СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИДЕНТИЧНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АККУМУЛЯТОРОВ ПРИ КОМПЛЕКТОВАНИИ БАТАРЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ELECTRIC PARAMETER EQUIVALENCE MONITORING FOR ACCUMULATORS DURING BATTERY BATCHING AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к определению электрических параметров аккумуляторных источников электропитания, и может быть использовано при комплектовании аккумуляторных батарей, диагностировании их технического состояния, а также при оснащении и контроле автономных систем электропитания ракетно-космической техники.
Известен способ контроля состояния аккумуляторной батареи в режиме импульсного разряда ее путем измерения текущих значений электрических параметров: напряжения, тока, внутреннего сопротивления и ЭДС (см. Авторское свидетельство №1061198, H01M 10/48, 1983 г.).
Недостатком известного способа является невозможность надежного определения технического состояния отдельных аккумуляторов, их работоспособности, так как указанные параметры определяются для батареи в целом, что не позволяет судить об идентичности электрических параметров отдельных аккумуляторов в ее составе.
Известен также способ определения электрических параметров аккумуляторов для комплектации их в батареи и устройство для его осуществления (патент РФ №2246155 С2, H01M 10/48, от 17.06.2002 г.). При этом способе за счет импульсного нагружения отдельных аккумуляторов батареи регистрируют переходные процессы изменения напряжений на них, определяют коэффициенты отдачи аккумулятора по емкости и энергии, динамический коэффициент полезного действия их. Известный способ не позволяет непосредственно оценивать степень отличия уровней заряда аккумуляторов, которая в значительной мере определяет работоспособность формируемой из них батареи. Для этого необходим сравнительный анализ характеристик всех аккумуляторов батареи и решение многокритериальной задачи с обработкой большого объема информации. Кроме того, известный способ предполагает индивидуальную работу с каждым аккумулятором при использовании мощных коммутационных устройств. Все это вместе взятое обусловливает высокую стоимость реализации способа, его низкую производительность и надежность, что в значительной мере препятствует возможности автоматизации процесса отбора аккумуляторов по параметрам при комплектации их в батарею.
В то же время известно, что основным критерием качества отбора аккумуляторов, объединяемых в батарею, является идентичность текущих значений их напряжений. Так, в монографии Хрусталева Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003 г. (глава 4) отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда их только по текущим значениям напряжений, которые характеризуют текущие значения их уровней заряда. С этих позиций наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батарей в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли (патент РФ №2408958 H01M 10/44 от 03.11.2009 г.), который выбран в качестве прототипа.
Известный способ заключается в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора батареи и балансировке аккумуляторов по напряжению путем подзаряда их от индивидуальных источников напряжения, которые выполнены в виде выходных каскадов преобразователя постоянного напряжения, подключенного к системе электропитания. При этом с помощью резисторов производят ограничение тока индивидуальных источников напряжения, величину выходного напряжения которых выбирают не более максимально допустимого значения зарядного напряжения аккумулятора, а ток подзаряда ограничивают по его минимальному значению при минимальном существенном значении разницы напряжений аккумуляторов. Мощность индивидуальных источников напряжения выбирают из условия непревышения током подзаряда заранее выбранной величины в пределах рабочего диапазона напряжений аккумуляторов.
Способ-прототип не решает непосредственно задачу контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов, объединяемых в батарею. Однако при соответствующей доработке его, как будет показано далее, такая возможность появляется.
Целью предлагаемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей способа-прототипа, реализация на его основе способа контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов, объединяемых в батарею, и совершенствование технологии отбора аккумуляторов при этом.
Цель достигается тем, что в способе контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей, заключающемся в проведении заряд-разрядных циклов и балансировки аккумуляторов по напряжению за счет подключения к ним индивидуальных источников напряжения с ограниченной величиной выходных токов. Для питания индивидуальных источников используют электрическую энергию контролируемой аккумуляторной батареи. При этом с помощью индивидуальных источников формируют напряжения, равные среднему значению напряжений аккумуляторов батареи, и положительные значения величин отклонений напряжений аккумуляторов от их текущих средних значений. Определяют суммарное значение токов, вызванных этими отклонениями, с помощью которого формируют оценку величины разброса текущих значений напряжений аккумуляторов батареи.
