УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
DEVICE OF ACCUMULATOR BATTERY CONTROL

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к контролю выходного напряжения и сопротивления изоляции аккумуляторных батарей.
Известно устройство контроля изоляции сети постоянного тока, содержащее мост, два плеча которого образованы постоянными резисторами, третье - сопротивлением изоляции сети постоянного тока между «плюсом» источника питания и «землей», четвертое - сопротивлением изоляции сети постоянного тока между «минусом» источника питания и «землей». В диагональ моста включен вольтметр, одна из клемм которого подключена к «земле». Питание моста выполняется от источника питания сети постоянного тока (см. Справочник по наладке вторичных цепей электростанций и подстанций. Под редакцией Э.С. Мусаэляна. - М.: Энергия, 2-е издание, переработанное и дополненное., 1979 г., стр.86, 87).
Недостатками известного устройства является то, что вольтметр (индикатор) имеет гальваническую связь с контролируемой сетью постоянного тока и «землей», что ограничивает область его применения. Кроме того, данное устройство не контролирует выходное напряжение сети постоянного тока.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является преобразователь напряжения постоянного тока с гальванической развязкой выходного напряжения от первичной цепи питания (см. Справочник по радиоэлектронике, т.2, под редакцией Куликовского А.А., - М.: Энергия, 1968 г., стр.387). Преобразователь постоянного напряжения построен по схеме симметричного автогенератора с трансформаторной обратной связью, выходная обмотка автогенератора подключена к выпрямителю, выход которого соединен с индикатором. При изменении напряжения первичного источника питания происходит пропорциональное изменение напряжения на выходе преобразователя, то есть данное устройство можно использовать как измеритель постоянного напряжения источника питания (аккумуляторной батареи) с гальванической развязкой от шин питания и корпуса источника питания (аккумуляторной батареи).
Недостатком данного устройства является отсутствие контроля сопротивления изоляции между шинами питания и корпусом аккумуляторной батареи, что ограничивает его область применения.
Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем контроля изоляции шин питания аккумулятора относительно корпуса, измерения выходного напряжения аккумулятора и обеспечения гальванической развязки цепей индикации от шин питания и корпуса аккумулятора.
Ожидаемый технический эффект достигается тем, что в устройство контроля аккумуляторной батареи, содержащее аккумуляторную батарею, подключенный к ней преобразователь постоянного напряжения, выполненный по схеме автогенератора с трансформаторной обратной связью, выходная обмотка преобразователя подключена к выпрямителю, выход которого соединен с первым выводом индикатора, введены источник тока, сдвоенный транзисторный оптрон, операционный усилитель, два резистора и дополнительный индикатор, первый резистор включен между плюсовым выводом аккумуляторной батареи и анодом светодиода первого оптрона, катод светодиода первого оптрона подключен к корпусной шине аккумуляторной батареи и к первому выводу источника тока, второй вывод источника тока соединен с минусовым выводом аккумуляторной батареи, выпрямитель выполнен двухполярным, средний вывод выходной обмотки соединен с общей шиной, плюсовой вывод выпрямителя подключен к коллектору транзистора второго оптрона и к плюсовой шине питания операционною усилителя, минусовой вывод выпрямителя подключен к эмиттеру транзистора первого оптрона и к минусовой шине питания операционного усилителя, общая шина соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя, со вторым выводом индикатора, с первым выводом дополнительного индикатора и с первым выводом второго резистора, выход операционного усилителя подключен к аноду светодиода второго оптрона, катод светодиода второго оптрона подключен ко второму выводу второго резистора и ко второму выводу дополнительного индикатора, эмиттер транзистора второго оптрона соединен с коллектором транзистора первого оптрона и инвертирующим входом операционного усилителя, величина сопротивления R первого резистора установлена равной R=E/2J, где E - номинальное напряжение аккумуляторной батареи, J - величина тока, вырабатываемого источником тока, источник тока выполнен на полевом транзисторе с p-n переходом и дополнительном резисторе, включенном между истоком и затвором полевого транзистора, сток полевого транзистора подключен к первому выводу источника тока, а затвор транзистора подключен ко второму выводу источника тока.
На чертеже приведена функциональная схема устройства контроля аккумуляторной батареи.
Устройство контроля аккумуляторной батареи содержит аккумуляторную батарею 1, подключенный к ней преобразователь постоянного напряжения 2, выполненный по схеме автогенератора с трансформаторной обратной связью, выходная обмотка 3 преобразователя 2 подключена к выпрямителю 4, выход которого соединен с индикатором 5. В него введены: источник тока 6, сдвоенный транзисторный оптрон 7, операционный усилитель 8, два резистора 9, 10 и дополнительный индикатор 11. Источник тока 6 выполнен на полевом транзисторе с p-n переходом 12 и дополнительном резисторе 13, включенном между истоком и затвором полевого транзистора 12, сток полевого транзистора 12 подключен к корпусной шине аккумулятора, а затвор транзистора 12 подключен к минусовому выводу аккумуляторной батареи 1. Величина сопротивления резистора 9 установлена равной E/2J, где Е - номинальное напряжение аккумуляторной батареи 1, J - величина тока, вырабатываемого источником тока 6.
Устройство работает следующим образом.
