УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
STORAGE BATTERIES TECHNICAL CONDITION MONITORING AND CONTROL DEVICE

Изобретение относится к цифровой измерительной технике для измерения контролируемых параметров аккумуляторных батарей различного назначения на базе современных микропроцессорных систем.
Известна автоматизированная система контроля параметров и диагностики текущего состояния аккумуляторных батарей (АКБ) по датчикам напряжения, давления, течи электролита, счетчикам ампер-часов [1]. Однако система является сложной, требует упрощения: замены сильфонных датчиков давления, датчики течи электролита констатируют факт разгерметизации герметичного аккумулятора, используются упрощенные (простые) микропроцессоры [1, с. 48]. Известные адаптивные компьютерные системы управления и контроля модулей блоков питания не учитывают фактическую емкость АКБ, а, следовательно, их ресурс [1, с. 210, рис. 9.5].
Известен способ [2] оценки технического состояния и отбраковки аккумуляторов в аккумуляторных батареях по величине измеренного напряжения в определенные промежутки времени и вычислению безразмерного коэффициента состояния аккумулятора. Приводится устройство оценки, содержащее аналогово-цифровой преобразователь, постоянное запоминающее устройство и простейший микропроцессор, выполняющий расчет безразмерного коэффициента состояния аккумулятора.
Данный способ и устройство [2] оценку состояния аккумулятора осуществляют по одному измеряемому параметру - напряжению и не учитывают изменение температуры аккумулятора, что существенно влияет на вид его разрядно-зарядной характеристики и результат оценки.
Известно устройство определения энергоресурса аккумуляторных батарей [3], содержащее цифровой генератор инфранизкой частоты и цифровые измерители тока и напряжения. Однако при наличии современных микропроцессорных технологий рассматриваемое устройство получается достаточно сложным и, кроме того, определяет только один контролируемый параметр аккумуляторной батареи - энергоресурс и не учитывает ее температуру.
Известна система контроля параметров аккумуляторной батареи [4], содержащая датчики напряжения, тока, уровня электролита, температуры. Однако датчик температуры располагается на корпусе аккумуляторной батареи и не учитывается температура отдельных аккумуляторов, что не способствует достоверной оценки их состояния.
Известна автоматизированная система контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования [5], содержащая датчики напряжения, ЭДС, токов разряда и заряда, датчики уровня электролита и его температуры, одноплатную ЭВМ с соответствующими компонентами (адаптер интерфейса CAN-bus, микроконтроллер и т.д.). Однако при наличии современных микропроцессорных устройств автоматизированная система контроля и диагностики значительно упрощается. Кроме того, известное устройство не определяет фактическую емкость аккумуляторных батарей, что снижает достоверность диагностики.
Наиболее близким по технической сущности является устройство [6] оценки состояния аккумулятора по измеренным значениям его напряжения, тока, температуры и последующего их сравнения с аналогичными компонентами вычисления его математической модели, включающее электронный модуль управления и вычислений [6]. Известное устройство, с одной стороны, достаточно простое - в результате работы контролируется три параметра (напряжение, ток и температура), с другой стороны, достаточно сложные расчеты на электронном модуле управления и контроля.
Таким образом, все рассмотренные устройства [1-6] не предусматривают оценку аккумуляторных батарей по полной совокупности контролируемых параметров, включая фактическую емкость АКБ в любой измеряемый момент времени с достаточной точностью и достоверностью диагностики, контроля и предупреждения аварийного состояния, например повышение давления для герметичных элементов, температуры, предупреждения переполюсовки при недопустимом снижении напряжения, перезарядки при увеличении тока и времени зарядки и не обеспечивают управление техническим состоянием аккумуляторных батарей в процессе эксплуатации.
В основу изобретения поставлена задача повышения точности и достоверности диагностирования технического состояния аккумуляторных батарей с использованием цифрового генератора синусоидального тока инфранизкой частоты, позволяющего определять фактическую емкость АКБ в любой измеряемый момент времени, за счет непрерывного и точного мониторинга ее параметров, контроля и предупреждения аварийного состояния (повышение давления - для герметичных элементов, температуры, предупреждения переполюсовки - при недопустимом снижении напряжения, перезарядки - при увеличении тока и времени зарядки и т.п.) на базе современных микропроцессорных систем, а также обеспечение управления техническим состоянием аккумуляторных батарей через включение при необходимости зарядно-разрядного устройства.
