УСТРОЙСТВО ПОЭЛЕМЕНТНОГО КОНТРОЛЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
BATTERY CONTROL DEVICE

Устройство относится к области электротехники и представляет собой поэлементный контроль аккумуляторных батарей электрических станций, подстанций, промышленных предприятий, станций связи, объектов тягового электроснабжения, систем резервного питания DATA-центров, узлов связи и других объектов, предназначенное для обнаружения аккумуляторов, параметры которых имеют отклонения.
Известно устройство для автоматического выравнивания напряжения на элементах аккумуляторной батареи (патент RU2537977, опубликованный 20.11.2014), состоящей из n последовательно соединенных аккумуляторов, содержащее выходные клеммы по числу аккумуляторов, управляемые переключатели, управляющие ключевые элементы, источник питания, управляемый преобразователь постоянного тока в виде обратимого DC-DC преобразователя постоянного тока с датчиками тока и напряжения.
Недостатком устройства является измерение общей температуры аккумуляторных батарей (АБ), а не отдельных ее элементов. В батарее температура отдельных элементов может быть различна, соответственно и допустимый диапазон напряжений может быть различен. Также основной функцией системы является только выравнивание напряжений на элементах, а не полноценный мониторинг.
Наиболее близким аналогом патентуемого устройства является устройство для осуществления контроля и управления аккумуляторной батареей (патент RU2656111, опубликованный 31.05.2018), содержит датчик тока аккумуляторной батареи, датчик общего напряжения, контроллер, соединенный с входом радиопередатчика, связанным по радиоканалу с радиоприемником, подсоединенным к электронно-вычислительной машине, датчики температуры, балансирующий модуль.
Недостатком устройства является большое количество составных компонентов, которые усложняют эксплуатацию системы, ее монтаж, а также снижают надежность. Несмотря на использование беспроводной связи при обмене информации между ЭВМ и контроллером в системе присутствует большое количество проводных связей, которые усложняют ее монтаж и применение на уже существующих аккумуляторных батареях.
Технический результат заключается в том, что заявляемое устройство позволяет гораздо быстрее проводить анализ состояния АБ и также обеспечивать повышенную безопасность при работе за счет непрерывного поэлементного контроля состояния аккумуляторов и алгоритмов диагностики, за счет функции балансировки, которая выполняет разряд перезаряженных аккумуляторов, за счет контроля температуры окружающего воздуха внутри шкафа и в помещении, за счет расширенных возможностей по регистрации различной информации, в том числе осциллограмм и статистики эксплуатации каждого аккумулятора в составе АБ и освобождении обслуживающего персонала от рутинного и опасного труда.
Кроме того, технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении срока службы батарей и повышении надежности электроснабжения оборудования, питаемого от нее.
Заявляемое устройство поэлементного контроля АБ включает в себя:
• базовую станцию, выполненную в виде моноблока в металлическом корпусе, на лицевой панели которой расположена кнопка управления и светодиодные индикаторы, на задней панели расположены клеммы питания, клеммы измерения напряжения и тока, клеммы выходных реле и разъемы интерфейсов RS-485 и Ethernet. Базовая станция содержит микроконтроллеры, память, источник питания.
• датчики контроля аккумулятора с индикацией на лицевой панели. Датчик содержит микроконтроллер, АЦП, источник питания.
• комплекты крепления датчиков, представляющие собой клеммы с монтажными проводами и датчиками температуры, при этом, клеммы питания датчиков контроля аккумуляторов и измерения напряжения на аккумуляторах совмещены и предусматривают непосредственное подключение к клеммам контролируемых аккумуляторов, датчики получают оперативное питание от контролируемых аккумуляторов, клеммы питания также снабжены закрепленными на них датчиками температуры, предназначенными для подключения к клеммам аккумуляторов с отрицательной полярностью для контактного измерения температуры контролируемых аккумуляторов.
Базовая станция собирает информацию со всех датчиков по беспроводному каналу связи, например  канал типа «Bluetooth», и обеспечивает выполнение функций диагностики, транслирует данные в системы локального и удаленного мониторинга.
Устройство выполняет непрерывный контроль напряжения и тока АБ, пульсаций напряжения и тока, температуры и напряжения каждого аккумулятора в составе АБ, температуры в помещении и в шкафу, где эксплуатируются аккумуляторы.
Устройство поэлементного контроля АБ обеспечивает выявление следующих ненормальных режимов работы АБ:
- глубокий разряд АБ,
- повышенное напряжение на АБ,
- заряд сверхтоком,
- недопустимые пульсации тока и напряжения в режиме заряда АБ,
- отсутствие термокомпенсации напряжения подзаряда АБ.
