УСТРОЙСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ АККУМУЛЯТОРА И КОНТРОЛЯ ЕГО РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам заряда химических источников тока, и может быть использовано для заряда аккумуляторов, преимущественно, никель-кадмиевых и никель-металлгидридных герметичных цилиндрических, и контроля их работоспособности с учетом данных, полученных в процессе эксплуатации этих изделий.
Работоспособность технических устройств и систем, функционирующих в автономном режиме, наиболее часто обеспечивается с помощью химических источников тока (ХИТ) - аккумуляторов.
Среди большого ассортимента ХИТ, производимых и широкого потребляемых в мире, значительное место по популярности занимают никель-кадмиевые и никель-металлгидридные [Л1] герметичные цилиндрические аккумуляторы (далее - аккумулятор), которые широко применяются в различной технике, например, для электропитания радиостанций, радиотелефонов и радио-удлинителей, портативных компьютеров, цифровых фотоаппаратов и видеокамер, различных приборов, инструментов и других устройств.
Актуальность этих аккумуляторов, как показано в [Л2-Л3], обусловлена рядом их достоинств и преимуществ, среди которых: высокая надежность, долговечность, большое количество циклов заряда/разряда, работоспособность при низких температурах, поддержка больших разрядных токов, способность заряжаться как малыми, так и большими токами, а также низкая стоимость. Кроме того, все эти аккумуляторы являются взрывопожаробезопасными, выдерживают короткие замыкания и конструктивно оснащены прочным герметичным корпусом, который выдерживает давление внутренних газов в тяжелых условиях эксплуатации. Поэтому, аккумуляторы данного типа востребованы во многих применениях, в том числе, ответственных, то есть там, где требуется обеспечить высокий уровень надежности функционирования устройств и систем, например, в связи, медицине, военном деле и др. При этом, эффективность работы упомянутых устройств и систем, в том числе, надежность и длительность их автономной работы, существенно зависит от состояния системы электропитания, основу которой составляет аккумулятор. Для обеспечения высокой надежности функционирования системы электропитания упомянутых устройств и систем, необходимо обеспечить качественное обслуживание аккумулятора с надежным контролем его работоспособности. Иными словами, поскольку аккумулятор является важным элементом, который существенным образом влияет на работоспособность и надежность устройств и систем, которые от него получают электропитание, то качественное обслуживание и эффективный контроль работоспособности аккумулятора (КО и ЭКРА) является актуальной задачей.
Исследования показали, что важным аспектом КО и ЭКРА является востребованность в простых и удобных в использовании технических решений, обеспечивающих качественное обслуживание аккумулятора с привлечением минимального ресурса (участия) потребителя (пользователя). То есть, с практической точки зрения, процесс КО и ЭКРА должен происходить с минимальным участием пользователя и обеспечивать высокое качество результата, заключающегося в поддержке высокого уровня работоспособности аккумулятора с надежным контролем его состояния.
Установлено, что успешное решение задачи, связанной с КО и ЭКРА простыми и удобными в использовании техническими средствами (ПУТС) затруднено из-за влияния на конечный результат объективных и субъективных факторов, действия противоречий различного характера, наличия у этих изделий недостатков, например, тока саморазряда, «эффекта памяти» [Л4], ограниченности ресурса (количества циклов разряда/заряда), большого технологического разброса электрических параметров, а также необходимостью учета состояния обслуживаемых изделий, например, исправности, степени разряда, значения электрических параметров и степени их деградации в процессе эксплуатации аккумулятора.
Например, традиционно, потребители обслуживают аккумулятор в объеме его элементарного заряда с использованием простейших, в силу их низкой стоимости, простых и удобных в использовании зарядных устройств. При этом, чаще всего, для восстановления работоспособности аккумуляторов применяется их ускоренный заряд, длительность которого может существенно отличаться от значения рекомендуемого производителем этих изделий. Такой упрощенный подход к процедуре обслуживания аккумуляторов вызывает ускоренный износ, интенсивную деградацию электрических характеристик и снижение надежности функционирования этих изделий.
Высокая «чувствительность» аккумулятора к процедуре его обслуживания и контроля работоспособности вызывает трудности в реализации технических решений, обеспечивающих высокую эффективность этого процесса. Поэтому, на практике, используется упрощенный подход, при котором при реализации технических решений (TP), которые могут быть использованы для обслуживания и контроля работоспособности аккумуляторов, наибольшее внимание придается дешевизне TP и простоте их использовании. Такой подход может быть условно назван стратегией упрощения (СУ). Использование СУ позволяет значительно упростить TP и реализовать достаточно дешевые зарядные устройства, которые обеспечивают, в лучшем случае, среднее качество обслуживания и контроля работоспособности аккумулятора.
В этих условиях, как показали исследования, наилучшим подходом, обеспечивающим повышение уровня КО и ЭКРА, является стратегия адаптации (СА), предполагающая изменение (выбор, адаптация) процедуры (алгоритма) обслуживания и контроля работоспособности (ОКРА) аккумулятора к его свойствам (электрическим параметрам) которые выявлены (измерены, обнаружены), как в процессе выполнения текущей процедуры ОКРА, так и получены (накоплены) за весь период эксплуатации этого изделия.
Информационный поиск показал, что наличие упомянутых трудностей в обслуживании и контроле работоспособности аккумулятора и отсутствие практических реализаций, соответствующих упомянутой стратегии типа АС, создало ситуацию, при которой использование известных технических решений приводит к быстрому расходованию ресурса, ускоренного износу и бесконтрольному снижению надежности аккумулятора. Поэтому, поиск более эффективных решений, обеспечивающих КО и ЭКРА, является актуальной задачей.
Из техники [Л5] известно зарядное устройство (ЗУ), состоящее из корпуса и размещенных в нем коннектора (разъема) для подключения к источнику напряжения (КПИН), зарядной цепи (ЗЦ), отсека для установки аккумуляторов (ОУА), светодиодного индикатора (СИ) и узла контроля и управления (КУ), который своими входом, первым и вторым выходами соединен, соответственно, с выходом узла ЗЦ и со входом узла ОУА, со входом узла СИ и с первым входом узла ЗЦ, который вторым входом соединен с выходом узла КПИН, и выполненное с возможностью изменения значения зарядного тока.
Данное зарядное устройство (ЗУ) функционирует следующим образом. В исходном состоянии в узел ОУА устанавливаются аккумуляторы (до 4-х шт.), что обеспечивает их подключение к узлу ЗЦ. Далее, на узел КПИН подеется питающее напряжение. Сразу же после подачи на ЗУ питающего напряжения, начинается процесс заряда аккумуляторов, который осуществляется постоянным током, с использованием метода стабилизации зарядного тока, известного из техники [Л6]. Напряжение с выхода узла КПИН поступает через узел ЗЦ на вход аккумулятора. При этом, узел ЗЦ стабилизирует ток, протекающий в цепи заряда.
С помощью данного ЗУ обеспечивается заряд аккумулятора в течении 14…16-и часов в режиме нормального заряда и в течении нескольких часов в режиме ускоренного заряда. Длительность заряда контролируется пользователем ЗУ. По истечении времени около 14-16 часов (для нормального режима заряда) или 1.5…2 часа (для ускоренного режима заряда) - считается, что аккумулятор зарядились и ЗУ должно быть выключено.
Недостатком данного зарядного устройства является низкое качество обслуживания аккумулятора, что снижает его работоспособность в процессе эксплуатации. Кроме того, это ЗУ имеет низкую надежность контроля уровня работоспособности аккумулятора. Эти недостатки обусловлены тем, что при ОКР аккумулятора используется стратегия, далекая от типа АС.
