ИМПУЛЬСНО-РЕЛАКСАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам измерения, контроля и диагностики химических источников тока, в частности, никель-кадмиевых аккумуляторов находящихся в составе батареи и работающих в режиме буферного подзаряда.
При длительном сроке эксплуатации или нахождении аккумуляторов в буферном режиме подзаряда в системах аварийного электроснабжения происходит их естественная неоднородная деградация в батареи, приводящая к ограничению и снижению емкости как отдельных аккумуляторов, так и всей аккумуляторной батареи в целом. Для оценки уровня деградации необходимо периодически измерять основные эксплуатационные параметры отдельных аккумуляторов, к которым относятся: остаточная емкость аккумулятора, внутреннее сопротивление аккумулятора переменному току, сопротивление постоянному току.
Известно устройство для определения остаточной емкости аккумуляторной батареи (А.с. СССР №1619360, H01M 10/48, 1991 г.), где аккумуляторную батарею подключают к тестовой нагрузке и, измеряя напряжение до и после подключения нагрузки вычисляют по формулам коэффициент разряженности аккумуляторной батареи (АКБ). Недостатками устройства являются:
- неточность определения емкости, так она сводится практически к определению внутреннего сопротивления АКБ, а данная величина существенно нелинейная и зависит от большого числа факторов напрямую не связанных с остаточной емкостью;
- необходим разряд аккумулятора достаточно большими импульсными токами, что может привести к выходу из строя тестируемого аккумулятора.
Известно устройство для измерения электрической емкости химических источников тока (Патент РФ №2354985, G01R 31/36, 2007 г.) включающее измеряемый химический источник тока, ключи на замыкание цепи на конденсатор известной емкости, блоки подсчета времени, вычислитель и цепи управления. Расчет остаточной емкости осуществляется по формуле на основе измеренного времени заряда конденсатора известной емкости. Недостатки устройства:
- реализация прямой коммутации конденсатора к полюсам контролируемого аккумулятора может привести к выходу его из строя и не безопасно с точки зрения возникновения пожара;
- необходимость демонтажа контролируемого аккумулятора из батареи.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототипом) является устройство для оценки остаточного заряда аккумулятора или батареи (патент US №6313607 от 09.01.1999 г.), содержащее блок управления с подключенными блоком измерения, формирующим гармонические сигналы воздействия, регистрирующим ответные сигналы отклика и вычислителем, реализующим расчет внутренних параметров аккумулятора по сформированным и измеренным сигналам, к которому подключен блок отображения информации для вывода рассчитанных значений остаточной емкости аккумулятора. При этом на аккумулятор подается зондирующее напряжение или ток и по полученным ответным значениям тока или напряжения вычисляется значение остаточной емкости в соответствии с эквивалентной схемой замещения по переменному току. По сути, в устройстве реализуется измерение внутренних реактивных сопротивлений аккумулятора переменному току. Значениям этих сопротивлений ставится в соответствие остаточная емкость аккумулятора. Недостатки устройства:
- сложность схемы устройства из-за реализации частотно-изменяемого гармонического сигнала воздействия;
- вычислительная сложность оценки внутренних параметров схемы замещения аккумулятора по переменному току;
- неточность оценки остаточной емкости аккумулятора из-за сложной зависимости ее от измеряемых и вычисляемых параметров по переменному току;
- необходимость демонтажа аккумулятора из батареи для оценки остаточного заряда.
Перед авторами стояла задача построения устройства оценки параметров отдельных негерметичных никель-кадмиевых аккумуляторов, собранных в батарею и находящихся в рабочем (буферном) состоянии без их демонтажа из батареи. Количественно оцениваться должны следующие параметры: величина остаточной емкости с учетом степени деградации; внутренние сопротивления аккумулятора переменному и постоянному току.
Задача оценки текущей емкости и других параметров с учетом уровня деградации отдельных аккумуляторов решается на основе импульсно-релаксационного подхода, суть которого заключается в измерении изменяющегося во времени тока отклика аккумулятора, при подаче на него фиксированных внешних потенциостатических воздействиях и путем проведения вычислений по формулам с учетом характера изменения во времени отклика для оценки основных эксплуатационных параметров аккумулятора.
Такой подход позволяет более точно количественно судить, как об остаточной емкости батареи, так и о других параметрах аккумулятора, с учетом деградации, так как именно реактивные элементы модели аккумулятора описывают динамику изменения тока (переходный процесс) и как известно, наиболее полно характеризует главный контролируемый параметр - остаточную емкость с учетом степени деградации. Использование потенциостатического воздействия  не большой величины (0,05-0,50 B) относительно напряжение разомкнутой цепи  или зарядного буферного напряжения аккумулятора не требует громоздких, сложных и мощных внешних источников напряжения. Достаточно устойчивое и существенное изменение тока аккумулятора  при этом потенциостатическом воздействии позволяет реализовывать хорошо обусловленные математические модели параметров аккумулятора от измеренных во времени токовых значений и получать приемлемую точность оценки параметров (относительная погрешность не более 3-5%).