Устройство диагностирует состояние каждого аккумулятора в составе АБ и позволяет выявить:
- ускоренный износ аккумулятора;
- деградирующий аккумулятор, разрушающий батарею;
- тепловой разгон аккумулятора.
Устройство обеспечивает накопление статистики эксплуатации АБ и каждого из аккумуляторов в отдельности:
- графики изменения основных электрических параметров и температуры за последние 72 часа;
- подсчет длительности нахождения каждого аккумулятора в определенных диапазонах температур и напряжений в течение всего срока его эксплуатации;
- осциллограммы аварийных процессов.
Патентуемое устройство поэлементного контроля аккумуляторных батарей позволяет провести незамедлительный анализ состояния аккумуляторных батарей. Удаленный доступ к данным устройства возможен через приложения для ПК.
Наличие в устройстве интерфейса RS-485 позволяет интегрировать устройство в автоматизированную систему управления (АСУ) по широко распространенному протоколу Modbus-RTU.
На рисунках приведен внешний вид устройства.
Фиг. 1 – лицевая панель базовой станции.
Фиг. 2 – боковая панель базовой станции.
Фиг. 3 – задняя панель базовой станции.
Фиг. 4 – лицевая и боковая панель датчика.
Фиг. 5  – cхема подключения базовой станции.
Фиг. 6  – схема подключения «тотальный контроль».
Фиг. 7  – схема подключения «оптимальная забота».
Базовый модуль устройства поэлементного контроля выполнен в виде моноблока в металлического корпусе, диаметр которого составляет 69-89 мм, высота 120-131 мм.
Датчик контроля аккумулятора выполнен из двух частей в пластмассовом корпусе шириной 66-70 мм, высотой 70-78 мм, глубиной 11-19,5 мм.
На лицевой панели базовой станции устройства расположена кнопка управления 1, светодиодный индикатор BLUETOOTH 2, светодиодный индикатор СИГНАЛИЗАЦИЯ 3, кольцевой светодиодный индикатор СТАТУС 4.
На боковой панели базовой станции расположен винт заземления 5.
На задней панели базовой стации расположены клеммы питания 6, клеммы входа измерения напряжения и тока АБ 7, клеммы выходных реле 8, разъем под RS-485 9, разъем под Ethernet 10.
На лицевой панели датчика находится кольцевой светодиодный индикатор СТАТУС 11 и светодиоды индикации уровня напряжения аккумулятора 12.
Устройство поэлементного контроля предназначено для мониторинга АБ, состоящих из свинцово-кислотных аккумуляторов с номинальным напряжением 12 В. Количество аккумуляторов в батарее от 1 до 20.
Для систем оперативного тока электрических станций и подстанций с номинальным напряжением 220 В предусмотрены следующие типовые применения:
- тотальный контроль – один датчик обеспечивает диагностику одного аккумулятора (17 датчиков для контроля 17 аккумуляторов). Два из 17 датчиков дополнительно контролируют температуру внутри и снаружи шкафа. Данный вариант позволяет выполнить индивидуальную индикацию состояния каждого аккумулятора с помощью светодиодов лицевой панели датчика;
- оптимальная забота – один датчик обеспечивает диагностику сразу двух аккумуляторов (9 датчиков для контроля 17 аккумуляторов). Один датчик дополнительно контролирует температуру внутри и снаружи шкафа.
Базовая станция измеряет напряжения АБ путем подключения цепей измерения к её полюсам. Ток АБ измеряется с помощью 75 мВ измерительного шунта, устанавливаемого в цепь АБ. Схема подключения базовой станции приведена на фиг. 5. Датчик может контролировать как один аккумулятор (в режиме тотального контроля), так и одновременно два (в режиме оптимальная забота). Датчики устанавливаются на контролируемые аккумуляторы. С помощью комплектов монтажа выполняется подключение датчиков к полюсам аккумуляторов. Примеры, подключения показаны на фиг. 6 (схема подключения «тотальный контроль») и фиг. 7 (схема подключения «оптимальная забота»).
В заявляемом устройстве реализованы перечисленные ниже алгоритмы мониторинга и диагностики.
Контроль тока АБ
Алгоритм контроля тока АБ обеспечивает определение текущего режима работы АБ: заряд, подзаряд или разряд. Работа алгоритма может быть настроена с помощью уставки величины тока , определяющей переход из режима заряда в режим подзаряда. Подключение цепей тока АБ должно обеспечивать положительное значение тока в режиме заряда АБ.
При превышении током заряда АБ  уставки  с выдержкой времени  будет сформирована соответствующая сигнализация «АБ: высокий ток заряда». Устройство рассчитывает коэффициент пульсации тока АБ () по формуле:
,
С
где – уставка емкости АБ, Ач;
I
Δ – размах пульсаций тока АБ, А.
I
Размах пульсаций тока Δ определяется как максимальное значение тока за вычетом минимального значения тока за последние 20 мс.
