Устройство для контроля состояния аккумулятора с плоскими электродами ламельной конструкции и корпусом из непроводящего немагнитного материала

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к аккумуляторам, комбинированным с индикаторами состояния. Цель изобретения - повышение безопасности аккумулятора при эксплуатации путем снижения инерционности контроля температуры внутри аккумулятора. Устройство содержит аккумулятор с плоскими электродами ламельной конструкции и корпусом из непроводящего, немагнитного материала, комбинированный с индикатором его состояния, содержащим генератор переменного напряжения синусоидальной формы, двухвходовый усилитель переменного тока, сигнализатор, подстроечный элемент, первую и вторую обмотки, первые выводы которых соединены вместе и подключены к первому выводу генератора переменного напряжения, а вторые выводы первой и второй обмоток подключены к первому и второму входам двухвходового усилителя. Устройство снабжено первым и вторым броневыми сердечниками чашеобразной формы с центральным стержнем, открытым со стороны одного из торцов, компаратором, источником стабильного напряжения, двухвходовым блоком фазового контроля. Подстроечный элемент выполнен в форме диска из термостабильного проводникового материала, а первая и вторая обмотки размещены на центральных стержнях первого и второго ферромагнитных сердечников. При подключении генератора к обмоткам величина потерь от действия вихревых токов, вносимых в индуктивный контур второй обмотки, зависит от температуры электрода аккумулятора. При превышении температуры электрода уровня теплового разгона сигнализатор информирует об аварии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к вторичным элементам, в частности к аккумуляторам с плоскими электродами ламельной конструкции и корпусом из непроводящего немагнитного материала, комбинированным с индикаторами состояния, сигнализирующими о переходе аккумулятора в аварийный режим при тепловом разгоне. Цель изобретения - повышение безопасности аккумулятора при эксплуатации путем снижения инерционности контроля его температуры. На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - электросхема устройства. Устройство содержит аккумулятор 1 с плоскими электродами 2 ламельной конструкции и корпусом 3 из непроводящего, немагнитного материала (пластмассы). Аккумулятор 1 комбинирован с индикатором его состояния, содержащим генератор 4 переменного напряжения синусоидальной формы, двухвходовый усилитель 5 переменного тока, сигнализатор 6, подстроечный элемент 7, первую 8 и вторую 9 обмотки, первые выводы которых соединены вместе и подключены к первому выходу генератора 4 переменного напряжения, а вторые выводы первой 8 и второй 9 обмоток подключены соответственно к первому и второму входам двухвходового усилителя 5 переменного тока. Устройство снабжено первым 10, вторым 11 и третьим 12 резисторами, причем первые выводы этих резисторов соединены вместе, первым 13 и вторым 14 броневыми ферромагнитными сердечниками чашеобразной формы с центральным стержнем, открытыми со стороны одного из торцов 15, компаратором 16, источником 17 стабильного напряжения, двухвходовым блоком 18 фазового контроля. Подстроечный элемент 7 выполнен в форме диска из термостабильного проводникового материала, а первая 8 и вторая 9 обмотки размещены на центральных стержнях соответственно первого 13 и второго 14 ферромагнитных сердечников. Второй вывод первой обмотки 8, связанный с первым входом усилителя 5 переменного тока, соединен с вторым выводом первого резистора 10, а второй вывод второй обмотки 9, связанный с вторым входом усилителя 5, соединен с вторым выводом второго резистора 11, второй вывод третьего резистора 12 подключен к второму выводу генератора 4 переменного напряжения. Общий вывод первого 10, второго 11 и третьего 12 резисторов соединен с первым входом компаратора 16, к второму входу которого подключен источник 17 стабильного напряжения, выход компаратора 16 и выход усилителя 5 переменного тока соединены соответственно с первым и вторым входами блока 18 фазового контроля. Выход блока 18 фазового контроля связан с входом сигнализатора 6. Блок 18 фазового контроля снабжен первым 19 и вторым 20 диодами и двухвходовой схемой И 21, причем аноды первого 19 и второго 20 диодов подключены соответственно к первому и второму входам блока 18 фазового контроля, катоды диодов 19 и 20 подключены соответственно к первому и второму входам схемы И 21, а выход схемы И 21 соединен с выходом блока 18 фазового контроля. В состав схемы И 21 входят усилители с большим коэффициентом усиления. Аккумулятор 1 помещен в контейнер 22, имеющий вырез 23 против широкой стороны плоских электродов 2 этого аккумулятора. Контейнер 22 снабжен кронштейнами 24, размещенными по сторонам выреза 23. Сердечники 13 и 14 с обмотками 8 и 9 соответственно установлены, например, на клее, на плате 25, которая крепится к кронштейнам 24 при помощи винтов 26, пропущенных через пружины 27. Сердечники 13 и 14 подпружинены к корпусу 3 аккумулятора 1 против центрального участка широкой стороны плоского электрода 2 таким образом, чтобы первый сердечник 13 был прижат к корпусу 3 аккумулятора 1 своим открытым торцом 15, а второй сердечник 14 развернут открытым торцом 15 в противоположную сторону относительно первого сердечника 13 и прижат к корпусу 3 аккумулятора 1 вблизи этого сердечника. На плате 25 около открытого торца 15 второго сердечника 14 параллельно плоскости этого торца размещен подстроечный элемент 7, установленный на скобе 28 и снабженный регулировочным винтом 29. На аккумуляторе 1 установлены клеммы 30, при помощи которых он подключается к нагрузке. Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения от генератора 4 через третий резистор 12 и первый резистор 10 на первую обмотку 8 и через третий резистор 12 и второй резистор 11 на вторую обмотку 9 в первом 13 и втором 14 сердечниках, на которых размещены соответственно обмотки 8 и 9, наводится магнитный поток, рассеиваемый со стороны открытых торцов 15 этих сердечников. Магнитный поток, рассеиваемый со стороны открытого торца 15 первого сердечника 13, экранируется ламелью электрода 2, изготовленной из стали. А поток, рассеиваемый со стороны открытого торца 15 второго сердечника 14, экранируется подстроечным элементом 7, выполненным в форме диска из термостабильного проводникового материала (мантанина, константа, хромаля и т.д.). Частота генератора 4 выбирается в пределах 20-200 кГц таким образом, чтобы глубина проникновения вихревых токов, наводимых в ламели электрода 2 и подстроечном элементе 7 под действием рассеиваемых сердечниками 13 и 14 магнитных потоков, была меньше толщины материала ламели электрода 2 и диска подстроечного элемента 7. Частота и напряжение на выходе генератора 4 стабилизируются. Величина потерь от действия вихревых токов, вносимых подстроечным элементом 7 в индуктивный контур, практически не зависит от температуры окружающей среды, так как диск этого элемента, экранирующий поток рассеивания, изготовлен из термостабильного проводникового материала. Величина потерь от действия вихревых токов, вносимых в индуктивный контур, образованный второй обмоткой 9, зависит от температуры электрода 2 аккумулятора 1, которая не должна, например, превышать 70-80оС, если аккумулятор 1 относится к щелочным аккумуляторам никель-кадмиевой группы. При увеличении температуры электрода 2 выше указанной величины, что возможно при заряде аккумулятора 1 от источника постоянного напряжения, начинается тепловой разгон аккумулятора 1, приводящий к выходу его из строя. Изменение магнитных свойств стали ламели электрода 2 при его нагреве оказывают значительно меньшее влияние на параметры индуктивного контура на обмотке 9, чем изменение проводимости, так как температура точки Кюри стали (750-770^оС) значительно превышает максимальную рабочую температуру электродов 2 аккумулятора 1 (70-80^оС). Нагрев электрода 2 увеличивает сопротивление материала ламели вихревым токам. При этом уменьшаются потери и, следовательно, возрастает величина сопротивления, вносимого в индуктивный контур, образованный второй обмоткой 9. Одновременно уменьшается магнитное поле вихревых токов, что приводит к увеличению действующего значения индуктивности обмотки 9. В результате этого уменьшается ток в последовательной цепи, образованной обмоткой 9 и резистором 11, что приводит к уменьшению величины напряжения, снимаемого с резистора 11 на второй вход усилителя 5. Регулировкой подстроечного элемента 7 обеспечивается баланс напряжений на первом 10 и втором 11 резисторах при достижении электродом 2 температуры 70-80^оС. При этом напряжение на входе усилителя 5 равно нулю. Для повышения стабильности работы устройства при воздействии внешних факторов параметры индуктивного контура, состоящего из обмотки 8 и сердечника 13, выбираются идентичными параметрам контура, состоящего из обмотки 9 и сердечника 14, а сопротивление резистора 10 равным сопротивлению резистора 11. При температуре электрода 2 аккумулятора 1 ниже максимально допустимой (70-80^оС) напряжение на резисторе 10, снимаемое на первый вход усилителя 5, меньше напряжения на резисторе 11, снимаемого на второй вход усилителя 5. Напряжение синусоидальной формы с выхода усилителя 5 подается на первый вход блока 18 фазового контроля. На второй вход этого блока подается напряжение прямоугольной формы с выхода компаратора 16, причем прямоугольные импульсы положительной полярности этого напряжения совпадают по времени с отрицательной полуволной напряжения на выходе усилителя 5. При этом напряжение на выходе блока 18 фазового контроля отсутствует, так как его формированию препятствует наличие в схеме блока 18 диодов 19, 20 и схемы И 21, открывающих выход блока 18 только при совпадении на его двух входах сигналов положительной полярности. Таким образом блоком 18 производится контроль фазы напряжения на выходе усилителя 5, для чего, как это следует из изложенного, на второй вход этого блока подается опорное напряжение с выхода компаратора 16, имеющее форму прямоугольных импульсов чередующейся полярности. В связи с тем, что величина сопротивления, вносимого в индуктивные контуры на обмотках 8 и 9, зависит от величины потерь в подстроечном элементе 7 и в ламели электрода 2, при низких температурах электрода 2 возможен фазовый сдвиг между напряжениями на входах усилителя 5, зависящий от соотношения указанных потерь и достигающий величины 15-20^о. Это приводит к сдвигу фазы выходного напряжения усилителя 5 по отношению к фазе опорного напряжения. Опорный сигнал, снимаемый с выхода компаратора 16 (т.