Программно-аппаратное устройство управления аккумуляторной батареей с беспроводным модулем

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к контролю заряда аккумуляторной батареи (АКБ) в процессе эксплуатации с помощью программно-аппаратного устройства. Программно-аппаратное устройство содержит центральный модуль управления и измерительный модуль аккумуляторной батареей, а также модуль беспроводной связи. Измерительный модуль осуществляет измерение напряжения и температуру каждой ячейки составной аккумуляторной батареи, а центральный модуль измеряет ток и производит расчет основных параметров аккумуляторной батареи (емкость, внутреннее сопротивление, состояние реле нагрузки и заряда, наличие ошибок, температуру ячеек и системы). Беспроводной модуль позволяет не только осуществлять удаленный доступ для настройки параметров программно-аппаратного устройства, но и установить связь с FTP сервером для автоматической отправки данных о состоянии АКБ на удаленный сервер.
В настоящее время можно выделить следующие известные основные способы контроля состояния АКБ.
К числу наиболее распространенных в настоящее время известных способов контроля состояния АКБ относится измерение емкости путем разряда в соответствии с п. 5.1 ГОСТ Р МЭК 60896-2-99, при котором оценка технического состояния АКБ осуществляется путем определения фактической емкости АКБ при разряде полностью заряженной АКБ, т.е. путем длительного 20 часового разряда АКБ. Разряд осуществляется на управляемый источник тока. Ток разряда в процессе разряда стабилизируется на заданном уровне, независимо от напряжения на АКБ. При этом емкость определяется путем эмпирических вычислений как произведение тока разряда на время разряда. В процессе заряда измеряется емкость, вкачиваемая в АКБ. По соотношению вкачанной и отданной емкостей оценивают качество батареи. Для исправных батарей это соотношение обычно находится в пределах 1,1-1,3. При большем различии батарея, как правило, признается деградировавшей. К числу очевидных недостатков данного способа тестирования следует отнести необходимость вывода системы АКБ из режима эксплуатации на длительный период, и, следовательно, невозможность осуществлять постоянный контроль технического состояния АКБ и составляющих ее аккумуляторов в процессе эксплуатации.
Другим известным способом оценки технического состояния АКБ является измерение внутреннего сопротивления АКБ путем разряда в соответствии с параграфом 5.5 ГОСТ Р МЭК 60896-2-99, а именно определение внутреннего сопротивления аккумуляторов по двум значениям разрядного тока и напряжения. При этом разрядный ток первой ступени выбирается в зависимости от тока десятичасового режима разряда и равен увеличенному в 4-6 раз номинальному 10-ти часовому току разряда, напряжение регистрируется на 20 секунде разряда. Ток второй ступени выбирается равным увеличенному в 20-40 раз номинальному 10-ти часовому току разряда, напряжение регистрируется на 5 секунде разряда. Далее линейной экстраполяцией определяются расчетная ЭДС и ток короткого замыкания аккумулятора. По полученной вольтамперной характеристике определяют внутреннее сопротивление аккумулятора. Данный способ оценки состоянии АКБ трудно осуществить в условиях работающих электроустановок, так как требует выведения АКБ из эксплуатации на период измерения. Трудность состоит и в обеспечении длительности второй ступени разрядного тока, в особенности на аккумуляторных батареях большой емкости (например, при емкости АБ 3000 ампер/часов требуется ток 6000-12000 ампер), напряжение у потребителей при протекании тока второй ступени может оказаться ниже допустимого уровня и, таким образом, проведение данных испытаний АКБ требует обязательного вывода ее из режима эксплуатации. Кроме того, данный метод испытаний дает информацию при стабильных условиях испытаний и не учитывает динамические реакции, что приводит к довольно высокой погрешности результатов испытаний (порядка 10%).
Известны также способы оценки технического состояния АКБ, основанные на измерении внутреннего сопротивления на переменном токе малой амплитуды (в десятки раз меньше номинального тока), короткоимпульсный способ, путем нагрузки АКБ большими токами малой длительности и метод измерения симметрии, при котором АКБ делится на ряд групп и производится пороговое сравнение напряжения в группах в режиме эксплуатации.
К числу существенных недостатков вышеуказанных способов тестирования и оценки состояния аккумуляторов и аккумуляторных батарей следует отнести, аналогично вышеописанным способам оценки технического состояния АКБ и входящих в ее состав аккумуляторов, необходимость выведения системы питания с АКБ из эксплуатации для проведения тестов на время от десятков минут до суток; зависимость результатов от состояния АКБ, т.е. от ее фактического заряда, предыдущего состояния и т.п. При использовании метода измерения напряжения симметрии к числу существенных недостатков следует отнести сложность выработки уровня порогового контроля.
Известны также различные способы определения параметров АКБ, в частности способ определения составляющих полного внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи путем сравнения напряжения на ней и выходе аналоговой моделирующей установки при прохождении импульсов зарядного и разрядного токов через батарею и включенный последовательно с ней безындуктивный резистор, напряжение с которого подается на вход аналоговой моделирующей установки. При достижении совпадения изменений напряжений, контролируемого ходом лучей двухлучевого осциллографа, подключенного к клеммам батареи и выходу аналоговой моделирующей установки, определяют передаточную функцию полученной модели по установленным значениям параметров моделирующей установки, а также составляющие полного внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи из условия равенства передаточных функций полученной модели и математического выражения полного внутреннего сопротивления батареи в операторной форме.