Поставленная задача решается тем, что устройство контроля и управления техническим состоянием аккумуляторных батарей, содержит датчик напряжения, датчик тока, датчик температуры, микропроцессор, источник опорного питания, причем выходы всех датчиков подключены к входам микропроцессора, выход источника опорного питания - к аналоговому входу микропроцессора; в устройство введены цифровой генератор синусоидального тока инфранизкой частоты, компенсирующее устройство, регистрирующее устройство, устройство связи, устройство индикации, зарядно-
разрядное устройство, датчик давления и датчик измерения сопротивления изоляции, причем выходы всех датчиков через блок аналогово-цифровых преобразователей подключены к входам микропроцессора, который включает управляющее устройство, компаратор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, банк данных, цифровые измерители переменных напряжения и тока, при этом цифровой генератор синусоидального тока инфранизкой частоты через аккумуляторную батарею и компенсирующее устройство подключен к входам цифрового измерителя тока и напряжения микропроцессора, а микропроцессор в свою очередь подключен к цифровому генератору синусоидального тока инфранизкой частоты и зарядно-разрядному устройству, а также к входу регистрирующего устройства и устройству связи, причем регистрирующее устройство подключено к устройству индикации.
Оценка аккумуляторных батарей осуществляется по полной совокупности контролируемых параметров, включая фактическую емкость АКБ в любой измеряемый момент времени с достаточной точностью и достоверностью диагностики, контроль и предупреждение аварийного состояния, например повышения давления для герметичных элементов, температуры, предупреждение переполюсовки при недопустимом снижении напряжения, перезарядки при увеличении тока и времени зарядки и обеспечивается управление техническим состоянием аккумуляторных батарей в процессе эксплуатации.
На графическом материале представлена блок-схема устройства контроля и управления техническим состоянием аккумуляторных батарей с использованием микропроцессора
Устройство контроля и управления техническим состоянием аккумуляторных батарей включает: 1 - аккумуляторную батарею; 2 - комплект датчиков; 3 - блок аналогово-цифровых преобразователей; 4 - цифровой генератор синусоидального тока инфранизкой частоты; 5 - компенсирующее устройство; 6 - источник опорного питания постоянного
тока; 7 - микропроцессор; 8 - регистрирующее устройство; 9 - устройство связи; 10 - устройство индикации; 11 - зарядно-разрядное устройство.
Комплект датчиков 2 включает датчики постоянных напряжения (U) и тока (I), датчик температуры (Т), датчик давления (Р), датчик сопротивления изоляции батареи (Rиз). Блок аналогово-цифровых преобразователей 3 преобразует аналоговые сигналы, выдаваемые датчиками в цифровые и далее подает их на входы микропроцессора 7.
Цифровой генератор синусоидального тока инфранизкой частоты подключен к АКБ и к микропроцессору 7.
Компенсирующее устройство 5 предназначено для компенсации постоянного напряжения батареи при измерении переменных напряжения и тока, генерируемых цифровым генератором синусоидального тока инфранизкой частоты 4.
Источник опорного питания постоянного тока 6 обеспечивает питание микропроцессора. Источник подключается к аналоговому входу микропроцессора 7.
Микропроцессор 7 в свою очередь подключен к цифровому генератору синусоидального тока инфранизкой частоты и зарядно-разрядному устройству 11 и обеспечивает управление работой всех частей устройства контроля и управления техническим состоянием аккумуляторных батарей, а также осуществляет связь с оператором и внешними устройствами (регистрирующим устройством 8, устройством связи 9, устройством индикации 10 и с зарядно-разрядным устройством 11).
Необходимость регистрирующего устройства 8 определяется требованием отсутствия потери информации в случаях отказа, отключений или замены микропроцессора 7. При этом должна быть предусмотрена возможность обратного обращения восстановленного микропроцессора 7 к информации с регистрирующего устройства 8.
Устройство связи 9 предназначено для передачи данных в систему контроля и управления более высокого уровня, причем оно соединено с регистрирующим устройством 8 и имеет общую шину данных с микропроцессором 7.
Устройство индикации 10 фиксирует и отображает основные показатели, характеризующие работоспособность аккумуляторной батареи, например, энергоресурс и нахождение контролируемых параметров в допустимых пределах.
Зарядно-разрядное устройство 11 предназначено для заряда и подзаряда аккумуляторных батарей при снижении ее фактической емкости ниже предельно допустимого значения, а также разряда при перезаряде АКБ выше допустимого значения.
Перед началом функционирования устройства контроля и управления техническим состоянием аккумуляторных батарей выполняется его настройка, при которой в память устройства вводится количество, диапазон и предельные значения контролируемых параметров аккумуляторной батареи 1.
С микропроцессора 7 подается команда на включение всего устройства контроля и управления техническим состоянием АКБ. Сигналы с комплекта датчиков 2 через блок аналогово-цифровых преобразователей 3 подаются на микропроцессор 7.
Сигнал с цифрового генератора синусоидального тока инфранизкой частоты 4 через батарею и компенсирующее устройство 5 подается на входы цифровых измерителей переменных напряжения и тока, расположенных в микропроцессоре 7.
Сигналы с комплекта датчиков 2 и цифровых измерителей переменного тока сравниваются с базовыми значениями банка данных микропроцессора 7, затем результирующие сигналы передаются в регистрирующее устройство 8.
В системах автономного электроснабжения для аккумуляторных батарей малой мощности и энергоемкости (например, кислотные, никель-кадмиевые, литиевые гальванические и т.п.) целесообразно применять цифровой генератор инфранизкой частоты [7], а для батарей большой
мощности и энергоемкости (например, литий-ионные, литий-серные и т.п.) -современный цифровой генератор инфранизкой частоты [8].