Так, при подключении аккумулятора к данному зарядному устройству (ЗУ), сразу же начинается процесс их заряда, вне зависимости от того в каком состоянии заряженности и исправности он находится. Процедура заряда производится типовым режимом, не учитывающим индивидуальные параметры (электрические характеристики) изделия и их изменения в процессе эксплуатации аккумулятора.
Кроме того, обслуживание аккумулятора выполняется без тестирования исправности и степени разряженности аккумулятора и контроля степени деградации его электрических характеристик. После процедуры заряда в течении времени, заданного инструкцией, пользователь ЗУ полагает, что работоспособность аккумулятора восстановлена, и он может быть использован по назначению. Однако, возможны случаи, когда заряду может подвергаться аккумулятор, который не полностью разряжен, выработал свой ресурс (потеряли емкость и др.) или неисправен. При этом, в случае заряда не полностью разряженного аккумулятора, его реальная емкость может существенно снижаться из-за действия упомянутого «эффекта памяти» - процесса укрупнения кристаллических образований активного вещества аккумулятора и уменьшения площади активной поверхности его рабочего вещества. С помощью данного ЗУ не обеспечивается возможность предотвращения заряда не полностью разряженного аккумулятора, в результате чего, с каждым новым циклом заряда-разряда, рабочее вещество внутри аккумулятора может постепенно изменять свою структуру в сторону уменьшения площади активной поверхности, что приводит к уменьшению реальной емкости обслуживаемого аккумулятора. Следует заметить, что в процессе эксплуатации, из-за действия субъективных факторов, аккумулятор не доводится до состояния полной разрядки и часто подвергается новому заряду. Впрочем, это вполне естественно, особенно, когда отсутствуют запасные аккумуляторы. В результате такой практики, как показано в [Л6], через 3-6 месяцев (в зависимости от частоты заряда, глубины разряда, условий эксплуатации и качества аккумулятора) реальная емкость аккумулятора заметно уменьшается. Сокращается также и время заряда и может увеличиваться внутреннее сопротивление аккумулятора, что существенно снижает качество этого изделия и эффективность его функционирования. Если и далее не принимать особых мер, то при дальнейшей эксплуатации аккумулятора, увеличивающиеся кристаллические образования могут привести к разрушению сепаратора (своего рода перегородки, разделяющей анод и катод) и увеличению тока саморазряда.
В процессе использования аккумулятора по назначению, может создаваться ситуация, при которой, с одной стороны, чтобы обеспечить работоспособность технического устройства, аккумулятор не должен полностью разряжаться. Иначе функционирование изделия, в котором он установлен, будет нарушено, что - не допустимо. Поэтому, не разряженный до конца аккумулятор, как правило, извлекается из пользовательского устройства и подвергаются процедуре заряда для восстановления его емкости, что вызывает формирование «эффекта памяти» и ведет к снижению реальной емкости этого изделия. С другой стороны, для того чтобы обеспечить поддержание высокого уровня работоспособности аккумулятора, он должен полностью разряжаться. Так, согласно [Л7], аккумулятор перед зарядом должен быть разряжен при температуре окружающей среды (20±5)°C постоянным током 0,2С5 А до конечного напряжения 1,0 В.
Таким образом, сочетание субъективных и объективных факторов формируют противоречивую ситуацию, в которой чтобы аккумулятор был постоянно заряжена и готова к использованию для обеспечения функций технических устройств, пользователь должен подзаряжать аккумулятор, не доводя его до полного разряда. С другой стороны, чтобы работоспособность аккумулятора поддерживалась максимальной (не снижалась емкость), аккумулятор не должен подзаряжаться, а разряжаться полностью, иначе проявляется эффект памяти, снижающий его работоспособность (емкость и другие параметры). Данное ЗУ не обеспечивает разрешения этого противоречия.
В данном ЗУ реализован простой способ подключения аккумулятора, заключающийся в его элементарной установке в отсек контейнера. Однако, данное ЗУ не удобно в использовании, так пользователь должен постоянно следить за процессом заряда аккумулятора, чтобы не допустить его перезаряд. В данном устройстве процесс заряда аккумулятора будет продолжаться до тех пор, пока функционирует узел ЭП, например, пока ЗУ остается подключенным к питающей электросети. Учитывая то, что пользователи ЗУ редко хронометрируют длительность заряда аккумулятора с большой точностью, а в самом ЗУ нет таймера отключения процедуры заряда, то возникают условия, при которых аккумулятор может длительное время (больше, чем необходимо) находиться в зарядном устройстве и подвергаться перезаряду. Перезаряд небольшими токами (режим нормального заряда) в течении не продолжительного времени (1-2 часа) практически не приносит вреда для аккумулятора. Однако, как показано в [Л8], при использовании больших зарядных токов (в режиме ускоренного заряда) перезаряд аккумулятора вызывает ухудшение его электрических параметров, а также снижает надежность и качество этого изделия. В данном устройстве имеется возможность установки как режима нормального заряда (небольшой ток заряда), так и ускоренного заряда (большой ток заряда). Как правило, пользователи ЗУ используют возможность ускорить процесс заряда аккумуляторов. Это вполне естественно, при постоянном дефиците времени.
С одной стороны, использование ускоренного заряда предоставляет пользователю возможность сократить время подготовки аккумулятора к эксплуатации. При этом, использование ускоренного заряда должно быть регламентировано по времени, чтобы не допустить перезаряд аккумулятора большим током и не допустить нарушения его работоспособности. В виду постоянного дефицита времени такой режим заряда используется достаточно часто. С другой, стороны, регламентированный по времени заряд аккумулятора обеспечить практически невозможно из-за объективных факторов (в ЗУ отсутствует механизм защиты аккумулятора от его перезаряда) и влияния субъективных факторов, обусловленных тем, что пользователь ЗУ может нарушить хронометраж заряда, например, по забывчивости, рассеянности, в результате действия отвлекающих факторов, стрессов и т.п. В результате действия указанных факторов данное ЗУ, при использовании его в режиме ускоренного заряда, может подвергнуть аккумулятор перезаряду интенсивным током. Это приводит к снижению, как качества (основных параметров), так и надежности обслуживаемого аккумулятора. Использование данного ЗУ ведет к преждевременному не контролируемому износу аккумулятора, снижению его качества из-за интенсивной деградации рабочих (электрических) характеристик, что снижает надежность функционирования аккумулятора и может вызывать преждевременный отказ в работе пользовательских устройств или систем.
Исследования также показали, что в данном устройстве используется система типа «ЗУ-аккумулятор», имеющая «грубую настройку», при которой не обеспечивается высокая эффективность обслуживания (заряда) аккумулятора из-за наличия следующего противоречия.
С одной стороны, большое количество ЗУ, которые производятся многими фирмами, имеют универсальную конструкцию узла ОУА. Это удобно для пользователей тем, что они без труда могут подобрать доступное по цене ЗУ с таким узлом ОУА, конструкция которого позволяет подключать к нему любой из аккумуляторов, имеющий одинаковый форм-фактор (типоразмер), например, «АА». То есть, для восстановления работоспособности аккумулятор может быть подключен к ЗУ от различных производителей. С другой стороны, посредством узла ОУА к ЗУ могут быть подключены аккумуляторы одинакового типоразмера, но произведенные разными фирмами. В результате этого допускается подключение к ЗУ аккумуляторов с электрическими параметрами, которые могут существенно отличаться друг от друга. Например, с типоразмером «АА» (LR6) известны: Ni-MH аккумуляторы AcmePower R06, емкостью 2700 мА*час, производства фирмы AcmePower, [Л9], Ni-MH аккумуляторы BL-2 R06, емкостью 1700 мА*час, производства фирмы DURACELL, [Л10], никель-кадмиевые аккумуляторы типа GP100AAKC и GP60AAKC производства фирмы GP [Л11], обладающие емкостью, соответственно, 1000 мА*час и 600 мА*час, и для который производителем рекомендован режим заряда током, равным для GP100AAKC и GP60AAKC, соответственно, 100 мА и 60 мА.