В случае, если в режиме заряда или подзаряда коэффициент пульсации тока АБ превышает значение уставки , то с выдержкой времени  будет сформирована соответствующая сигнализация «АБ: высокие пульсации I».
Контроль напряжения АБ
С целью предотвращения преждевременного износа АБ зарядно-подзарядное устройство (ЗПУ) обеспечивает поддержание напряжения на шинах аккумуляторной батареи с отклонениями не более 2 % от необходимого значения напряжения на шинах поддерживающего заряда АБ и коэффициентом пульсации не более 1,5 %.
Аккумуляторные батареи, работающие в буферном режиме, допускают небольшое количество циклов глубокого разряда, так как отсутствие нормального заряда на аккумуляторе резко сокращает срок его дальнейшей эксплуатации из-за сульфатации пластин.
При выходе напряжения АБ из диапазона, границы которого определяются уставками, с выдержкой времени будет сформирована соответствующая сигнализация «АБ: глубокий разряд» или «АБ: высокое напряжение».
Устройство рассчитывает коэффициент пульсации напряжения АБ()  по формуле:
,
где – постоянная составляющая напряжения АБ, В;
Δ  – размах пульсаций напряжений АБ, В.
Если в режиме заряда или подзаряда коэффициент пульсации напряжения АБ превышает значение уставки , то с выдержкой времени  будет сформирована соответствующая сигнализация «АБ: высокие пульсации U».
Скорость химической реакции электролита зависит от температуры окружающей среды. При снижении температуры АБ, снижается ее емкость. При превышении температуры АБ высокая скорость диффузии приводит к ускоренному износу АБ. С целью продления срока службы АБ ЗПУ обеспечивает термокомпенсацию напряжения заряда, повышая напряжение при замерзании АБ и понижая при нагреве.
Функция контроля наличия термокомпенсации напряжения подзаряда АБ выполняется при нахождении АБ в режиме подзаряда. Необходимое значение напряжения поддержания заряда всей АБ  в зависимости от температуры эксплуатации АБ (т.е. с учетом термокомпенсации) устройство определяет по формуле:
,
где   – уставка поддержания напряжения на АБ в режиме подзаряда, В;
– величина коррекции напряжения АБ по температуре, В.
Величину коррекции напряжения АБ по температуре  устройство определяет по формуле:
где  – уставка коэффициента температурной компенсации, определяемого производителем аккумуляторов мВ/эл./°С;
– уставка количества аккумуляторов в АБ, шт;
– уставка количества элементов в одном аккумуляторе, шт;
– уставка нижней границы прекращения температурной компенсации, °С;
– уставка нижней границы диапазона нормальных температур, °С;
– уставка верхней границы диапазона нормальных температур, °С;
– уставка верхней границы прекращения температурной компенсации, °С;
– средняя температура аккумуляторной батареи.
При отклонении напряжения на АБ  от расчетной величины  в режиме подзаряда на величину более  с выдержкой времени  будет сформирована соответствующая сигнализация «АБ: отсутствие термокомпенсации».
Контроль температуры шкафа и помещения
Устройство поэлементного контроля АБ выполняет функцию контроля работы системы поддержания температуры в шкафу с АБ и в помещении, в котором он установлен. Своевременное выявление отказа системы обогрева и вентиляции шкафа и помещения позволяет предотвратить функционирование АБ при недопустимых значениях температуры окружающего воздуха и сохранить ресурс аккумуляторов.
При выходе температуры шкафа с АБ из диапазона, границы которого определяются уставками с выдержкой времени будет сформирована соответствующая сигнализация «Шкаф низкая температура» или «Шкаф высокая температура 1 ст.». При необходимости может быть введена уставка на вторую ступень повышения температуры шкафа с соответствующей сигнализацией ««Шкаф высокая температура 2 ст.». Соответствующая команда формирует сигнал для температуры помещения «Помещение: низкая температура» или «Помещение: высокая температура».
Выявление режимов ускоренного износа аккумуляторов
Длительный заряд повышенным напряжением приводит к высыханию электролита, увеличению внутреннего сопротивления и, как следствие, уменьшению емкости аккумулятора. Работа аккумулятора при пониженном напряжении приводит к сульфатации пластин и ускоренной необратимой потери его емкости. Температурный режим работы также сильно влияет на срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов. Повышенная температура приводит к «высыханию» электролита и изменению его свойств (для гелиевых аккумуляторов последствия необратимы). Превышение температуры на каждые 10 °С сверх 20 °С сокращает срок службы в два раза. Так эксплуатация гелиевого аккумулятора при температуре 40 °С приведет к сокращению его срока службы в четыре раза. Снижение температуры аккумулятора приводит к снижению емкости вследствие снижения скорости диффузии ионов электролита и его концентрации в порах активной массы. Важно учитывать, что низкая температура аккумулятора ограничивает предельно допустимую глубину его разряда. По статистике 70 % отказов АБ связано с неправильными условиями эксплуатации. Поддержание необходимого напряжения и температурного режима является ключевым фактором обеспечения заявленного срока службы. Алгоритм выявления режимов ускоренного износа контролирует напряжение и температуру каждого аккумулятора в отдельности.
