ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ ПОЛНОГО ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам, контролирующим состояние параметров химических аккумуляторов электрической энергии, в частности их полный заряд, а также позволяющим поддерживать текущие эксплуатационные показатели аккумуляторов в требуемых диапазонах.
Химические аккумуляторы электрической энергии, например, свинцово-кислотные, при объединении составляют аккумуляторные батареи, которые часто используются на транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания. Поддержание аккумуляторных батарей в исправном состоянии обеспечивает работоспособность, как транспортного средства, так и инфраструктуры, обслуживаемой данных средством.
Ответственным этапом обслуживания химических аккумуляторов является периодическое проведение в них полных зарядов, которые предотвращают сульфатацию электродов, что, в конечном итоге, продлевает период работоспособности аккумуляторов. Полный заряд свинцово-кислотного аккумулятора проводится постоянным током, величиной близкой к 0,1 от величины номинальной емкости аккумулятора, выраженной в ампер-часах, и заканчивается после обильного газовыделения из электролита в течение не менее одного часа, при напряжении на электродах свинцово-кислотного аккумулятора около 2,7 В.
Полный заряд аккумуляторов также необходим для оценки их реальной электрической емкости, так как для ряда транспортных средств регламентирована замена аккумуляторов в случае уменьшения емкости в них более чем на 50%. Оценка реальной (остаточной) электрической емкости полностью заряженного аккумулятора проводится путем фиксации продолжительности времени и тока его разряда на определенную электрическую нагрузку.
Таким образом, проведение полного заряда аккумулятора и определение момента его окончания является ответственным этапом в процессе обслуживания химических аккумуляторов и батарей на их основе, поэтому создание надежных устройств, определяющих прохождение аккумулятором цикла полного заряда, является актуальным.
Известен определитель полного заряда аккумулятора, содержащий чувствительный элемент, подключенный к реле времени через анализирующее устройство. Чувствительный элемент представляет собой виброакустический сенсор, наклеенный на бак аккумулятора (http://forum-volgograd.ru/showthread.php?t=184086&page=12. Зарядное устройство для АКБ, 29.03.2014).
При газе-выделении в электролите, образующиеся пузыри газа, выходя из электролита, лопаются, тем самым, создают акустические вибрации воздуха и электролита, и, соответственно, стенок бака аккумулятора. Вибрации стенок бака улавливаются виброакустический сенсором. Анализирующее устройство по сигналам сенсора фиксирует начало газовыделения и включает отсчет реле времени. При продолжительности газовыделения в течение одного часа реле времени выдает сигнал полного заряда аккумулятора.
Недостатком данного определителя является его зависимость от внешних вибраций воздуха и основания, на котором установлен аккумулятор. Указанные вибрации от перемещения воздушных потоков, вблизи определителя, близко перемещающиеся транспортные средства, а также вибрации от электродвигателей бытовых приборов: холодильников; вентиляторов; кондиционеров и т.п.вызывают ложные включения и выключения реле времени, что ограничивает области использования определителя.
Известен определитель полного заряда аккумулятора, (патент РФ №2492558 МПК H01M 10/48, G01R 31/36. Опубл. 10.09.2013, Бюл. 25), содержащий чувствительный элемент, подключенный к индикатору полного заряда через анализирующее устройство и реле времени. Чувствительный элемент определителя представляет собой вольтметр постоянного тока, замеряющий напряжение на электродах аккумулятора. В соответствии с законом Фарадея, по мере заряде аккумулятора, напряжение на его электродах возрастает. При достижении определенного зарядного напряжения на электродах, электролит аккумулятора начинает разлагаться, что сопровождается газовыделением. Момент достижения напряжением на электродах аккумулятора напряжения разложения электролита фиксируется анализирующим устройством и через интервал времени, равный, например, одному часу, делается вывод о полном заряде аккумулятора.
Недостатком данного определителя являются возможные несоответствия в процессе эксплуатации аккумулятора, принятой величины напряжения начала разложения от действительной величины напряжения начала газообразования. Несоответствия величины напряжения начала разложения могут быть из-за различных примесей в материалах составляющих электролит, а также из-за веществ, попадающих в электролит из воздуха в процессе эксплуатации аккумулятора. Изменения химического состава электролита смещают показания напряжений начала газовыделения, что в целом искажает фактическую оценку полного заряда аккумулятора.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание определителя полного заряда аккумулятора, оценки которого не зависят от химического состава электролита, а также от продолжительности эксплуатации аккумулятора.
Указанная задача решается тем, что в предлагаемом определителе чувствительный элемент фиксирует силу отраженного света от поверхности электролита аккумулятора, которая изменяется из-за искривления при выделении пузырей газа. Для реализации указанного параметра поверхность электролита аккумулятора освещается светодиодом, а отраженная часть освещенности улавливается фотодиодом.
При отсутствии выходящих из электролита пузырей газа, поверхность электролита является гладкой и неподвижной. Следовательно, сила отраженного в фотоэлемент света является постоянной по величине. В случае наличия газообразования отдельные участки поверхности электролита кратковременно искривляются. Поэтому величина отраженного света изменяется и становится переменной во времени. При указанном изменении величины отраженного света в течение часа, можно сделать вывод о полном заряде аккумулятора.
Техническая сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема определителя полного заряда аккумулятора, на фиг. 2 показан чувствительный элемент, установленный в заливной горловине аккумулятора, на фиг. 3 показана структурная схема анализирующего устройства определителя, на фиг. 4 приведен пример электрической схемы определителя, на фиг. 5 показана временная диаграмма работы электрической схемы определителя.