Как видно из приведенных примеров, среди аккумуляторов одного типоразмера могут быть экземпляры, которые существенно отличаются своими электрическими характеристиками, например, емкостью и режимами заряда.
Исследования также показали, что среди известных из техники ЗУ существует большой разброс по алгоритмам обслуживания (режимам заряда) аккумуляторов. При этом, возможность адаптации алгоритма обслуживания аккумулятора в зависимости от его электрических параметров - не обеспечивается. Это приводит к применению к аккумуляторам с различными электрическими характеристиками типовой (усредненное) процедуры обслуживания (заряда), что не может обеспечить высокую эффективность этого процесса.
Сложность преодоления данной ситуации обусловлена также действием субъективного фактора, к которому можно отнести действия физически лиц (ФЛ), игнорирующих предупреждения и рекомендации производителей конкретных типов аккумуляторов о необходимости использования для заряда этих изделий только конкретные типы ЗУ. Более того, сложилась широкая практика, когда пользователи аккумуляторов используют для обслуживания (заряда) этих изделий любое ЗУ, коммутационный узел которого позволяет подключить данный аккумулятор. При этом, ФЛ уверены, что если аккумулятор можно подключить к ЗУ физически (позволяет конструкция стыковочного узла ОУА), значит такое ЗУ и электрически совместимо для качественного обслуживания (заряда) аккумулятора.
С помощью данного ЗУ реализуется применение типовой процедуры заряда аккумулятора без учета его реальных электрических характеристик, исправности, уровня разряда, степени износа, длительности эксплуатации, количестве зарядно-разрядных циклов и других апостериорных данных, не использование которых может значительно снижать эффективность ОКР аккумулятора.
Из техники [Л12], известно зарядное устройство (ЗУ), состоящее из корпуса и размещенных в нем коннектора (разъема) для подключения к источнику напряжения (КПИН), зарядной цепи (ЗЦ), отсека для установки аккумулятора (ОУА), индикатора и узла контроля и управления (КУ), который своими входом, первым и вторым выходами соединен, соответственно, с выходом узла ЗЦ и со входом узла ОУА, со входом индикатора и с первым входом узла ЗЦ, который вторым входом соединен с выходом узла КПИН, при этом, узел ЗЦ выполнен с возможностью осуществления заряда аккумулятора под управлением узла КУ, который обеспечивает контроль заряда аккумулятора и вывод на индикатор сигналов, отображающих степень заряда аккумулятора.
Работа этого ЗУ сходна с функционированием предыдущего зарядного устройства и также базируется на упомянутой стабилизации зарядного тока, протекающего через подключенный к ЗУ аккумулятор. При активации узла КПИН, например, при подаче через него на зарядное устройство (ЗУ) питающего напряжения, через ЗЦ начинается заряд аккумулятора. Режим заряда аккумулятора контролируется узлом КУ, который вырабатывает сигналы управления узлом ЗЦ. Процесс заряда отображается с помощью индикатора.
Данное ЗУ частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Так, применение для заряда импульсного тока, вместо постоянного, как известно из [Л14], способствует частичному восстановлению активного вещества в аккумуляторах, то есть, приводит к снижению упомянутого «эффекта памяти». Наличие блока контроля и управления (КУ) позволяет осуществить контроль процедуры заряда аккумулятора, выполнять его заряд необходимым током, своевременно отключить процесс заряда и оповещать пользователя с помощью индикатора о ходе и завершении процесса заряда. Кроме того, с помощью индикатора пользователь ЗУ может выполнить «грубую» оценку работоспособности аккумулятора.
Данному ЗУ присущи недостатки, аналогичные предыдущему зарядному устройству из-за действия рассмотренных выше факторов. В данном устройстве не реализуется в полной мере подход к ОКРА с использованием упомянутая стратегии типа СА, что существенно снижает эффективность этого ЗУ.
Кроме того, следует отметить, что хотя заряд аккумуляторов импульсным током и способствует уменьшению их «эффекта памяти», как отмечается в [Л15], однако, как известно, для аккумуляторов со значительным «эффектом памяти» применения только импульсного способа заряда недостаточно - чтобы разрушить крупные кристаллические образования активного вещества аккумуляторов, необходимо использование дополнительных мер (методов), например, известных из [Л16].
Далее, при заряде аккумуляторов узлом КУ данного устройства осуществляется контроль и управление зарядом на основе измерения напряжения аккумуляторе. Так как после длительной эксплуатации электрические параметры аккумулятора могут деградировать, например, по емкости, то контроль работоспособности изделия только лишь по напряжению на нем имеет низкую надежность.
В ходе исследований установлено, что низкая эффективность обслуживания и контроля работоспособности аккумулятора известными техническими решениями, во многом обусловлена наличием обезличенности ЗУ относительно обслуживаемого им аккумулятора и отсутствием учета при обслуживании этого изделия априорных сведений об его «истории жизни». Данное ЗУ может быть отнесено к категории дешевых и простых в использовании устройств, функционирующих по алгоритму, обеспечивающему заряд аккумулятора без учета его индивидуальных электрических параметров, того в каком состоянии находится аккумулятор и какие он имеет электрические параметры, насколько он разряжен, насколько изношен, какой он ресурс выработал - в любом из этих случаев аккумулятор подвергается стандартной процедуре заряда, в конце которой включением индикатора пользователю сообщается, что аккумулятор готов к применению по назначению. При этом, пользователь лишен информации о реальном качестве обслуживания, о реальной работоспособности и степени износа этого изделия и его надежности (вероятности отказа). То есть в данном ЗУ, также как и во всех известных TP, не реализуется в полной мере упомянутая стратегия адаптации процедуры ОКР аккумулятора к его состоянию с учетом изменения электрических характеристик в результате воздействия различных факторов, в том числе, разрядных режимов, выработки ресурса, деградации параметров и др.
По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известное из техники [Л17], зарядное устройство (ЗУ), состоящее из корпуса и размещенных в нем коннектора (разъема) для подключения к источнику напряжения (КПИН), зарядной цепи (ЗЦ), отсека элемента аккумулятора (ОЭА), индикатора и блока контроля и управления (БКУ), который своими входом, первым и вторым выходами соединен, соответственно, с выходом узла ЗЦ и со входом узла ОЭА, со входом индикатора и с первым входом узла ЗЦ, который вторым входом соединен с выходом узла КПИН, при этом, узел БКУ выполнен с возможностью управления зарядом аккумулятора и отображения степени его заряда с помощью индикатора, узел КПИН выполнен в виде USB разъема, обеспечивающего подачу питающего напряжения на ЗУ от USB порта ЭВМ, кроме того конструкция узла корпуса выполнена с возможностью трансформации, например, раскрыва (разборки) узла корпуса и обеспечения в раскрытом (разобранном) состоянии выполнения подключения узла КПИН к USB порту ЭВМ, а в закрытом (собранном) состоянии - придания корпусу форм-фактора, соответствующего стандартному типоразмеру аккумулятора.
