СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДА ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА
METHOD FOR DETERMINING THE CHARGE OF A CHEMICAL CURRENT SOURCE

Изобретение относится к области техники силовой электроники и может быть использовано для контроля заряда химического источника тока (ХИТ) (аккумуляторной батареи), который иногда можно интерпретировать как остаточную емкость батареи. Наиболее популярное использование данного изобретения может быть, например, в автомобиле для контроля состояния его аккумуляторной батареи.
Хорошо известен способ проверки степени заряженности ХИТ нагрузочной вилкой, как это описано, например, в «Большой политехнический энциклопедический словарь / Ред. А. Ю Ишлинский. — 2004». Однако данный способ контроля остаточной емкости ХИТ предполагает исключительно манипуляции оператора и непригоден для автоматизации данного процесса. По понятной причине непригоден также метод длительного разряда (см. там же).
Наиболее близким к предполагаемому изобретению относится «Устройство для измерения электрической емкости химических источников тока», описанное в патенте Украины № 86409, опубл. 27.04.09 в Бюл. № 8 или патенте РФ № 2594334, опубл. 10.08.2016, Бюл. №22, которое содержит заряжаемый конденсатор, электронные ключи для заряда и разряда этого конденсатора, устройство выборки-хранения, делитель напряжения, компаратор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), микропроцессор, индикатор и кнопку пуска.
В этих устройствах одна обкладка конденсатора известной емкости соединена с общей шиной, а вторая — с выходом электронного ключа заряда, вход которого подключен и контролируемому ХИТ. При этом эта же обкладка конденсатора подсоединена к первому входу компаратора. Вход управления ключа заряда подключен к микропроцессору. Вход устройства выборки-хранения подсоединен к ХИТ, а его выход к входу преобразования АЦП и к входу делителя напряжения с коэффициентом деления , выход которого подсоединен ко второму входу компаратора.
Суть работы описанных устройств сводится к контролю процесса заряда конденсатора известной емкости от ХИТ. А именно, при замыкании ключа заряда контролируют процесс заряда конденсатора от ХИТ и при этом измеряют время его заряда. При достижении напряжения на конденсаторе величины 0,95 от напряжения аккумулятора или его электродвижущей силы, которое запоминается в устройстве выборки-хранения (аналоговом запоминающем устройстве), процесс измерения времени заканчивают и определяют остаточную емкость ХИТ в ампер-часах по следующей формуле:
, (1)
где  — значение емкости заряжаемого конденсатора, Ф;
— напряжение на измеряемом источнике тока или его ЭДС, В;
— время заряда конденсатора от измеряемого источника до величины , с;
— время, компенсирующее увеличения времени заряда конденсатора за счет конечного значения сопротивлений подводящих проводов и входного коммутатора (определяется экспериментально), с;
–1
— некоторый эмпирический коэффициент, устанавливаемый для каждого типа ХИТ (для кислотных и щелочных негерметичных ХИТ ), с.
Описанные устройства содержат существенный недостаток, связанный с тем, что значение заряда аккумуляторной батареи определяется косвенным способом, основанном на измерении времени заряда тестового конденсатора известной емкости. При этом в формулу входят некоторые эмпирические коэффициенты, значения которых априори неизвестны. Кроме того, необходимо в формулу вводить некоторое время, компенсирующее увеличения времени заряда конденсатора за счет конечного значения сопротивлений подводящих проводов и входного коммутатора, которые определяются экспериментально. Соответственно, точность измерения степени заряженности оказывается низка, а достоверность измерений невелика.