При подаче питания на устройство от аккумуляторной батареи 1 автогенератор 2 вырабатывает симметричные импульсы напряжения, амплитуда которых равна Е -величине ЭДС аккумуляторной батареи 1. Эти импульсы напряжения наводят в выходной обмотке 3 автогенератора 2 импульсы напряжения, пропорциональные коэффициенту трансформации обмоток и величине ЭДС аккумуляторной батареи 1. После выпрямления двухполярным выпрямителем 4 постоянное напряжение U5 поступает на индикатор 5, показания которого пропорциональны Е. Так как выходная обмотка 3 автогенератора 2 изолирована от аккумуляторной батареи 1, то и индикатор 5 изолирован от нее. Кроме того, от двухполярного выпрямителя 4 запитаны сдвоенный транзисторный оптрон 7 и операционный усилитель 8, что обеспечивает изоляцию индикатора 11 от аккумуляторной батареи 1.
В исходном режиме по цепи: резистор 9 - светодиод первого оптрона 7.1 источник тока 6 течет ток, задаваемый источником тока 6. Чтобы не разряжать аккумуляторную батарею 1, величина этого тока установлена в пределах 0,01…0,1 мА. Светодиод оптрона 7.1 излучает световой поток, пропорциональный току источника тока
6. Этот световой поток открывает фототранзистор оптрона 7.1, за счет чего на входе операционного усилителя 8 появляется разностное напряжение. Так как операционный усилитель 8 охвачен отрицательной обратной связью через второй оптрон 7.2, то на выходе операционного усилителя 8 вырабатывается напряжение, пропорциональное току источника тока 6 и величине сопротивления резистора 10. Это напряжение регистрируется индикатором 11. Так как индикатор 11 должен фиксировать три состояния аккумуляторной батареи, а именно: 1 - короткое замыкание плюсовой шины на корпус, 2 - короткое замыкание минусовой шины на корпус и 3 - отсутствие короткого замыкания шин на корпус, то в исходном состоянии величина сопротивления резистора 10 устанавливается такой, чтобы показания индикатора 11 были равны половине его шкалы.
При изменении ЭДС аккумуляторной батареи 1 (например, при уменьшении за счет разрядки с течением времени) амплитуда импульсов, вырабатываемых автогенератором 2, пропорционально уменьшается, а следовательно, уменьшается и напряжение на выходе выпрямителя 4, что будет зарегистрировано индикатором 5. При этом величина тока, вырабатываемого источником тока 6, не изменяется, поэтому напряжение на выходе операционного усилителя 8 и показания индикатора 11 будут постоянными.
При коротком замыкании плюсового вывода аккумуляторной батареи 1 на ее корпусную шину светодиод первого оптрона 7.1 будет зашунтирован, ток через него прекратится и фототранзисторы оптронов 7.1 и 7.2 закроются, ток на выходе операционного усилителя 8 станет равным нулю и напряжение на токоприемном резисторе 10, а следовательно, и на выходе индикатора 12 станет равным нулю. Очевидно, что при снижении сопротивления изоляции между плюсовым выводом аккумулятора 1 и корпусной шиной, например, до уровня, при котором его величина равна 0,01…0,1 сопротивления резистора 9, приведет к пропорциональному уменьшению тока через светодиод первого оптрона 7.1 в 100…10 раз. Это приведет к снижению напряжения на токоприемном резисторе 10 и на выходе индикатора 11 до уровня показаний 0,01…0,1 от полной шкалы индикатора 11, то есть ток утечки плюсовой шины аккумулятора 1 на корпус будет зарегистрирован.
При коротком замыкании минусового вывода аккумулятора 1 на его корпусную шину происходит шунтирование источника тока 6. При этом ток светодиода первого оптрона 7.1 увеличивается в два раза, так как он будет равен E/R9. Увеличение тока светодиода первого оптрона 7.1 в два раза приведет к увеличению тока светодиода второго оптрона 7.2 также в два раза, а следовательно, и к увеличению вдвое падения напряжения на токоприемном резисторе 10 и на выходе индикатора 11. То есть показания индикатора 11 будут соответствовать 100% его шкалы. Очевидно, что при снижении сопротивления изоляции между минусовым выводом аккумулятора 1 и корпусной шиной, например, до уровня, при котором его величина равна 0.01...0.1 величины сопротивления резистора 9, приведет к пропорциональному увеличению тока через светодиод первого оптрона 7.1, что приведет к 99...90% показаниям от полной шкалы индикатора 11. Таким образом, данный ток утечки минусовой шины аккумулятора на корпус будет зарегистрирован.
При использовании заявляемого устройства величина сопротивления резистора 9, равная E/2J, при напряжении аккумуляторной батареи 30 В устанавливалась в пределах 150 кОм…1,5 МОм. Поэтому уверенно обнаруживаемая величина сопротивления изоляции между плюсовым (минусовым) выводом аккумулятора 1 и его корпусной шиной была равна 0…30 кОм.
В настоящее время в разных изделиях применяются современные литий-ионные аккумуляторные батареи. Рабочее напряжение в течение цикла заряд-разряд литий-ионного элемента изменяется от 4,2 до 2,7 В. Для батареи, состоящей из 8-и последовательно соединенных элементов, рабочее напряжение будет изменяться от 33,6 до 21,6 В. Это изменение будет регистрироваться индикатором 5 с погрешностью 1…2%. При этом показания индикатора 11 при отсутствии короткого замыкания плюсового и минусового выводов аккумуляторной батареи 1 на ее корпусную шину будут составлять 50% шкалы индикатора 11 с погрешностью 3…5% (при использовании в качестве источника тока 6 полевого с p-n переходом транзистора 12 и резистора 13).
Введение и соответствующее подключение новых элементов в устройство контроля обеспечивает расширение его функциональных возможностей и гальваническую развязку индикаторов 5 и 11 от аккумулятора 1. Наличие гальванической развязки между аккумулятором 1 и индикаторами 5 и 11 позволяет повысить помехозащищенность устройства и выполнить требования по искробезопасности устройства в соответствии с ГОСТ 22782.5-78.