В устройство контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей, содержащее преобразователь постоянного напряжения с индивидуальными источниками напряжения, число которых равно числу аккумуляторов батареи и каждый из которых подключают через последовательно соединенные ограничительный резистор и предохранитель к одному из ее аккумуляторов, с этой целью дополнительно вводят индикаторы напряжения, датчик тока, через который подключают шину "-" преобразователя постоянного напряжения к шине "-" аккумуляторной батареи, добавочные резисторы и параллельно соединенные с ними ключевые устройства. При этом среднюю точку первичной обмотки трансформатора преобразователя постоянного напряжения подключают непосредственно к шине "+" аккумуляторной батареи. Параллельно каждому ограничительному резистору подключают вновь введенный индикатор напряжения, а последовательно с ограничительными резисторами включают добавочные резисторы и параллельно соединенные с ними ключевые устройства. Выход датчика тока подключают к входу блока преобразования и регистрации. Коэффициент трансформации трансформатора преобразователя постоянного напряжения выбирают таким, чтобы выходные напряжения индивидуальных источников были равны текущему среднему значению напряжений аккумуляторов батареи.
C
р
C
Согласно заявляемому способу текущее среднее значение напряжений аккумуляторов U формируют на выходах индивидуальных источников напряжения, которые являются выходными устройствами преобразователя постоянного напряжения. Для этого преобразователь постоянного напряжения подключают шинами питания непосредственно к контролируемой батарее, а величину коэффициента трансформации его трансформатора Т выбирают такой, чтобы выходные напряжения индивидуальных источников напряжения U были бы равны отношению:
C
АБ
U=U/N, (1)
АБ
где U - напряжение на аккумуляторной батарее;
N - количество аккумуляторов в батарее.
АБ
i
АБ
i
i
C
i
Так как напряжение на батарее U равно сумме напряжений аккумуляторов U, входящих в ее состав: U=ΣU, то выходные напряжения индивидуальных источников U в этом случае будут равны текущему среднему значению напряжений U на аккумуляторах батареи:
C
i
i
-1
U=NΣU. (2)
i
i
Контроль идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей согласно заявляемому способу производится по суммарному значению ΣΔU величин отклонений напряжений аккумуляторов батареи от их средних значений:
i
i
i
C
i
i
ΣΔU=Σ(U-U),при ΔU>0, (3)
i
C
i
C
где ΔU=(U-U) - величина отклонения напряжения i-го аккумулятора от текущего среднего значения напряжений U на аккумуляторах батареи.
i
i
При этом величина суммы ΣΔU согласно заявляемому способу оценивается по текущему значению тока I цепи питания преобразователя напряжения. Определим взаимосвязь между этими величинами в процессе подзаряда аккумуляторов от индивидуальных источников напряжения.
Согласно заявляемому способу индивидуальные источники напряжения представляют собой выходные выпрямительные устройства преобразователя постоянного напряжения. Эквивалентная схема подзаряда аккумуляторов изображена на Фиг.1,
где Ro - сопротивление ограничительного резистора;
i
U, Ra - соответственно напряжение и внутреннее сопротивление аккумулятора;
C
U, Rи - соответственно напряжение и выходное сопротивление индивидуального источника напряжения.
Полное сопротивление цепи подзаряда R в этом случае будет равно сумме:
R=Ro+Ra+Rи. (4)
i
В рабочем состоянии внутреннее сопротивление аккумулятора Ra достаточно мало и существенно меньше суммы Ro+Rи. В то же время индивидуальные источники напряжения имеют общую первичную цепь трансформатора и вносят во все цепи заряда аккумуляторов одно и т же сопротивление Rи. При этом если в цепях заряда аккумуляторов установить одинаковые по величине ограничительные сопротивления Ro, то с достаточной для практики степенью точности можно утверждать, что сопротивления цепей подзаряда аккумуляторов батареи несущественно отличаются друг от друга и равны R. Тогда величина тока подзаряда I i-го аккумулятора батареи будет определяться отношением:
i
C
i
i
I=(U-U)/R=ΔU/R. (5)
i
Если потери энергии в трансформаторе не учитывать, то величина тока в первичной цепи трансформатора I будет определяться суммой значений токов I вторичных цепей трансформатора с учетом коэффициента трансформации:
i
i
i
i
I=ΣnI=nΣΔU/R, (6)
где n - коэффициент трансформации;
i
I - ток подзаряда аккумулятора.