Определитель 1 полного заряда (фиг. 1) включает в себя чувствительный элемент 2, последовательно соединенный через анализирующее устройство 3 и реле 4 времени с индикатором 5 полного заряда. Чувствительный элемент 2 также соединен с источником 6 питания и с аккумулятором 7.
Чувствительный элемент 2 (фиг. 2) расположен в заливной горловине аккумулятора 7 с использованием герметизирующего уплотнительного кольца 8. На внутренней стороне чувствительного элемента 2 расположены светодиод 9 и фотодиод 10.
Показанная на фиг. 3 структурная электрическая схема анализирующего устройства 3 определителя 1 содержит дифференцирующую цепь 11, усилитель 12 электрического напряжения, выпрямитель 13 и пороговое устройство 14.
В примере схемы определителя 1 на фиг. 4, чувствительный элемент 2 содержит светодиод 9 и фотодиод 10, соответственно обозначенные как VD1 и VD2. Вспомогательные резисторы R1 и R2 использованы для ограничения токов в цепях VD1 и VD2. Дифференцирующая цепь 11 анализирующего устройства 3, содержит конденсатор C1 и резистор R3, усилитель 12 электрического напряжениям, состоит из транзистора VT1, резистора R4 и конденсатора С2, выпрямитель 13 содержит диод VD3, резистор R5 и сглаживающий конденсатор C3, пороговое устройство 14 выполнено с использованием реле напряжения K1. Реле 4 времени реализовано с использованием электромеханического реле времени K2. Индикатор 5 полного заряда выполнен на основе светодиода VD4, резистора R6 и контактов K2.1 реле 4 времени. Работу схемы определителя 1 полного заряда обеспечивает источник 6 питания, который может быть выполнен в виде батареи GB1 электрохимических элементов.
Все перечисленные в предлагаемом определителе полного заряда аккумулятора элементы применяются по их прямому назначению и используются для завершенности технического решения.
Действие определителя 1 полного заряда аккумулятора 7 поясняется временной диаграммой напряжений на фиг. 5 по электрической схеме определителя, показанной на фиг. 4. Заряд аккумулятора осуществляется внешним источником постоянного тока не указанного на фигурах.
1
VD2R2
Чувствительный элемент 2 определителя 1 полного заряда содержит светодиод 9 и фотодиод 10, которые расположены на нижней части корпуса чувствительного элемента 2, устанавливаемого в заливной горловине аккумулятора 7. Светодиод 9 освещает поверхность электролита в аккумуляторе 7. Отраженное от поверхности электролита излучение светодиода 9 попадает на фотодиод 10 и изменяет его электрическое сопротивление. При отсутствии выходящих из электролита пузырей газа, поверхность электролита является неподвижной и сила отраженного в фотодиод 10 света является максимально возможной и постоянной по величине. Данному режиму работы соответствует интервал времени (0-t) на временных диаграммах. Напряжение U, формируемое в течение указанного временного интервала на светодиоде будет близким к постоянной величине.
VD2R2
VD2R2
1
2
При газообразовании в аккумуляторе 7 выход каждого пузыря газа на поверхность электролита кратковременно искривляет его поверхность и изменяет силу отраженного света в фотодиод 10. Напряжение U при этом также изменяется с каждым изменением отражающей поверхности электролита. Изменения напряжения U от начала газообразования до его максимальной постоянной интенсивности показаны на интервале времени (t-t).
VD2R2
C1R3
VD2R2
C1R3
Для определения наличия происходящего газообразования в электролите дифференцирующей цепью 11 выделяются изменения напряжения U. Данные изменения отражаются в напряжении U, показанном на временной диаграмме, на выходе дифференцирующей цепи 11. При этом постоянная составляющая напряжения U в напряжении U отсутствует.
C1R3
C1R3
C2
При дальнейшем анализе изменений напряжения U транзисторным усилителем 12 электрического напряжения производится усиление амплитуд напряжения U. На выходе усилителя 12 формируются импульсы напряжения U с увеличенными амплитудами импульсов.
C2
VD3C2
VD3C3
3
K1
Для оценки величины переменное напряжение U преобразуется в постоянное U, показанное на временной диаграмме, с помощью выпрямителя 13, содержащего выпрямительный диод VD3, резистор R5 и сглаживающий конденсатор C3. Полученное постоянное напряжение U поступает на вход реле напряжения K.1, которое срабатывает в момент времени t и удерживается в таком положении при напряжении на его обмотке свыше величины U, показанной на временной диаграмме.
3
4
При срабатывании реле напряжения K.1 своими контактами K.1.1 включает реле 4 времени, реализованное на электромеханическом реле времени K2 и настроенное на интервал времени (t-t), равный одному часу. По истечению данного интервала в реле 4 времени замыкается контакт K2.1, включающий индикатор 5 полного заряда аккумулятора 7. Через контакт K2.1 и ограничительный резистор Кб по светодиоду УБ4 протекает ток, обеспечивающий его свечение и сигнализирующий обслуживающему персоналу о полном заряде аккумулятора 7.
Таким образом, чувствительный элемент определителя формирует при газообразовании в электролите сигнал переменного тока, величина которого после преобразований сравнивается с пороговой величиной и при ее достижении включается реле времени, которое через заданный интервал времени (например, один час) включает индикатор полного заряда аккумулятора.