Функциональная схема данного ЗУ (далее - устройство) представлена на фиг.1
Устройство (фиг.1) содержит корпус 1, в котором установлены: индикатор 2, блок контроля и управления (БКУ) 3, коннектор (разъем) для подключения к источнику напряжения (КПИН) 5, зарядная цепь (ЗЦ) 6 и отсек элемента аккумулятора (ОЭА) 7. При этом, узел КПИН 5 выполнен в виде стандартного USB разъема, что обеспечивает возможность подключения ЗУ к USB порту ЭВМ 4 для осуществления электропитания ЗУ постоянным напряжением +5 В. Конструкция узла корпуса 1 выполнена с возможностью трансформации, при которой, в одном из положений (например, при раскрытии корпуса 1) обеспечивается свободный доступ к узлу КПИН 5 и обеспечивается возможность его подключения к USB порту ЭВМ 4, а в другом положении (например, при закрытом корпусе 1) обеспечивается целостность ЗУ и его конструктивное соответствие стандартному форм-фактору (типоразмеру), например, типа «АА».
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии устройство по внешнему виду и типоразмеру соответствует стандартному аккумулятору. Это позволяет легко использовать данное изделие по назначению. Для выполнения процедуры заряда элемента аккумулятора 7 корпус 1 раскрывается, например, откидывается в сторону крышка корпуса 1, расположенная со стороны анода аккумулятора, и обеспечивается доступ к узлу КПИН 5, который выполнен в виде USB разъема. Для подачи питающего напряжения на устройство узел КПИН 5 подключается к USB порту ЭВМ 4. После этого начинается процесс заряда элемента аккумулятора 7 под управлением узла БКУ 3. Процесс заряда индицируется на индикаторе 2, например, путем его мигания. После окончания заряда свечение индикатор 2 становится постоянным, что указывает пользователю об окончании заряда. После этого устройство отключается от USB порта ЭВМ 4 и выполняется обратная трансформация (сборка) корпуса 1 для придания устройству вида и конструкции, соответствующей стандартному типоразмеру аккумулятора.
Данное ЗУ частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Это обеспечивается тем, что устройство выполнено по принципу «все - в одном», то есть, и зарядное устройство и элемент аккумулятора объединены в одно изделие. В данном устройстве устранена неопределенность между ЗУ и обслуживаемым им аккумулятором. При этом реализуется и используется очень важное свойство - параметры ЗУ адаптированы к параметрам аккумулятора на этапе изготовления этого изделия.
Данное ЗУ обладает некоторыми свойствами, позволяющими отнести его к категории устройств, частично реализующих упомянутую стратегию адаптации процедуры ОКРА. Так, в данном изделии процедура обслуживания (заряда) осуществляется в соответствии с заводскими настройками, учитывающими как электрические характеристики элемента аккумулятора 7, так и технологические особенности его производства. То есть, в данном устройстве реализована адаптация режима обслуживания (заряда) элемента аккумулятора 7 к его электрическим параметрам. Благодаря этому работоспособность узла ЭА 7 может быть существенно улучшена, по сравнению с предыдущим ЗУ.
С точки зрения просты и удобств в использовании данное превосходит предыдущее ТР. Так, данное ЗУ - никогда не потеряется, его не надо искать - оно всегда «под рукой», что очень удобно для пользователя этого изделия. Коннектор (разъем) для подключения устройства к источнику напряжения (КПИН) 5, который выполнен в виде стандартного разъема типа USB, конструкция которого обеспечивает, по сравнению с контактной системой КПИН предыдущего устройства, большее удобство подключения с одновременной защитой от не правильного подключения элемента аккумулятора к источнику напряжения,
Недостатком данного устройства является низкий уровень ОКР аккумулятора, что обусловлено действием упомянутых ранее объективных и субъективных факторов и наличием рассмотренных выше недостатков, в том числе, данное ЗУ не обеспечивает возможность обслуживания узла ЭА 7 с учетом априорных данных, характеризующих его состояние (исправность, степень разряда, степень износа и деградации электрических характеристик и др.), также это ЗУ не обеспечивает возможность предоставления пользователю достоверных сведений о реальной работоспособности узла ЭА 7 из-за низкой информативности узла индикатора 2 (выполненного в виде простого двухцветного светодиода), выполненного с возможностью выполнения только лишь «грубой» оценки работоспособности ЗУ.
Поскольку, с течением времени происходит выработка ресурса аккумулятора, что сопровождается деградацией его электрических характеристик, то, согласно стратегии класса СА, необходимо обеспечить изменение процедуры ОКР аккумулятора адаптивно его реальным свойствам (электрическим параметрам), которые выявлены (измерены и обнаружены), как в процессе выполнения текущей процедуры ОКР, так и получены (накоплены) за весь период эксплуатации этого изделия. В данном ЗУ стратегия СА в полной мере - не реализована, что не обеспечивает возможность достижения с помощью данного ЗУ высокой эффективности КО и ЭКРА.
В процессе исследований установлено, что при выполнении обслуживания аккумулятора и контроле его работоспособности наиболее качественные результаты могут быть достигнуты только лишь при использовании TP, реализующих ОКР аккумулятора в соответствии с упомянутой стратегией класса СА, предусматривающей использование апостериорных данных, то есть, тех сведений, которые могут быть получены в процессе самого обслуживания и априорных данных, то есть данных, которые предварительно накоплены и отражают «жизнь» аккумулятора, например, срок его эксплуатации, расход ресурса, степень износа и др.
По мнению авторов, решение поставленной задачи, может быть достигнуто на основе мониторинга «жизненного цикла аккумулятора» (ЖЦА) с выполнением процедур его ОКР аккумулятора по алгоритму, который соответствуют (адаптирован) к результатам текущего тестирования аккумулятора и учитывает статистические данных, полученные (накопленные) в процессе упомянутого мониторинга. Здесь под «жизненным циклом аккумулятора» понимается все время его эксплуатации, а организация мониторинга ЖЦА предполагает фиксацию различных данных (длительность эксплуатации, количество циклов заряда/разряда, количество «тренировок», массивы данных, хранящие «образы» разрядных характеристик и других электрических параметров изделия и др.), которые могут быть использованы при ОКРА, для достижения КО и ЭКРА.
Использование данного подхода базируется на известном факте, что аккумуляторы с течением времени «стареют» - вырабатывают свой ресурс, что отражается в виде деградации их электрических характеристик. Как известно из [Л18], в процессе эксплуатации потеря работоспособности аккумуляторов характеризуется уменьшением его разрядной емкости и напряжения, увеличением внутреннего сопротивления, увеличением саморазряда и снижением надежности работы. Очевидно, что накопление статистических данных по значениям электрических параметрам аккумулятора в процессе его эксплуатации и учет этих данных при выполнении его обслуживания и контроля работоспособности может обеспечить существенное повышение уровня КО и ЭКРА.
Предлагаемая авторами идея полностью соответствует упомянутой стратегии класса СА и может быть реализована на основе создания внутренних и привлечения внешних интеллектуальных ресурсов (ИР). Например, внутренний ИР может быть организован в виде интегрированной в состав изделия системы управления и сбора данных (СУСД), а внешний ИР- на базе хост- ЭВМ 4. При этом, организация сбора данных, характеризующих эксплуатацию и обслуживание узла ЭА7, может включать регистрацию времени эксплуатации, подсчет количества процедур заряда/разряда, количества «тренировок» (циклов заряд-разряд, выполненных для восстановления номинальной емкости ЭА 7), а также накопление в ССД данных об электрических параметрах ЭА 7, которые могут быть использованы при выполнении ОКР элемента аккумулятора ЭА7. Кроме того, СУСД может выполнять также функции, связанные с адаптацией алгоритмов ОКР аккумулятора с учетом данных, полученных в процессе обслуживания и мониторинга ЖЦА (накопленных в базе данных СУСД). Использование внешнего ИР может выражаться в использовании хост- ЭВМ 4 для подробного изучения результатов ОКР аккумулятора, получаемых из СУСД, с использованием типового интерфейса и стандартного программного обеспечения.
Использование предложенной авторами идеи может существенно повысить качество обслуживания аккумулятора и обеспечить надежный контроль его работоспособности.