1
Для определения величины сопротивления R включим в каждую цепь подзаряда аккумуляторов дополнительное сопротивление Rд и определим с помощью датчика тока новое значение тока I, потребляемого преобразователем напряжения. Величина его будет определяться отношением:
1
i
i
I=nΣΔU/(R+Rд), (7)
где Rд - величина дополнительного сопротивления.
Решая соотношения (6), (7) совместно, получим:
i
i
ΣΔU=IR/n, (8)
1
1
R=IRд/(I-I). (9)
i
i
i
i
Суммарное значение отклонений текущих значений напряжений аккумуляторов от величины текущего среднего значения напряжений аккумуляторов батареи ΣΔU пропорционально произведению тока первичной цепи трансформатора (тока преобразователя) на полное сопротивление R цепи подзаряда аккумуляторов и обратно пропорционально коэффициенту трансформации n. При этом величина R может быть определена предварительно согласно соотношению (9) за счет включения дополнительного сопротивления Rд в цепь заряда аккумуляторов и использоваться в дальнейшем как константа для данного типа аккумуляторов при вычислении ΣΔU с помощью блока преобразования и регистрации согласно (8).
Электрическая схема устройства, реализующего заявляемый способ, изображена на Фиг.2. В состав заявляемого устройства входят: преобразователь постоянного напряжения 1 с силовым трансформатором Тр, с выходными транзисторами T1, Т2 и индивидуальными источниками напряжения Ина - Инм; блок ограничителей и индикации 2 с предохранителями Па - Пм, ограничительными резисторами Roa - Roм, индикаторами напряжения Иа - Им, добавочными резисторами Rда - Rдм и ключевыми устройствами Ка - Км; аккумуляторная батарея 3 с аккумуляторами Аа - Ам; блок преобразования и регистрации 4 с входом для установки константы; датчик тока 5.
Средняя точка первичной обмотки трансформатора преобразователя постоянного напряжения 1 соединена с шиной "+" аккумуляторной батареи 3. Шина питания "-" преобразователя постоянного напряжения 1 (коллекторы транзисторов T1, Т2) соединена через датчик тока 5 с шиной "-" аккумуляторной батареи 3. Выходные цепи каждого индивидуального источника напряжений Ина - Инм соединены через соответствующие предохранители Па - Пм, ограничительные резисторы Roa - Roм и добавочные резисторы Rда - Rдм или ключевые устройства Ка - Км с одним из аккумуляторов батареи 3. Каждый ограничительный резистор Roa - Roм соединен со входными цепями одного из индикаторов напряжения Иа - Им. Выход датчика тока 5 соединен с входом блока преобразования и регистрации 4. Причем коэффициент трансформации трансформатора Тр подобран таким образом, что выходные напряжения индивидуальных источников Ина - Инм равны текущему среднему значению напряжений аккумуляторов батареи 3.
1
Устройство работает следующим образом. На первом этапе определяют полное сопротивление цепи подзаряда R. Для этого с помощью датчика тока 5 определяют величину тока I первичной цепи трансформатора Тр при замкнутом состоянии ключевых устройств Ка - Км. Затем ключевые устройства Ка - Км размыкают и фиксируют изменившееся значение тока I первичной цепи трансформатора Тр. По известной величине сопротивлений добавочных резисторов Rда - Rдм в соответствии с соотношением (9) вычисляют полное сопротивление цепи подзаряда R. Вводят полученное значение R в виде константы в блок преобразования и регистрации 4, подготавливая тем самым устройство к работе.
C
i
i
C
C
Штатная работа рассматриваемого устройства происходит при замкнутом состоянии ключевых устройств Ка - Км. В процессе проведения заряд-разрядных циклов аккумуляторной батареи 3 преобразователь постоянного напряжения 1 непрерывно формирует на выходах индивидуальных источников Ина - Инм напряжения U, равные текущему среднему значению напряжений аккумуляторов батареи 3, величина которого в соответствии с изменениями напряжений аккумуляторов непрерывно изменяется. Если текущее значение напряжения U i-го аккумулятора батареи 3 оказывается меньше выходного напряжения подключенного к нему индивидуального источника напряжения (U<U), то диоды его выпрямителя оказывается открытыми и напряжение U подается на i-й аккумулятор. Происходит дозаряд i-го аккумулятора до величины среднего значения напряжений на аккумуляторах батареи 3. При этом ток заряда этого аккумулятора создает падение напряжения на его ограничительном сопротивлении Roi, наличие которого выявляется индикатором напряжения и свидетельствует об отличии напряжения данного аккумулятора от напряжений других аккумуляторов батареи.