Недостатками этого способа являются низкая точность из-за субъективности оценки экспериментатором совпадения переходных характеристик модели и батареи, а также высокая трудоемкость определения параметров АКБ.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Способ оценки технического состояния и отбраковки аккумуляторов в аккумуляторных батареях» по патенту №2466418 с датой приоритета от 07.12.2009 г., в котором к аккумуляторной батарее и составляющим ее аккумуляторам подключают измерительные приборы для измерения напряжения. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи квазинепрерывно, с постоянным временным интервалом дискретизации, измеряют напряжения на каждом аккумуляторе и аккумуляторной батарее в целом. Фиксируют измеренные значения с обеспечением возможности сохранения и накапливания результатов измерений в течение срока эксплуатации каждого аккумулятора. По измеренным значениям напряжения за период измерений, составляющий более одного интервала дискретизации, вычисляют безразмерный коэффициент состояния аккумулятора, являющийся показателем отношения энергии, отданной аккумулятором за период измерений, к величине энергии, соответствующей среднему значению энергии, отданной аккумуляторами в аккумуляторной батарее, за период измерений. Оценку технического состояния аккумуляторов и отбраковку неисправных осуществляют по величине отклонения значения безразмерного коэффициента состояния от 1 за период измерений в зависимости от требований режимов эксплуатации.
Недостатком данного технического решения является необходимость подключать к аккумуляторной батарее измерительные приборы.
Технический результат заявленного технического решения состоит в автоматизации процесса контроля и выдачи информации о состоянии заряда всех видов аккумуляторных батарей.
Заявленное техническое решение может быть использовано на всех видах аккумуляторных батарей и распространяется, в том числе, на стационарные аккумуляторы и моноблочные батареи, предназначенные для эксплуатации в стационарном положении (т.е. не перемещаемые с места на место) и постоянно соединенные с нагрузкой и питанием от источника постоянного тока, используемые, например, на электростанциях и подстанциях, в телекоммуникационных и телефонных системах и сетях.
Программно-аппаратное устройство управления аккумуляторной батарей с беспроводным модулем решает задачу оперативного информирования о состоянии аккумуляторной батареи для прогнозирования сервисных работ и удаленной диагностики.
В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи возникает задача защиты АКБ от перезаряда, переразряда, а также контроля напряжения и сопротивления ячеек составной батареи, поскольку именно изменение сопротивления ячеек характеризует ухудшение емкостной характеристики аккумуляторной батареи. Если не осуществлять постоянный мониторинг состояния ячеек, составная аккумуляторная может выйти из строя или привести к поломке оборудования, использующее данную АКБ.
Программно-аппаратное устройство содержит в себе измерительный модуль, который в свою очередь состоит из блока измерения температуры, блока измерения напряжения, блока обмена информацией с центральным модулем и центральный модуль управления, который состоит из блока аналоговых входов, блока управления контакторами, блока обмена информацией с измерительным модулем, блок обмена информацией с внешними устройствами, который непосредственно подключен к аккумуляторной батарее и измеряет параметры состояния, а также модуль беспроводной связи. Измерительный модуль осуществляет измерение напряжения и температуру каждой ячейки составной аккумуляторной батареи, а центральный модуль измеряет ток и производит расчет основных параметров аккумуляторной батареи (емкость, внутреннее сопротивление, состояние реле нагрузки и заряда, наличие ошибок, температуру ячеек и системы). Модуль беспроводной связи позволяет осуществлять удаленный доступ для настройки параметров программно-аппаратного устройства и установить связь с FTP сервером для автоматической отправки данных о состоянии АКБ на удаленный сервер.
После включения устройства с аккумуляторной батареей с программно-аппаратным устройством запускается процесс инициализации для построения достоверной кривой разряда. Для этого запускается процесс заряда до заданного максимума используемой батареи, далее процесс заряда прекращается и батарея переводится в режим релаксации для установления нормальных условий. По окончанию процесса релаксации запускается регламентированный разряд для построение зависимости Uocv=Uocv(SOC, t°C) которая необходима для расчета степени заряда АКБ. Для запуска алгоритма устанавливаются следующие параметры
- шаг разряда, измеряется в Ач
- величина падения напряжения на анализируемых ячейках
- время релаксации батареи
При разряде аккумулятора на величину равную шагу разряда батарея переводится в состояние релаксации путем отключения зарядного устройства, по истечению времени равному времени релаксации происходит запись напряжения каждой ячейки, что будет соответствовать значению 5% разряда от общей емкости. Общее количество точек составляет 20, что является достаточным для определения разрядной прямой и определения по ней состояния аккумуляторной батареи
В итоге, заявленное техническое решение позволяет не привязываться к номинальному току, а использовать напряжение холостого хода на аккумуляторной батареи, таким образом, полученные данные позволят определять емкость аккумуляторной батареи в не зависимости от токов разряда при эксплуатации.
На фиг. 1 схематично изображена схема устройства с аккумуляторной батареей (1), датчиком тока (2), контактором заряда (3), зарядным устройством (4), резистивной нагрузкой (5), контактором разряда (6) и аппаратно-программным устройством (7), где аппаратно-программное устройство подсоединено к аккумуляторной батарее (1), датчику тока (2) и контакторам заряда и разряда (3 и 6).
На фиг 2. схематично изображены составляющие аппаратно-программного устройства, а именно измерительный модуль (8), центральный модуль управления (9) и модуль беспроводной связи (10).
На фиг 3. схематично изображены составляющие измерительного модуля, а именно блок измерения температуры (11), блок измерения напряжения (12), блок обмена информацией с центральным модулем (13).
На фиг 4. схематично изображены составляющие центрального модуля управления, а именно блока аналоговых входов (14), блока управления контакторами (15), блока обмена информацией с измерительным модулем (16), блок обмена информацией с внешними устройствами (17).