В основу изобретения поставлена задача увеличения точности измерения заряда химического источника тока и повышения достоверности измерений. Поставленная цель достигается тем, что по способу определения заряда химического источника тока, реализация которого предполагает использование конденсатора известной емкости, одна обкладка которого соединена с общим проводом, с которым соединен также первый вывод химического источника тока, электронных ключей заряда и разряда этого конденсатора, аналогового запоминающего устройства, микроконтроллера управления с модулем индикации, с помощью которых осуществляют пробный заряд конденсатора известной емкости и контролируют при этом процесс заряда этого конденсатора,
отличающегося тем, первоначально напряжение со второго вывода химического источника тока подают на первый вход встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя, с помощью которого получают цифровой код, пропорциональный напряжению химического источника тока, после чего в аналоговом запоминающем устройстве запоминают текущее значение напряжения на выводах химического источника тока или запоминают значение его электродвижущей силы для случая, если нагрузка отсутствует, причем запоминание этого напряжения осуществляют по первому сигналу управления известной длительности, который формируют с помощью микроконтроллера, после чего с помощью второго сигнала управления, который формируют с помощью микроконтроллера, замыкают ключ заряда конденсатора известной емкости от химического источника тока, с помощью которого соединяют второй вывод химического источника тока со второй обкладкой конденсатора известной емкости, после этого выжидают некоторое время, характеризующее завершение переходного процесса заряда конденсатора известной емкости от химического источника тока, после чего напряжение со второго вывода химического источника тока подают на первый вход разностного инструментального усилителя, на второй вход которого подают напряжение с выхода аналогового запоминающего устройства, после чего разностным инструментальным усилителем усиливают разность этих напряжений, после чего эту усиленную разность этих напряжений с выхода разностного инструментального усилителя подают на второй вход встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя, с помощью которого получают цифровой код, пропорциональный разности напряжений с выхода аналогового запоминающего устройства и со второго вывода химического источника тока в присутствии конденсатора известной емкости, после чего, принимая в расчет известную емкость конденсатора, вычисляют эквивалентную емкость химического источника тока и по этой емкости вычисляют заряд химического источника тока, значения которых отображают на индикаторном устройстве, после чего второй сигнал управления делают неактивным и размыкают тем самым ключ заряда конденсатора известной емкости от химического источника тока, после чего с помощью микроконтроллера формируют третий сигнал управления известной длительности, который подают на ключ разряда конденсатора известной емкости, с помощью которого разряжают этот конденсатор и делают устройство готовым для последующего измерения заряда химического источника тока.
Сравнение предлагаемого способа с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые признаки. Повышена точность измерения заряда ХИТ и достоверность измерений, которые базируются не на измерении времени заряда конденсатора до определенного значения напряжения на его обкладках, что предполагает косвенный метод определения остаточной емкости ХИТ, а на измерении разности напряжений на выводах ХИТ с отсоединенным конденсатором известной емкости и с подсоединенным этим конденсатором. При этом физика процесса очевидна и основана она на законе сохранения заряда отдельного ХИТ (некоторого эквивалентного конденсатора, емкость которого неизвестна) и ХИТ с подключенным конденсатором, емкость которого известна. Поскольку емкость конденсатора, его заряд и напряжение на его обкладках (выводах ХИТ) связаны между собой простой известной формулой, то появляется возможность измерить разницу напряжений на выводах ХИТ с отключенным и подключенным внешним конденсатором известной емкости и по этой разнице напряжений определить эквивалентную емкость ХИТ или его эквивалентный заряд с высокой точностью.
Указанный способ определения заряда химического источника тока можно реализовать с помощью устройства, схема которого показана на рисунке.
Устройство содержит собственно контролируемый ХИТ или аккумуляторную батарею 1, электронный ключ заряда конденсатора 2, конденсатор известной емкости 3, аналоговое запоминающее устройство 4, электронный ключ разряда конденсатора 5, инструментальный разностный усилитель 6, микроконтроллер 7 со встроенным модулем многоканального аналого-цифрового преобразователя, пульт управления 8, индикатор 9.
При этом первый вывод ХИТ 1 соединен с общим проводом и с первой обкладкой конденсатора известной емкости 3, а второй вывод ХИТ соединен с первым входом встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя, а также второй вывод ХИТ соединен с первым выводом электронного ключа заряда конденсатора 2, второй вывод которого соединен со второй обкладкой конденсатора 3, при этом первый выход микроконтроллера 7 соединен с управляющим входом электронного ключа заряда конденсатора 2, при этом второй выход микроконтроллера 7 соединен с управляющим входом аналогового запоминающего устройства 4, вход которого подсоединен к второму выводу контролируемого ХИТ 1, а его выход соединен со вторым входом инструментального разностного усилителя 6, первый вход которого соединен с вторым выводом ХИТ, а выход инструментального разностного усилителя 6 соединен с вторым входом микроконтроллера 7, являющегося вторым входом преобразования встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя, при этом вторая обкладка конденсатора известной емкости соединена также с первым выводом электронного ключа разряда конденсатора 5, при этом второй вывод электронного ключа разряда конденсатора 5 соединен с общим проводом, при этом вход управления электронного ключа разряда конденсатора 5 соединен с третьим выходом микроконтроллера 7, при этом к третьему входу микроконтроллера 7 подключен пульт управления 8, при этом четвертый выход микроконтроллера 7 соединен с блоком индикации 9.