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена зависимость потенциостатического тока от времени и указаны моменты времени, в которые измеряются требуемые для расчетов отсчеты тока.
Согласно импульсно-релаксационному подходу, реализованному в устройстве, основные параметры аккумулятора определяются по следующим формулам:
R=; R=; Q=+,
где R − оценка внутреннего сопротивления аккумулятора переменному току; R − оценка сопротивления постоянному току; Q − оценка остаточной емкости аккумулятора;  − приращение потенциостатического напряжения; I, I, I, I − значение тока  аккумулятора, измеренные в моменты времени ; , , , ,  − коэффициенты множественной регрессии (математической модели), полученные для заданного аккумулятора заранее.
Для определения коэффициентов модели , , , ,  перед началом эксплуатации устройства однократно для конкретного типа аккумулятора осуществляют обучение. При этом используется обучающая выборка  для данного типа аккумулятора полученная опытным путем, представляющая собой набор из следующих пар измерений , где  - набор конкретного значения остаточной емкости аккумулятора и соответствующий данной емкости отсчеты тока . Число наборов N>4 выбирается таким, чтобы покрыть весь рабочий диапазон изменения остаточной емкости аккумулятора.
По обучающей выборке составляется система уравнений для параметрической идентификации множественной регрессии:
Решение получают с использование метода наименьших квадратов. Как показали вычислительные эксперименты, данная задача не является плохо обусловленной и модель обеспечивает достаточную точность оценки остаточной емкости.
На фиг. 2 представлена структурная схема импульсно-релаксационного устройства 1 оценки параметров никель-кадмиевых аккумуляторов, подключенная к элементу контролируемой батареи 2, находящейся в режиме буферной подзарядки.
Устройство 1 содержит управляемый стабилизатор напряжения 7, два вывода напряжения, которого подключены к двум входам блока измерений 5, а вход его к блоку управления 3, блок памяти измеренных отсчетов 6, первый вход которого подключен к блоку измерений 5, второй вход к блоку управления 3, а выход к вычислителю 4, блок параметров модели 8, выход которого подключен к вычислителю 4, два входа подключены, соответственно, к блоку управления 3 и к внешней ЭВМ в режиме обучения, блок отображения 9, два входа которого подключены, соответственно, к блоку управления 3 и вычислителю 4, блок состояния и кнопок 10, выход которого подключен к блоку управления 3, а вход к вычислителю 4, контролируемый аккумулятор 12 батареи 2 подключен своими двумя выводами к третьему и четвертому выводам блока измерений 5, в свою очередь, блок измерений 5 своим входом и выходом также подключен к блоку управления 3.
Контролируемая батарея 2 в буферном режиме работы содержит большое количество последовательно соединенных аккумуляторов, на схеме для простоты показаны три аккумулятора 11, 12 и 13 и устройство буферного подзаряда 14.
Устройство работает следующим образом. Блок управления 3, получив сигнал от оператора через блок состояния и кнопок 10, начинает формировать команду управления для блока измерений 5. По этой команде блок измерений 5, измеряет текущее напряжение  на контролируемом аккумуляторе 12, батареи 2, работающей в режиме буферного подзаряда от устройства 14 и измеренное значение передает в блок управления 3. Блок управления 3, определяет требуемое значение приращения потенциостатического напряжения  на аккумуляторе и передает в управляемый стабилизатор напряжения 7 значение потенциостатического напряжения , которое формируется им для контролируемого аккумулятора 12. Через блок измерений 5 напряжение , в форме ступенчатого импульса подается на тестируемый аккумулятор 12 батареи 2 и вызывает в цепи аккумулятора 12 потенциостатический ток . Блок управления 3 начинает отсчет времени и через интервалы времени  (3, 6 и 30 секунд) подает сигналы в блок измерений 5 для измерения отсчетов , протекающего через аккумулятор 12 тока . Начальное , и измеренные отсчеты тока  передаются блоком измерений 5 и сохраняются в блоке памяти измеренных отсчетов 6. Вычислитель 4 по команде из блока управления 3, и используя измеренные отсчеты тока  из блока памяти измеренных отсчетов 6 реализует расчет и оценку основных параметров аккумулятора 12 по формулам приведенным выше. В расчете используются параметры модели , читаемые вычислителем 4 из блока параметров модели 8. Эти параметры зависят от типа контролируемого аккумулятора и заносятся в блок параметров модели 8 однократно перед началом использования устройства, как справочные данные с использованием блока состояния и кнопок 10 через блок управления 3 или загружаются непосредственно с ЭВМ верхнего уровня. Таким образом, устройство 1 может адаптивно подстраиваться под тип контролируемого аккумулятора. Рассчитанные значения параметров аккумулятора 12 высвечиваются оператору на блоке отображения 9. Таким образом, реализуется полный цикл измерения и далее можно осуществлять контроль следующего аккумулятора в батареи. Весь процесс контроля аккумулятора осуществляется за время порядка 30 секунд, что обеспечивает оперативность контроль. Значение контрольных моментов времени измерения  сохраняются для аккумуляторов с большим разбросом емкости.