е. импульсы положительной полярности напряжения), может перекрывать по времени не только отрицательную полуволну напряжения, но и участки положительной полуволны, что может привести к появлению ложных сигналов на выходе блока 18 фазового контроля. Для исключения этого длительность положительных импульсов напряжения выбирается меньше половины периода контролируемого сигнала, например, равно π/2. Формирование опорного напряжения производится при помощи компаратора 16, на первый вход которого подается напряжение, снимаемое с третьего резистора 12, а на второй - напряжение от источника 17. На выходе компаратора 16 формируется напряжение прямоугольной формы, имеющее положительную полярность во время прохождения положительной полуволны напряжения на его первом входе. Длительность импульсов напряжения положительной полярности определяется величиной стабилизированного постоянного напряжения, подаваемого от источника 17. При этом углы α₁ и α₂, определяющие начало и окончание импульса, равны, т.е. формируемый импульс симметричен положительной полуволне напряжения на входе компаратора 16. При увеличении температуры электрода 2 аккумулятора 1 выше 70-80^оС напряжение на резисторе 10, снимаемое на первый вход усилителя 5, становится больше напряжения на резисторе 11, снимаемого на второй вход этого усилителя. Фаза напряжения на выходе усилителя изменяется на угол 180^о. При этом положительная полуволна напряжения, подаваемого с выхода усилителя 5 на первый вход блока 18 фазового контроля, совпадает по времени с положительным прямоугольным импульсом опорного напряжения, подаваемого с выхода компаратора 16 на второй вход блока 18. На выходе блока 18 фазового контроля появляются импульсы напряжения, поступающие на вход сигнализатора 6, который информирует об аварийном повышении температуры аккумулятора 1. Сигнализатор 6 может содержать аналоговые и цифровые блоки, осуществляющие преобразование сигналов и выполняющие логические операции, и иметь несколько входов для подачи на него дополнительных сигналов, например, пропорциональных напряжению и току аккумулятора 1. Применение предлагаемого устройства позволяет повысить безопасность аккумулятора при эксплуатации за счет обеспечения возможности бесконтактного контроля изменения характеристик электродов в зависимости от температуры нагрева, автоматизации операций по его выполнению, а также исключения влияния степени заряженности аккумулятора на результаты контроля его состояния. Наиболее эффективно применение устройства при работе аккумулятора в буферном режиме и при его заряде от источника постоянного напряжения, где наиболее велика вероятность перехода аккумулятора в аварийный режим теплового разгона, характеризующийся непрерывным увеличением тока заряда и возрастанием температуры аккумулятора вплоть до его теплового взрыва.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ АККУМУЛЯТОРА С ПЛОСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ЛАМЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ И КОРПУСОМ ИЗ НЕПРОВОДЯЩЕГО НЕМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА, содержащее генератор переменного напряжения синусоидальной формы, двухвходовый усилитель, сигнализатор, подстроечный элемент, первый, второй и третий резисторы, причем первые выводы этих резисторов соединены вместе, компаратор и источник стабильного напряжения постоянного тока, подключенный к первому входу компаратора, отличающееся тем, что, с целью повышения безопасности аккумулятора при эксплуатации путем снижения инерционности контроля температуры внутри аккумулятора, оно снабжено первой и второй обмотками, первым и вторым броневыми ферромагнитными сердечниками чашеобразной формы с центральным стержнем, открытыми со стороны одного из торцов, двухвходовым блоком фазового контроля, при этом подстроечный элемент выполнен в форме диска из термостабильного проводникового материала, а первая и вторая обмотки размещены на центральных стержнях соответственно первого и второго ферромагнитных сердечников, подпружиненных к корпусу аккумулятора против широкой стороны плоского электрода таким образом, чтобы первый сердечник был прижат к корпусу аккумулятора своим открытым торцом, а второй сердечник развернут открытым торцом в противоположную сторону относительно первого и прижат к корпусу аккумулятора вблизи первого сердечника, при этом около открытого торца второго сердечника параллельно плоскости торца размещен подстроечный элемент, первые выводы первой и второй обмоток соединены вместе и подключены к первому выводу генератора переменного напряжения, второй вывод первой обмотки соединен с первым входом двухвходового усилителя и вторым выводом первого резистора, а второй вывод второй обмотки соединен с вторым входом двухвходового усилителя и вторым выходом второго резистора, второй вывод третьего резистора подключен к второму выводу генератора переменного напряжения, общий вывод первого, второго и третьего резисторов соединен с вторым входом компаратора, выход компаратора и выход усилителя соединены соответственно с первым и вторым входами блока фазового контроля, а выход этого блока связан с входом сигнализатора, причем частота напряжения на выходе генератора равна 20 - 200 кГц. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок фазового контроля снабжен первым и вторым диодами и двухвходовой схемой И, причем аноды первого и второго диодов подключены соответственно к первому и второму входам блока фазового контроля, катоды этих диодов подключены соответственно к первому и второму входам схемы И, а выход этой схемы соединен с выходом блока фазового контроля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2