Работает устройство следующим образом. Процесс измерения заряда ХИТ инициируется вручную, нажатием соответствующей кнопки пульта управления 8 или автоматически по заданной программе, размещенной в микроконтроллере 7.
В первую очередь напряжение со второго вывода ХИТ подают на первый вход микроконтроллера, который является первым входом встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя, с помощью которого получают цифровой код, пропорциональный напряжению химического источника тока.
При поступлении соответствующей команды начала измерения, непосредственно перед началом процесса заряда конденсатора 3, с помощью микроконтроллера 7 подают сигнал управления в виде короткого импульса на управляющий вход аналогового запоминающего устройства 4. При этом происходит запоминание значения электродвижущей силы (ЭДС) ХИТ 1.
Известна формула, связывающая емкость конденсатора  с его зарядом  и напряжением на его обкладках
. (2)
Если принять заряд ХИТ в ампер-часах или в кулонах за искомую величину его заряда , то сам ХИТ (CCS) можно охарактеризовать некоторым эквивалентным конденсатором емкостью , напряжение на обкладках которого будет равно:
. (3)
Это напряжение и запоминают в аналоговом запоминающем устройстве 4 под действием управляющего сигнала, поступающего с первого выхода микроконтроллера 7.
Выходное напряжение аналогового запоминающего устройства 4 подают на второй вход инструментального разностного усилителя 6.
После этого микроконтроллером 7 формируют сигнал замыкания электронного ключа 2, и конденсатор известной емкости 3 за некоторое время переходного процесса полностью заряжается от ХИТ. При этом напряжение на соединенных вместе ХИТ и конденсатора достигает некоторого значения, которое будет уже несколько меньше, чем исходное значение ЭДС ХИТ. Надо понимать при этом, что заряд как собственно отдельного ХИТ, так и ХИТ с подключенным конденсатором не изменяется.
При известной емкости конденсатора  суммарная емкость этой пары будет равна:
. (4)
Тогда напряжение на этой паре будет равно
. (5)
Это напряжение подают на первый вход инструментального разностного усилителя 6, на выходе которого формируют напряжение, пропорциональное разности напряжений  и . Очевидно, что второе напряжение всегда будет несколько меньше, чем первое.
Поскольку заряд сохраняется как отдельного ХИТ, так и ХИТ плюс конденсатор, то можно составить следующее равенство
, (6)
откуда можно вычислить эквивалентную емкость химического источника тока, которую определяют следующим выражением
. (7)
Тогда эквивалентный заряд химического источника тока можно определить как
. (8)
В числителе выражения (8) присутствуют два значения напряжений  и . Надо понимать, что нет нужды контролировать оба эти значения напряжений. Они реально отличаются друг от друга на достаточно малую величину, которой можно в этом случае пренебречь и переписать выражение (8) в следующем виде
. (8)
Таким образом, вычисленное микроконтроллером 7 значение заряда ХИТ , а также значение его эквивалентной емкости  выводят на блок индикации 9. После этого микроконтроллером 7 формируют сигнал управления электронным ключом разряда 5, производя тем самым его открывание, в результате чего происходит разряд конденсатора 3 и система готова к последующим измерениям.
Народнохозяйственный эффект от использования предлагаемого изобретения связан с появлением возможности перманентного контроля заряда и эквивалентной емкости ХИТ используемых в автомобилях, электрокарах, системах бесперебойного питания, во многих других бытовых и промышленных применениях. Использование данного изобретения предотвратит непредвиденный отказ ХИТ.