Как показали экспериментальные исследования, проведенные ранее [3], при фиксированном значении стимулирующего сигнала в области инфранизких частот были получены параметрические зависимости реактивного сопротивления от степени разряженности аккумуляторной батареи при разных температурах, которые размещаются в банке данных микропроцессора 7.
Сигналы с датчика напряжения постоянного тока (U) находятся в заданных пределах. Сигналы с датчиков постоянного тока (I), температуры (Т) и давления (Р) не должны превышать максимальных предельно допустимых значений, а с датчика сопротивления изоляции цепи (Rиз) - минимально допустимого значения.
Математическая модель работоспособности аккумуляторной батареи 1 в виде констант и программ закладывается в память постоянного запоминающего устройства микропроцессора 7. При глубокой проработке математической модели можно отказаться от подачи испытательных воздействий, а диагностику проводить по реакции аккумуляторной батареи 1 на изменение внешних условий (температуры, давления и др.) с учетом тенденции изменения характеризуемых параметров и функций. Это облегчает аппаратурную и особенно организационную реализацию контроля и управления техническим состоянием АКБ.
Наличие у микропроцессора 7 нескольких регистров общего назначения дает возможность разбить аккумуляторные батареи на несколько групп и для углубленного контроля сравнивать их параметры между собой.
Для полной автономности устройства контроля и управления техническим состоянием АКБ необходимо организовать его работу циклически или по вызову. При полной автономности устройства контроля и управления техническим состоянием АКБ последнее может быть
запрограммировано, отлажено и встроено в аккумуляторную батарею непосредственно на заводе-изготовителе.
При автономном функционировании устройства контроля и управления техническим состоянием в аккумуляторных батареях, не включенных в автономную систему электроснабжения, используется устройство индикации 10, работающее по вызову и инициирующее основные параметры аккумуляторной батареи, например, энергоресурс и нахождение контролируемых параметров в допустимых пределах.
Таким образом, техническая реализация контроля и управления техническим состоянием аккумуляторных батарей с использованием микропроцессора может быть преобразована в устройство встроенного контроля по фактическому техническому состоянию, функционирующее как автономно, так и в системе энергоснабжения изделий.
Источники информации
1. Берг В.Р., Бродников С.Н., Гуров А.А., Буланов Р.Н. Методы, модели и технологии модернизации систем автономного электроснабжения ракетных комплексов / Монография под ред. Гурова А.А. - М.: Изд. Центр АО «ГОКБ»Прожектор», 2015. - 318 с.
2. Пат. 2466418 С2, Российская Федерация, МПК G01R 31/36. Способ оценки технического состояния и отбраковки аккумуляторов в аккумуляторных батареях / С.В. Городилов, А.В. Яшин. - №2009145966/28; заявл. 07.12.2009; опубл. 10.11.2012, Бюл. №31. - 16 с.
3. Пат. 2279738 С2, Российская Федерация, МПК Н01М 10/48, G01R 31/36. Устройство определения энергоресурса аккумуляторных батарей / К.В. Капелько, С.К. Крылов, Р.Н. Буланов и др. - №2004123757/09; заявл. 04.08.2004; опубл. 10.07.2006, Бюл. №19. - 6 с.
4. Пат. на полезную модель 129259 U1, Система контроля параметров аккумуляторной батареи / А.С. Логинов, А.В. Марков, С.С. Дериглазов - №2012147824/28; заявл. 09.11.2012; опубл. 20.06.2013, Бюл. №17. - 2 с.
5. Пат. 2474832 С2, Российская Федерация, МПК G01R 31/36. Автоматизированная система контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования / А.П. Темирев, В.И. Киселев, А.В. Кротенко и др. - №2011103036/28; заявл. 28.01.2011; опубл. 10.02.2013, Бюл. №4. - 20 с.
6. Пат. 2524050 С1, Российская Федерация, МПК G01R 31/36. Устройство оценки состояния аккумулятора и способ оценки состояния аккумулятора / Тадзое Кадзухико (JP), Накамура Хидео (JP), Умеки Сихо (JP). - №2013107399/28; заявл. 19.07.2011; опубл. 27.07.2014, Бюл. №21. - 30 с.
7. Авторское свидетельство 388348, СССР, МПК H03K 3/72. Цифровой генератор инфранизкой частоты / К.В. Капелько, С.К. Крылов, Д.А. Попов и др. - №1683549/26-9; заявл. 14.07.1971; опубл. 22.06.1973, Бюл. №28. - 2 с.
8. Пат. 2541143 С1, Российская Федерация, МПК H03K 4/02. Цифровой генератор инфранизкой частоты / К.В. Капелько, Р.Н. Буланов, С.К. Крылов и др. - №2014102927/08; заявл. 30.01.2014; опубл. 10.02.2015, Бюл. №4. - 7 с.