Как установлено патентным поиском, простые в использовании технические решения, реализующие ОКР аккумулятора в соответствии с упомянутой стратегией класса СА, из техники не известны.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей зарядного устройства, связанных с повышением качества обслуживания и надежности контроля работоспособности аккумулятора с использованием данных, полученных в процессе его эксплуатации и обслуживания.
Поставленная цель достигается за счет того, что в зарядное устройство, состоящее из корпуса и размещенных в нем коннектора подключения источника напряжения (КПИН), зарядной цепи (ЗЦ), элемента аккумулятора (ЭА), индикатора и блока контроля и управления (БКУ), который своими первым, вторым и третьим портами соединен, соответственно, с выходом узла ЗЦ и со входом узла ЭА, со входом индикатора и с первым входом узла ЗЦ, который вторым входом соединен с выходом узла КПИН, который выполнен в виде USB разъема, обеспечивающего возможность подключения ЗУ к цепям электропитания USB порта электронно-вычислительной машины (ЭВМ), кроме того, узел БКУ выполнен с возможностью управления зарядом узла ЭА и отображения процесса его заряда с помощью индикатора, узел корпуса выполнен с возможностью трансформации его конструкции так, что обеспечивается подключение узла КПИН к USB порту ЭВМ и придание корпусу форм-фактора, соответствующего стандартному типоразмеру аккумулятора, дополнительно введены в его состав разрядная цепь (РЦ) и флеш память (ФП), которая своим портом соединена с четвертым портом узла БКУ, который пятым портом соединен с первым портом узла РЦ, который вторым портом соединен со входом узла ЭА, при этом, узел БКУ выполнен в виде микроконтроллера (МК), функционирующего по программе, обеспечивающей формирование в узле ФП структуры хранения данных, соответствующей типовой файловой системе, эмуляцию компьютерного интерфейса (КИ), соответствующего спецификации USB, и поддержку функций контроллера флеш памяти для обеспечения возможностей чтения файлов данных, размещенных в узле ФП, и их обработки программным обеспечением, функционирующим в операционной системе ЭВМ, формирование в узле ФП базы данных (БД) с возможностью регистрации в ней различной статистической информации, в том числе, длительности эксплуатации узла ЭА, данных о количестве выполненных процедур его заряда/разряда и тренировок с фиксацией даты и времени их проведения, считываемых из системных часов ЭВМ с использованием упомянутого КИ, массивов данных, представляющих виртуальные «образы» разрядных характеристик элемента аккумулятора (РХЭА), значений электрических параметров и иных данных, которые получены при обслуживании узла ЭА, выполнение программы (алгоритма) обслуживания узла ЭА, предусматривающей предварительную обработку упомянутой статистической информации, содержащихся в БД, для определения степени износа и выработки ресурса узла ЭА и учета полученных данных при выполнении процедур, предусматривающих возможность тестирование узла ЭА, проверки его исправности, определения наличия остаточного заряда, проведения разряда/заряда, циклической тренировки узла ЭА с контролем и регулировкой зарядного/разрядного тока и защитой узла ЭА от перезаряда или переразряда, а также измерения РХЭА с формированием в узле ФП ее «виртуального образа», создания в БД файлов информационных отчетов (ФИО), содержащих результаты обслуживания узла ЭА, с представлением данных в виде, доступном для их чтения, обработки и визуализации с помощью компьютера (ЭВМ), в том числе, с возможностью просмотра ФИО в текстовом и/или графическом редакторе ЭВМ с визуализацией на его дисплее виртуальных «образов» РХЭА в виде множества кривых (графиков), таблиц и/или информационных сообщений, отображающих текущее состояние и динамику изменений электрических параметров (ЭП) узла ЭА в процессе его эксплуатации и обслуживания с отображением отклонений ЭП от паспортных значений с оценкой степени деградации и величине остаточного ресурса элемента аккумулятора.
Функциональная схема устройства заряда аккумулятора и контроля его работоспособности (далее - устройство) приведена на фиг.2.
Устройство (фиг.2) состоит из корпуса 1, индикатора 2, флеш памяти (ФП) 3, коннектора (разъема) для подключения к источнику напряжения (КПИН) 5, микроконтроллера (МК) 6, зарядной цепи (ЗЦ) 7, разрядной цепи (РЦ) 8, элемента аккумулятора (ЭА) 9. При этом, узел КПИН 5 своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с первым портом узла ЗЦ 7 и с первым портом МК 6, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, с портом узла индикатора, с потом узла ФП 3, с первым портом узла РЦ 8, со вторым портом узла ЗЦ 7, который третьим портом соединен с шестым портом узла МК 6, с вторым портом узла РЦ 8 и входом/выходом элемента аккумулятора 9. При этом, узел КПИН 5, выполнен в виде USB разъема с помощью которого обеспечивается подключение ЗУ к USB порту ЭВМ 4 для обеспечения электропитания ЗУ от него (USB порта). Узел корпуса 1 выполнен с возможностью трансформации его конструкции таким образом, что обеспечивается возможность как подключение узла КПИН 5 к USB порту ЭВМ 4, так и придание корпусу 1 форм-фактора, соответствующего стандартному типоразмеру аккумулятора, узел БКУ выполнен в виде микроконтроллера (МК) 6, функционирующего по программе, обеспечивающей организацию в флеш памяти (ФП) 3 структуры хранения данных, соответствующей типовой файловой системе, эмуляцию компьютерного интерфейса (КИ), соответствующего спецификации USB и поддержку функций контроллера узла ФП 3 для обеспечения возможностей чтения файлов данных, размещенных в узле ФП 3, и их обработки программным обеспечением (ПО), функционирующим в операционной системе (ОС) компьютера (ЭВМ 4), формирование в узле ФП 3 базы данных (БД) с возможностью регистрации в ней различной статистической информации, в том числе, длительности эксплуатации элемента аккумулятора (ЭА) 9, данных о количестве выполненных процедур его заряда/разряда и тренировок с фиксацией даты и времени их проведения, считываемых из системных часов компьютера (ЭВМ 4) с использованием упомянутого КИ, массивов данных представляющих виртуальные «образы» разрядных характеристик элемента аккумулятора (РХЭА) 9, значения электрических параметров и иных данных, которые получены при обслуживании узла ЭА 9, выполнение программы обслуживания элемента аккумулятора 9, обеспечивающей возможность обработки упомянутой статистической информации, содержащихся в БД, для определения степени выработки ресурса ЭА 9, например, по степени деградации его РХЭА и/или иных электрических параметров, тестирования ЭА 9, в том числе, проверки его исправности и определения наличия остаточного заряда, проведения процедур разряда/заряда и циклической тренировки в виде серии из М циклов, где 10≥М≥1, глубокого разряда-заряда с контролем и регулировкой зарядного/разрядного тока с защитой элемента аккумулятора 9 от перезаряда или переразряда, измерения РХЭА с формированием в узле ФП 3 ее «виртуального образа» создания в БД файлов информационных отчетов (ФИО), содержащих результаты обслуживания узла ЭА 9, с представлением данных в виде доступном для их чтения, обработки и визуализации с помощью ЭВМ 4, например, с возможностью просмотра ФИО в текстовом и/или графическом редакторе компьютера (ЭВМ 4) с визуализацией на его дисплее «виртуальных образов» РХЭА в виде множества кривых (графиков), таблиц и/или информационных сообщений, отображающих начальное (при вводе узла ЭА 9 в эксплуатацию) и текущее (установленное в процессе данного обслуживания узла ЭА 9) значение электрических параметров ЭА 9 с оценкой степени их деградации (отклонений от допустимых значений) и/или значения остаточного ресурса ЭА 9.