При выходе напряжения аккумулятора из диапазона, границы которого определяются уставками с выдержкой времени, будет сформирована соответствующая сигнализация «Акм №i ускоренный износ».
Допустимое напряжение на аккумуляторе зависит от его текущей температуры, поэтому уставки изменяются в зависимости от текущей температуры аккумулятора. Величина изменения уставок   определяется по формуле:
где  – уставка коэффициента температурной компенсации, определяемого производителем аккумуляторов мВ/эл./°С;
– уставка количества элементов в одном аккумуляторе, шт;
– уставка нижней границы прекращения температурной компенсации, °С;
– уставка нижней границы диапазона нормальных температур, °С;
– уставка верхней границы диапазона нормальных температур, °С;
– уставка верхней границы прекращения температурной компенсации, °С;
– температура i-ого аккумулятора.
При выходе температуры аккумулятора из диапазона, границы которого определяются уставками с выдержкой времени будет сформирована соответствующая сигнализация «Акм №i ускоренный износ».
Выявление разрушающих аккумуляторов в цепи АБ
В традиционных схемах управления зарядом АБ зарядно-подзарядное устройство контролирует напряжение и ток всей АБ, но не контролирует напряжение на каждом аккумуляторе батареи. В результате напряжение на отдельных аккумуляторах может отличаться от нормальных значений. Аккумулятор, имеющий более высокий уровень саморазряда, может вызвать перезаряд последовательно соединенных с ним элементов и недозаряд параллельно соединенных, что повышает скорость всех разрушающих процессов АБ. Один вышедший из строя аккумулятор быстро уничтожает АБ, сокращая срок ее службы.
Алгоритм выявления разрушающих элементов в цепи АБ определяет аккумуляторы, напряжение которых отличается от медианного значения напряжения всех аккумуляторов АБ более допустимого предела.
Выявление теплового разгона аккумуляторов
Явление теплового разгона является недостатком химических источников питания, влияющим на безопасность работы электроустановки. Тепловой разгон может возникать при проведении заряда при постоянном напряжении, во время которого ток и температура оказывают усиливающее влияние друг на друга, что вызывает их дальнейшее взаимное увеличение и может привести к разрушению батареи.
Алгоритм определяет тепловой разгон аккумулятора при отклонении его температуры от медианного значения температуры всех аккумуляторов АБ на величину, превышающую значение уставки в течение времени. В результате работы алгоритма срабатывает сигнализация «Акм №i тепловой разгон».
Балансировка аккумуляторов
При эксплуатации аккумуляторов в неравномерных условиях, например температурных, разброс их напряжений будет со временем увеличиваться. Отклонение напряжения аккумулятора от допустимого значения сокращает его срок службы, а также приводит общей деградации АБ. Одним из способов продления срока службы аккумуляторов в батарее является балансировка аккумуляторов путем разряда перезаряженных и заряда недозаряженных. Если подключить нагрузку к перезаряженному аккумулятору, то напряжение на нем снизится.  За счет того, что зарядно-подзарядное устройство поддерживает всегда одинаковое напряжение на АБ, напряжение на остальных аккумуляторах вырастет и они подзарядятся. Таким образом, напряжение на всех аккумуляторах станет одинаковым.
Датчик контроля аккумулятора на перезаряженном аккумуляторе в автоматическом режиме подключает внутреннюю нагрузку, вызывая разряд аккумулятора током 70-80 мА и снижение напряжения на нем.
Устройство поэлементного контроля АБ обеспечивает выполнение функции балансировки отдельных аккумуляторов. Функция балансировки может работать в автоматическом и ручном режиме. Работа функции балансировки поддерживается устройством, в которых датчик контролирует только один аккумулятор.
Запуск балансировки разрешен при одновременном выполнении следующих условий:
- АБ находится в режиме подзаряда;
- датчик, контролирующий аккумулятор, исправен и с ним есть связь;
- напряжение АБ выше значения уставки.
Балансировка аккумулятора запускается, если отклонение напряжения на этом аккумуляторе от медианного значения всех аккумуляторов в батарее превышает значения уставки.
Длительность одного цикла балансировки и длительность паузы между циклами балансировки задается уставками. Максимальное количество циклов балансировки в сутки может быть ограничена уставкой. При превышении максимального количества запусков функция балансировки будет заблокирована до следующих суток.