен с выходными зажимами для подключения контролируемых элементов АБ, с источником его питания через гальваническую развязку, с блоком резистивной нагрузки через полупроводниковый ключ, а также связан дуплексной связью с блоком передачи данных.
В частном случае блок заряда / разряда каждого элемента АБ выполнен на микросхеме DW01-P, а блок измерения емкости и внутреннего сопротивления каждого элемента АБ выполнен на микроконтроллере PIC16F676.
Благодаря наличию в устройстве компактных блоков измерения температуры поверхности каждого элемента аккумуляторной батареи, емкости и внутреннего сопротивления, обеспечивается непрерывный контроль температуры всей АБ и непрерывный контроль зарядно / разрядного тока каждого элемента АБ. Тем самым обеспечивается рекомендуемый производителем рабочий температурный ее диапазон и достигается, тем самым, наибольший срок службы.
За счет того, что предложенное устройство содержит регулируемую нагрузку для каждого элемента АБ, обеспечивается возможность поддержания этих элементов в равномерной степени заряда.
За счет того, устройство позволяет проводить поэлементное тестирование последовательно соединенных элементов, обеспечивается возможность проводить диагностику электрических параметров АБ, выявлять поврежденные элементы и своевременно их заменять при необходимости, благодаря чему достигается увеличение срока эксплуатации всей АБ, что является дополнительным преимуществом заявляемого изобретения. Таким путем достигается поставленная техническая задача.
Заявляемое изобретение иллюстрируется на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 изображена блок-схема устройства контроля технического состояния элементов последовательной аккумуляторной батареи. На фиг. 2 представлена фотография физической реализации заявляемого устройства.
Заявляемое устройство контроля технического состояния элементов (фиг.1), содержит n контролируемых элементов (1) аккумуляторной батареи (2) с ее выходными зажимами, n модулей (3) обработки информации, интерфейс (4) RS-485 дуплексной связи каждого данного модуля (3) с персональным компьютером (5). Каждый данный модуль (3) электрически соединен с каждым соответствующим контролируемым элементом (1) и содержит блок (6) измерения температуры, тока и напряжения, вход которого является входом данного модуля (3), выход данного блока (6) соединен со входом блока (7) передачи данных. Питание блока (7) передачи данных выполнено от сети переменного тока через источник питания (8) и гальваническую развязку (9), реализованную, например на обычной оптопаре (не показано). Выход блока (7) передачи данных через гальваническую развязку (10), реализованную аналогичным образом на обычной оптопаре (не показано), посредством интерфейса (4) RS-485 связан с персональным компьютером (5). Также каждый данный модуль (3) также содержит блок (11) заряда / разряда каждого соответствующего элемента (1), электрически соединенный с выходными зажимами для подключения контролируемых элементов (1) АБ (2), с источником его питания (8) через гальваническую развязку (9), с блоком (12) резистивной нагрузки через полупроводниковый, например транзисторный типа IGBT ключ (13), а также связанный дуплексной связью с блоком (7) передачи данных.
Заявляемое устройство контроля технического состояния элементов АБ работает следующим образом. Соединяют входы каждого модуля (3) обработки информации с каждым соответствующим контролируемым элементом (1) аккумуляторной батареи (2). Запускают персональный компьютер (5) и установленное на нем приложение (программное обеспечение) типа Prius-Doktоr. Каждый блок (6) производит измерение температуры, тока и напряжения каждого соответствующего, соединенного с ним контролируемого элемента (1) АБ (2) и передает измеренные данные по его выходу на вход каждого соответствующего блока (7) передачи данных. Каждый данный блок (7) через его гальваническую развязку (10) посредством интерфейса (4) RS-485 передает данные в персональный компьютер (5). Полученные таким образом измеренные данные сравниваются посредством приложения (программного обеспечения) типа Prius-Doktоr (не показано) с эталонными заданными в нем заранее значениями и выводятся на дисплей (экран монитора) результаты этого сравнения. На основании полученных результатов о текущем состоянии отдельных элементов (1) АБ (2), в том числе об остаточной емкости, внутреннем сопротивлении и температуре, выведенных на дисплей (экран монитора) в виде графиков и диаграмм (не показано), оператором принимаются выводы о необходимости:
- включения режима выравнивания заряда (эквализация) элементов (1) АБ (2).;
- замены отдельных неисправных элементов (1);
- проведения контрольно-тренировочных циклов для элементов (1) АБ (2).
Определение емкости каждого элемента (1) производится традиционным способом на основании замеров тока и напряжения в процессе его разряда до заданного значения напряжения. Определение внутреннего сопротивления каждого элемента (1) производится на основании расчета по результатам замера токов и напряжений для двух последовательно подключаемых нагрузок, реализуемых каждым блоком (12) резистивной нагрузки с каждым его соответствующим полупроводниковым, например транзисторным типа IGBT ключом (13).
При выборе необходимого решения оператор нажимает на соответствующую клавишу. При этом сигнал с ПК (5) поступает через интерфейс (4) RS-485 к каждому выбранному модулю (3) обработки информации через каждую соответствующую гальваническую развязку (10) и блок (7) передачи данных. Каждый блок (11) заряда / разряда каждого соответствующего элемента (1) АБ (2) каждого выбранного модуля (3) по сигналу каждого соответствующего блока (7) передачи данных производит либо зарядку соединенного с ним элемента (1) АБ (2) заданным током, либо его разрядку заданным током посредством блока (12) резистивной нагрузки. Каждый разрядный ток при этом регулируют каждым соответствующим полупроводниковым, например транзисторным типа IGBT ключом (13) посредством широтно-импульсного регулирования (ШИР).
Таким образом, благодаря возможности измерения большего числа параметров каждого элемента АБ, таких как текущая емкость, внутреннее сопротивление, разброс напряжений между отдельными элементами АБ, температура поверхности каждого элемента АБ, достигается более корректная диагностика АБ по сравнению с устройством прототипа.
Для доказательства работоспособности заявляемого устройства был собран экспериментальный его образец (фиг. 2). Проводилась проверка работоспособности устройства с никель-металл-гидридными АБ, широко используемыми в гибридных сухопутных транспортных средствах. Применение устройства позволило выявить на ранней стадии деградирующие элементы АБ и своевременно их заменить, тем самым продлив срок эксплуатации всей АБ. Затраченные при этом денежные средства несоизмеримо меньшие по сравнению с покупкой всей АБ в случае выхода ее из строя. Кроме того, применение устройства позволило, на основании полученных данных о внутреннем сопротивлении отдельных элементов АБ, оценить остаточный их ресурс, и, соответственно, оценить время их работы.