Устройство (фиг.2) функционирует следующим образом. Работа этого устройства частично сходна с функционированием предыдущего ЗУ. В исходном состоянии корпус 1 трансформирован таким образом, что его конструкция соответствует форм-фактору (типоразмеру) аккумулятора, что обеспечивает возможность простой установки этого изделия в типовой отсек пользовательского изделия, например, плеера, радиочасов и др. При использовании в составе пользовательского изделия может быть осуществлена грубая оценка степени работоспособности узла ЭА 9, например, по интенсивности свечения индикатора 2. Это позволяет пользователю напоминать о необходимости своевременного ОКР узла ЭА 9. Для выполнения процедуры ОКР узла ЭА 9 в полном объеме, корпус 1 трансформируется так, что открывается доступ узлу КПИН 5, который выполнен в виде USB разъема, установленного внутри корпуса 1. Узел КПИН 5 подключается к USB порту ЭВМ 4. При этом через узел КПИН 5 (USB разъем) устройство соединяется с информационной шиной (D+, D-) и шиной электропитания (GND, +5 В) USB порта ЭВМ 4. Напряжение, поступающее с USB порта (ЭВМ 4) используется для электропитания узлов МК 6, индикатора 2, узла ФП 3, ЗЦ 7, РЦ 8 и обеспечения заряда элемента аккумулятора 9. После подключения КПИН 5 к USB порту ЭВМ 4, узлом МК 6 эмулируется последовательный порт, соответствующий спецификации USB порта, что обеспечивает возможность установления информационных коммуникаций между ЭВМ 4 и микроконтроллером МК 6 через этот порт. Поскольку узлом МК 6 поддерживается организация в узле ФП 3 структуры хранения данных, соответствующей типовой файловой системе и выполнение функций контроллера флеш памяти 3, то это позволяет пользователю, с помощью компьютерного интерфейса (через КПИН 5), осуществлять чтение ФИО, размещенных в узле ФП 3, для подробного контроля состояния элемента аккумулятора 9, например, для проверки значения электрических параметров, уровня расхода ресурса, прогнозирования отказов ЭА 9 и др.
После подачи питающего напряжения узел МК 6 автоматически выполняет процедуры обслуживания элемента аккумулятора 9, что предусматривает: тестирование узла ЭА 9, проверку его исправности и определение наличия остаточного заряда, обработку статистических данных, содержащихся в БД, для определения уровня износа узла ЭА 9, степени выработки его ресурса и деградации его РХЭА и/или иных электрических параметров, по состоянию на предыдущее обслуживание, с последующим определением наиболее подходящего алгоритма восстановления работоспособности (АВР) узла ЭА 9, выполнение АВР узла ЭА 9, что может включать выполнение процедур разряда/заряда и/или циклической тренировки (в виде серии из М циклов, где 10≥М≥1, глубокого разряда-заряда) с контролем и регулировкой зарядного/разрядного тока с защитой элемента аккумулятора 9 от перезаряда или переразряда, измерения РХЭА с формированием в узле ФП 3 ее «виртуального образа».
При выполнении АВР, если элемент аккумулятора 9 определен, как полностью разряжен, то для него активируется процесс заряда. Если же элемент аккумулятора 9 определен, как не полностью разряжен, то для него сначала включается процедура разряда, а затем, - процесс заряда.
Напряжение, которое подается с узла КПИН 5 от USB порта ЭВМ 4 на узел ЗЦ 7, используется в этом узле для формирования зарядного тока. Узел РЦ 8 и используется для формирования разрядного тока. Работой устройства управляет узел МК 6, который контролирует состояние элемента аккумулятора ЭА 9 и управляет режимом работы узлов ЗРЦ 7 и РЦ 8 в процессе обслуживания узла ЭА 9.
После завершения АВР ЭА 9 в БД узла ФП 3 создается новая учетная запись в виде ФИО, с представлением в нем результатов выполненных действий по обслуживанию узла ЭА 9. Кроме того, обновляется информация, содержащаяся в БД, где регистрируется, в том числе, длительность эксплуатации узла ЭА 9, фиксация данных о количестве выполненных процедур его заряда/разряда и тренировок с фиксацией даты и времени их проведения, считываемых из системных часов компьютера (ЭВМ 4) с использованием упомянутого КИ, запись массивов данных, позволяющих отображать на дисплее компьютера виртуальные «образы» разрядных характеристик элемента аккумулятора (РХЭА) 9, новые значения электрических параметров и иных данных, которые получены при обслуживании узла ЭА 9.
При подключении ЗУ к USB порту ЭВМ 4 операционной системой этого компьютера осуществляется автоматическое обнаружение устройства (ЗУ), например, как внешнего устройства памяти с предоставлением пользователю возможности доступа к содержанию узла ФП 3 через компьютерный интерфейс. С помощью стандартного программного обеспечения пользователь может осуществить просмотр файлов информационных отчетов (ФИО), содержащих результаты всех процедур обслуживания ЭА 9. При этом, информация, содержащаяся в ФИО, может быть представлена в виде доступном для чтения, обработки и визуализации с помощью компьютера (ЭВМ 4), например, с возможностью просмотра ФИО в текстовом и/или графическом редакторе компьютера (ЭВМ 4) с визуализацией на его дисплее «виртуальных образов» РХЭА в виде множества кривых (графиков), таблиц и/или информационных сообщений, отображающих начальные (при вводе ЭА 9 в эксплуатацию), последующие и текущее (установленное в процессе данного обслуживания) значение электрических параметров ЭА 9 с оценкой степени их деградации (отклонений от допустимых значений) и/или значения остаточного ресурса ЭА 9.
После выполнения процедуры обслуживания, корпус устройства легко трансформируется к изначальному виду, который соответствует стандартному типоразмеру, что позволяет использовать аккумулятор (узел ЭА9) по назначению, например, для установки в типовой аккумуляторный отсек электропитания потребительский устройств и систем.
В предлагаемом устройстве обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.
В состав устройства дополнительно введены разрядная цепь (РЦ) и флеш память (ФП), которая своим портом соединена с четвертым портом узла БКУ, который пятым портом соединен с первым портом узла РЦ, который вторым портом соединен со входом узла ЭА. Кроме того, узел БКУ выполнен в виде микроконтроллера (МК), функционирующего по программе обеспечивающей формирование в узле ФП структуры хранения данных, соответствующей типовой файловой системе, эмуляцию компьютерного интерфейса (КИ), соответствующего спецификации USB, и поддержку функций контроллера флеш памяти для обеспечения возможностей чтения файлов данных, размещенных в узле ФП, и их обработки программным обеспечением, функционирующим в операционной системе ЭВМ, формирование в узле ФП базы данных (БД) с возможностью регистрации в ней различной статистической информации, в том числе, длительности эксплуатации узла ЭА, данных о количестве выполненных процедур его заряда/разряда и тренировок с фиксацией даты и времени их проведения, считываемых из системных часов ЭВМ с использованием упомянутого КИ, массивов данных, представляющих виртуальные «образы» разрядных характеристик элемента аккумулятора (РХЭА), значений электрических параметров и иных данных, которые получены при обслуживании узла ЭА, выполнение программы (алгоритма) обслуживания узла ЭА, предусматривающей предварительную обработку упомянутой статистической информации, содержащихся в БД, для определения степени износа и выработки ресурса узла ЭА и учета полученных данных при выполнении процедур, предусматривающих возможность тестирование узла ЭА, проверки его исправности, определения наличия остаточного заряда, проведения разряда/заряда, циклической тренировки узла ЭА с контролем и регулировкой зарядного/разрядного тока и защитой узла ЭА от перезаряда или переразряда, а также измерения РХЭА с формированием в узле ФП ее «виртуального образа», создания в БД файлов информационных отчетов (ФИО), содержащих результаты обслуживания узла ЭА, с представлением данных в виде, доступном для их чтения, обработки и визуализации с помощью компьютера (ЭВМ), в том числе, с возможностью просмотра ФИО в текстовом и/или графическом редакторе ЭВМ с визуализацией на его дисплее виртуальных «образов» РХЭА в виде множества кривых (графиков), таблиц и/или информационных сообщений, отображающих текущее состояние и динамику изменений электрических параметров (ЭП) узла ЭА в процессе его эксплуатации и обслуживания с отображением отклонений ЭП от паспортных значений с оценкой степени деградации и величине остаточного ресурса элемента аккумулятора.