i
i
C
i
i
C
Чем ниже уровень заряда i-го аккумулятора, тем меньше напряжение U на нем, тем больше разность напряжений ΔU=U-U, тем больший ток подзаряда этот аккумулятор отбирает от индивидуального источника напряжения U и тем больший ток потребляет преобразователь постоянного напряжения 1 через датчик тока 5. При этом датчик 5 реагирует на суммарное значение токов подзаряда аккумуляторов, уровень напряжения которых оказался ниже текущего среднего значения напряжений U на аккумуляторах батареи 3.
i
C
Если же U≥U, то диоды выпрямителя i-го индивидуального источника напряжения оказываются закрытыми, выходной ток его равен нулю, равно нулю падение напряжения на его ограничительном резисторе Roi, о чем свидетельствует индикатор напряжения. Равна нулю и токовая составляющая этого источника в суммарном значении токов датчика 5.
C
i
C
i
i
i
При равенстве напряжений на аккумуляторах батареи между собой эти напряжения оказываются равны также среднему значению напряжения на аккумуляторах U, формируемому индивидуальными источниками напряжения. Выпрямительные диоды индивидуальных источников оказываются закрытыми, их токи - равны нулю, что отображают индикаторы напряжения Иа - Им. Выходной сигнал датчика тока 5 тоже равен нулю. Это свидетельствует об идентичности значений напряжений аккумуляторов батареи. Чем больше разность напряжений ΔU=(U-U) и чем больше число аккумуляторов, для которых эта разность имеет положительное значение, тем больше значение выходного сигнала I датчика 5, тем больше величина суммы ΣΔU.
i
i
Таким образом, выходной сигнал датчика тока 5 и сумма ΣΔU характеризуют степень отличия текущих значений напряжений на аккумуляторах батареи от текущего среднего значения этих напряжений, или во времени характеризует идентичность значений напряжений аккумуляторов батареи и, следовательно, идентичность значений уровней заряда этих аккумуляторов.
i
i
При принятии решения о состоянии аккумуляторной батареи заявляемым способам могут быть использованы показания индикаторов напряжения, которые непосредственно определяют аккумуляторы с пониженным выходным напряжением, или текущие значения суммы ΣΔU, отображаемые блоком преобразования и регистрации 4.
i
C
i
i
i
Для формирования таких оценок нет необходимости работать с каждым аккумулятором отдельно, накапливая и обрабатывая промежуточную информацию о состоянии каждого из них. Заявляемый способ позволяет получать в режиме автомата разности напряжений ΔU=U-U одновременно для всех аккумуляторов батареи. Преобразовать их в соответствующие значения токов, сформировать на этой основе обобщенный сигнал ΣΔU. Этот сигнал позволяет непосредственно сделать вывод о качестве отбора аккумуляторов при объединении их в батарею или при входном контроле батареи. Одновременно индикаторы напряжения непосредственно укажут на аккумуляторы с пониженным выходным напряжением в составе батареи. Способ существенно упрощает процедуру контроля идентичности значений напряжений аккумуляторов и делает ее более совершенной, позволяет выполнять эту процедуру в режиме автомата в реальном времени и обеспечивает достижение поставленной цели.
Таким образом, выявленные отличительные признаки обеспечивают достижение поставленной цели, они не встречались в ранее известных технических решениях в предложенной совокупности и могут быть квалифицированы как существенные отличия.
Заявляемый способ может быть использован при промышленном производстве и входном контроле аккумуляторных батарей, при оснащении автономных систем электропитания ракетно-космической техники.
Источники информации
1. Авторское свидетельство РФ №1061198, H01M 10/48, 1983 г.
2. Патент РФ №2246155 С2, H01M 10/48, от 17.06.2002 г.
3. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы - М.: Изумруд, 2003 г.
4. Патент РФ №2408958 CI, H01M 10/44, от 03.11.2009 г.