Указанные признаки и свойства позволяют существенно расширить функциональные возможности известного устройства по обслуживанию и контролю работоспособности элемента аккумулятора с использованием параметров и данных, полученных в процессе его эксплуатации и обслуживания. Введение дополнительных признаков и использование новых свойств позволяет в предлагаемом техническом решении (TP) достичь как качественного обслуживания и эффективного контроля работоспособности элемента аккумулятора 9, так и обеспечить высокий уровень сервиса для пользователя. Простота использования данного TP достигается за счет минимального участия пользователя в выполнении необходимых действий. Фактически, реализуется принцип «подключил и забыл» - процесс обслуживания осуществляется автоматически, без участия пользователя. Высокий уровень надежности контроля работоспособности узла ЭА 9 достигается за счет предоставления пользователю широкого спектра данных, в том числе, как результатов обслуживания ЭА 9, так и данных, подробно отображающих процесс деградации его разрядных характеристик и иных параметров за весь период эксплуатации узла ЭА 9. На основе данных, представленных в ФИО, пользователь имеет возможность получить и/или достоверную оценку о реальном состоянии ЭА 9, выполнить прогнозирование его надежности (вероятности отказа) и своевременно осуществить замену ЭА 9 на новый элемент.
Сочетание отличительных признаков и свойств, предлагаемого устройства обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности из техники не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта по расширению функциональных возможностей зарядного устройства, связанных с обслуживанием и контролем работоспособности элемента аккумулятора 9 с учетом данных, полученных в процессе его эксплуатации и обслуживания, необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.
Достигаемым техническим результатом является повышение работоспособности элемента аккумулятора (ЭА 9) и надежности контроля его электрических характеристик, что обеспечивается за счет интеллектуализации процесса обслуживания узла ЭА 9 с использованием встроенного (узел МК 6) и внешнего (узел ЭВМ 4), подключаемого посредством компьютерного интерфейса типа USB, программно-аппаратных ресурсов (средств), обеспечивающих применение для обслуживания и контроля работоспособности узла СА 9 адаптивных алгоритмов, формируемых на основе комплексного подхода, включающего оценку результатов текущего тестирования (и иных проверок) узла СА 9, обработку и учет данных, накопленных в процессе эксплуатации узла СА 9, в том числе, упомянутой статистической информации, представленной в виде БД, массивов РХЭА и файлов ФИО, управления процессами тестирования, проверки исправности, определения наличия остаточного заряда, проведения процедур разряда/заряда и циклической тренировки узла ЭА 9, измерения РХЭА и их фиксации в узле ФП 3 в виде виртуальных «образов», создания в БД файлов информационных отчетов (ФИО), содержащих результаты обслуживания узла ЭА 9, представления накопленных данных в виде, доступном для их чтения, визуализации и обработки с помощью компьютера (ЭВМ 4), создания условий для просмотра ФИО в текстовом и/или графическом редакторе компьютера (ЭВМ 4) с визуализацией на его дисплее «виртуальных образов» РХЭА в виде множества кривых (графиков), таблиц и/или информационных сообщений, отображающих начальное (при вводе ЭА 9 в эксплуатацию) и текущее (установленное в процессе данного обслуживания) значение электрических параметров ЭА 9 с возможностью оценки степени их деградации (отклонений от допустимых значений) и/или значения остаточного ресурса ЭА 9.
Обобщенный алгоритм функционирования устройства может быть представлен в следующем виде.
- Начало;
- Активация обслуживания: подключение узла КПИН 5 к USB порту ЭВМ 4, эмуляция узлом МК 6 порта типа USB порта, установление информационных коммуникаций между устройством и ЭВМ 4, активация подпрограммы МК 6, инициализация в узле ФП 3 файловой системы и функций узлом МК 6 как контроллера флеш-памяти 3, организация доступа операционной системы ЭВМ 4 к содержанию узла ФП 3 стандартными программными средствами для чтения ФИО, контроль состояния элемента аккумулятора 9 для проверки значения электрических параметров, уровня расхода ресурса, прогнозирования отказов ЭА 9 и др., активация индикатора 2 в режим, соответствующий инициализации обслуживания устройства, например, постоянным свечением узла индикатора 2;
- Процедура тестирования: выполнение действий, связанных с проверкой исправности и наличии остаточного заряда ЭА 9;
- Проверка 1: узел ЭА 9 - исправен? - Если Да, то переход к Проверке 2, если Нет, то переход к процедуре Неисправность;
- Проверка 2: узел ЭА 9 - имеет остаточный заряд? - Если Да, то переход к Процедуре Разряд, если Нет, то переход к процедуре Заряд;
- Процедура Разряд: выполнение разряда ЭА 9 типовым способом с контролем и регулировкой разрядного тока с защитой элемента аккумулятора 9 от перезаряда, переход к процедуре Заряд;
- Процедура Заряд: выполнение заряда ЭА 9 типовым способом с контролем и регулировкой зарядного тока с защитой элемента аккумулятора 9 от переразряда, переход к процедуре Анализ;
- Процедура Анализ: обработка статистических данных, содержащихся в БД, измерение электрических параметров ЭА 9, определение степени их деградации и соответствия допустимым значениям, переход к Проверке 3;
- Проверка 3: электрические параметры ЭА 9 находятся в пределах допустимых значений? - Если Да, то переход к процедуре Завершения обслуживания, если Нет, то переход к процедуре Тренировка;
- Процедура Тренировка: обработка данных, содержащихся в БД, для определения степени выработки ресурса ЭА 9, количества и сроков ранее проведенных тренировок ЭА 9, выбор наиболее подходящего алгоритма восстановления работоспособности (АВР) ЭА 9, например, проведения циклической тренировки в виде серии из М циклов (где 10≥М≥1, значение параметра М устанавливается с учетом обработка данных, содержащихся в БД) допустимого количества глубокого разряда -заряда с контролем и регулировкой зарядного/разрядного тока с защитой элемента аккумулятора от перезаряда или переразряда, переход к процедуре Проверка 4;
- Проверка 4: электрические параметры ЭА 9 находятся в пределах допустимых значений? - Если Да, то переход к процедуре Завершение обслуживания, если Нет, то переход к процедуре Неисправность;
- Процедура Неисправность: обслуживание ЭА 9 прекращается, активируется работы узла индикатора 2 в режиме «Неисправность», например, частые (1 раз/сек) периодические мигания индикатора 2;
- Процедура Завершение обслуживания: формирование и запись в БД файла информационного отчета (ФИО), содержащего результаты обслуживания ЭА 9, с представлением данных в виде доступном для их чтения, обработки и визуализации с помощью ЭВМ 4, просмотр пользователем ФИО в текстовом и/или графическом редакторе на дисплее ЭВМ 4 «виртуальных образов» РХЭА в виде множества кривых (графиков), таблиц и/или информационных сообщений, отображающих начальное (при вводе ЭА в эксплуатацию) и текущее (установленное в процессе данного обслуживания) значение электрических параметров ЭА 9 с оценкой степени их деградации (отклонений от допустимых значений) и/или значения остаточного ресурса ЭА, обновление информации, содержащаяся в БД, в том числе, регистрация длительности эксплуатации ЭА 9, фиксация данных о количестве выполненных процедур его заряда/разряда и тренировок с фиксацией даты и времени их проведения, считываемых из системных часов ЭВМ 4, запись массивов данных фиксирующих РХЭА 9, новые значения электрических параметров и иных данных, которые получены при обслуживании узла ЭА 9, активация индикатора 2 в режим, соответствующий завершению обслуживания устройства, например, сериями периодических миганий узла индикатора 2;
- Конец.
Узлы корпуса 1, индикатора 2, разъема КПИН 5, ЗЦ 7 и ЭА 9 - могут быть аналогичными соответствующим признакам прототипа и не требуют значительной доработки при его реализации.
Узел ФП 3 может быть реализован на основе использования микросхем энергонезависимой памяти Atmel с последовательным интерфейсом серии серии АТ26 и АТ45 [Л19], представляющих собой последовательную Flash-память DataFlash корпорации Atmel и отличающуюся высокой скоростью передачи данных (до 66 Мбит/с).
Узел МК 6 может быть реализован на основе PIC-контроллеров, известных из [Л20, Л21].
Для реализации алгоритмов функционирования узла МК 6, связанных с эмуляцией компьютерного интерфейса (КИ), соответствующего спецификации USB и поддержкой функций контроллера флеш-памяти (узла ФП 3) могут быть использованы решения, известные из [Л22]. Для выполнения процедур, выполняемых при обслуживании узла ЭА, могут быть использованы методы, известные из техники [Л23-25].
Для реализации узлов предлагаемого устройства с необходимыми признаками, свойствами и обеспечения функционирования узла МК 6 по требуемым алгоритмам, также могут быть использованы решения и программные процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л26-Л38] и авторских технических решений [Л39-Л45].
При практической реализации конструкции корпуса 1 устройства могут быть использованы решения, аналогичные прототипу, то есть в виде трансформируемого корпуса, обеспечивающего как удобство подключения к ЭВМ 4 для обслуживания элемента аккумулятора ЭА 9, так и придание конструкции корпуса 1 вида, соответствующего стандартному типоразмеру, для обеспечения возможностей установки устройства в соответствующие контейнеры (отсеки электропитания) различных изделий и предоставления пользователю удобств в использовании.
На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая полезная модель устройства обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет существенно расширить функциональные возможности известного устройства-прототипа по повышению качества обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности с учетом данных, полученных в процессе его эксплуатации и обслуживания.
Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Основные узлы предлагаемой полезной модели устройства обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности изготовлены, экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов.
Производимые изделия могут быть использованы в интересах широкого круга потребителей никель-кадмиевых и никель-металлгидридных герметичных цилиндрических аккумуляторов, особенно для применений, где требуется обеспечить высокую надежность автономного функционирования потребительской техники в течении заданного времени, что обеспечивается возможностью, как поддержания высокого уровня работоспособности аккумулятора, так и осуществления надежного контроля его электрических характеристик.
Разработанное авторами техническое решение, обеспечивает успешное решение поставленной задачи, связанной с поддержкой высокого уровня работоспособности аккумулятора и контроля его работоспособности, что обеспечивает повышение надежности автономного функционирования потребительской техники в течении заданного времени.
Предлагаемое техническое решение будет востребовано широким кругом пользователей различных устройств и систем, функционирующих с использованием никель-кадмиевых и никель-металлгидридных герметичных цилиндрических аккумуляторов, надежный контроль и эффективное восстановление работоспособности которых может быть обеспечено с помощью данного устройства с минимальным привлечением ресурсов (участия) упомянутых пользователей.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторы: история, описание и правильное использование, 159-articles-Ni-Cd
2. Никель-кадмиеваые аккумуляторы, .adetiplus.ru/?title
3. Аккумуляторы для мобильных устройств.
4. Эффект памяти, http://ru.wikipedia.org/wiki/Эффeкт_пaмяти
5. Универсальное зарядное устройство ENKATSU СН-8Н59 для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов типа «АА» или «ААА».
6. Зарядные устройства аккумуляторов.
7. Аккумуляторы никель-кадмиевые герметичные цилиндрические. ГОСТ Р МЭК 60285-2002
8. Никель-кадмиевые аккумуляторы, accumulator-nicd.php
9. Аккумуляторы типа AcmePower R06,
10. Аккумуляторы от известных производителей,
11. Никель-кадмиевые аккумуляторы производства компании GP,
12. Зарядное устройство для никель-кадмиевого аккумулятора, Рудольф Ф. Граф и Вильям Шиитс, Энциклопедия электронных схем, том 6, часть 1, книга 4, стр.136-137, издательство ДМК, Москва, 2002 г.,
13. Зарядное устройство аккумуляторных батарей, патент RU (11) 2003116121 (13) А, 2003116121/09, дата публикации 10.01.2005 г.
14. Зарядные устройства аккумуляторов, charge.php
15. Современные аккумуляторы,
16. Патент №2185009, Способ восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов и устройство для его осуществления,
17. Устройство EG-BA-001 со встроенным USB разъемом для заряда аккумулятора АА,
18. Изменения в никель-кадмиевом аккумуляторе в процессе эксплуатации,
19. Микросхемы энергонезависимой памяти Atmel с последовательным интерфейсом, 1
20. Обзор PIC-контроллеров,
21. Семейство микроконтроллеров PIC 18FX5XX с поддержкой шины USB2.0, 18_2.htm
22. Контроллер памяти с USB интерфейсом, e.ru/articles/micro/2005_6_136.php
23. Алевтина Аганова, «Диагностика химических источников тока», журнал «Современная Электроника», выпуск №7 / 2007 г., стр.20-22, www/soel.ru
24. Методика тестирования аккумуляторов и батареек http://www..shtml?articles/hardware/tower/23077
25. О зарядных устройствах и технологиях заряда аккумуляторов, http://www.vartom.ru/pressl1.htm
26. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Драйвер ПЗУ Serial EEPROM», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2009612937 от 5 июня 2009 г.
27. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Драйвер Flash-карточки», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2008614977 от 16 октября, 2008 г.
28. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Контроллер памяти FRAM», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2010612120 от 22.01.2010 г.
29. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Контроллер устройства хранения данных», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2011610241 от 18.10.2010 г.
30. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Эмулятор файловой системы», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2011610904 от 27.11.2010 г.
31. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Эмулятор протокола USART», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2011610490 от 13.11.2010 г.
32. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Драйвер светоиндикаторного устройства», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2011610487 от 13.11.2010 г.
33. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Программа хостинга микроконтроллерного устройства», Свидетельство о государственной регистрации №2010612122 от 22.01.2010 г.
34. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Терминал», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2009616484 от 23 ноября 2009 г.
35. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Платформа интерфейсов», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2009616277 от 13 ноября 2009 г.
36. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Программа автоматизированной обработки данных», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2009613019 от 10.06.2009 г.
37. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Анализатор файлов», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2009616394 от 18.11.2009 г.
38. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Менеджер сенсора», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ.
39. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №98641 «Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 20 октября 2010 г.
40. Войсковая часть 11135 (RU), Патент на изобретение №2289856 «Устройство индикации», зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20.12.2006 г.
41. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №86331 «Накопитель с защитой доступа к памяти», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27.08.2009 г.
42. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №87276 «Защищенный накопитель», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27.09.2009 г.
43. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №84594 «Накопитель с защитой от несанкционированного доступа к памяти», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10.07.2009 г.
44. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №90595 «Накопитель с защитой от несанкционированного доступа к памяти», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 января 2010 г.
45. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №86026 «Скрытый регистратор доступа на объект», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 августа 2009 г.