Способ контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей и устройство для его осуществления



Способ контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей и устройство для его осуществления
Способ контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2543499:

Открытое акционерное общество "Ракетно-космический центр "Прогресс" (ОАО "РКЦ "Прогресс") (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при комплектовании батарей из аккумуляторов и диагностировании их технического состояния. Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей. Способ позволяет в режиме реального времени при проведении заряд-разрядных циклов батареи и балансировки аккумуляторов по напряжению контролировать идентичность текущих значений напряжений аккумуляторов батареи. Для этого на аккумуляторы подают напряжения от индивидуальных источников, в качестве напряжения питания которых используют напряжение контролируемой батареи. При этом на выходах индивидуальных источников формируют напряжения, равные текущему среднему значению напряжений аккумуляторов батареи. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к определению электрических параметров аккумуляторных источников электропитания, и может быть использовано при комплектовании аккумуляторных батарей, диагностировании их технического состояния, а также при оснащении и контроле автономных систем электропитания ракетно-космической техники.

Известен способ контроля состояния аккумуляторной батареи в режиме импульсного разряда ее путем измерения текущих значений электрических параметров: напряжения, тока, внутреннего сопротивления и ЭДС (см. Авторское свидетельство №1061198, H01M 10/48, 1983 г.).

Недостатком известного способа является невозможность надежного определения технического состояния отдельных аккумуляторов, их работоспособности, так как указанные параметры определяются для батареи в целом, что не позволяет судить об идентичности электрических параметров отдельных аккумуляторов в ее составе.

Известен также способ определения электрических параметров аккумуляторов для комплектации их в батареи и устройство для его осуществления (патент РФ №2246155 С2, H01M 10/48, от 17.06.2002 г.). При этом способе за счет импульсного нагружения отдельных аккумуляторов батареи регистрируют переходные процессы изменения напряжений на них, определяют коэффициенты отдачи аккумулятора по емкости и энергии, динамический коэффициент полезного действия их. Известный способ не позволяет непосредственно оценивать степень отличия уровней заряда аккумуляторов, которая в значительной мере определяет работоспособность формируемой из них батареи. Для этого необходим сравнительный анализ характеристик всех аккумуляторов батареи и решение многокритериальной задачи с обработкой большого объема информации. Кроме того, известный способ предполагает индивидуальную работу с каждым аккумулятором при использовании мощных коммутационных устройств. Все это вместе взятое обусловливает высокую стоимость реализации способа, его низкую производительность и надежность, что в значительной мере препятствует возможности автоматизации процесса отбора аккумуляторов по параметрам при комплектации их в батарею.

В то же время известно, что основным критерием качества отбора аккумуляторов, объединяемых в батарею, является идентичность текущих значений их напряжений. Так, в монографии Хрусталева Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003 г. (глава 4) отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда их только по текущим значениям напряжений, которые характеризуют текущие значения их уровней заряда. С этих позиций наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батарей в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли (патент РФ №2408958 H01M 10/44 от 03.11.2009 г.), который выбран в качестве прототипа.

Известный способ заключается в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора батареи и балансировке аккумуляторов по напряжению путем подзаряда их от индивидуальных источников напряжения, которые выполнены в виде выходных каскадов преобразователя постоянного напряжения, подключенного к системе электропитания. При этом с помощью резисторов производят ограничение тока индивидуальных источников напряжения, величину выходного напряжения которых выбирают не более максимально допустимого значения зарядного напряжения аккумулятора, а ток подзаряда ограничивают по его минимальному значению при минимальном существенном значении разницы напряжений аккумуляторов. Мощность индивидуальных источников напряжения выбирают из условия непревышения током подзаряда заранее выбранной величины в пределах рабочего диапазона напряжений аккумуляторов.

Способ-прототип не решает непосредственно задачу контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов, объединяемых в батарею. Однако при соответствующей доработке его, как будет показано далее, такая возможность появляется.

Целью предлагаемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей способа-прототипа, реализация на его основе способа контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов, объединяемых в батарею, и совершенствование технологии отбора аккумуляторов при этом.

Цель достигается тем, что в способе контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей, заключающемся в проведении заряд-разрядных циклов и балансировки аккумуляторов по напряжению за счет подключения к ним индивидуальных источников напряжения с ограниченной величиной выходных токов. Для питания индивидуальных источников используют электрическую энергию контролируемой аккумуляторной батареи. При этом с помощью индивидуальных источников формируют напряжения, равные среднему значению напряжений аккумуляторов батареи, и положительные значения величин отклонений напряжений аккумуляторов от их текущих средних значений. Определяют суммарное значение токов, вызванных этими отклонениями, с помощью которого формируют оценку величины разброса текущих значений напряжений аккумуляторов батареи.

В устройство контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей, содержащее преобразователь постоянного напряжения с индивидуальными источниками напряжения, число которых равно числу аккумуляторов батареи и каждый из которых подключают через последовательно соединенные ограничительный резистор и предохранитель к одному из ее аккумуляторов, с этой целью дополнительно вводят индикаторы напряжения, датчик тока, через который подключают шину "-" преобразователя постоянного напряжения к шине "-" аккумуляторной батареи, добавочные резисторы и параллельно соединенные с ними ключевые устройства. При этом среднюю точку первичной обмотки трансформатора преобразователя постоянного напряжения подключают непосредственно к шине "+" аккумуляторной батареи. Параллельно каждому ограничительному резистору подключают вновь введенный индикатор напряжения, а последовательно с ограничительными резисторами включают добавочные резисторы и параллельно соединенные с ними ключевые устройства. Выход датчика тока подключают к входу блока преобразования и регистрации. Коэффициент трансформации трансформатора преобразователя постоянного напряжения выбирают таким, чтобы выходные напряжения индивидуальных источников были равны текущему среднему значению напряжений аккумуляторов батареи.

Согласно заявляемому способу текущее среднее значение напряжений аккумуляторов UC формируют на выходах индивидуальных источников напряжения, которые являются выходными устройствами преобразователя постоянного напряжения. Для этого преобразователь постоянного напряжения подключают шинами питания непосредственно к контролируемой батарее, а величину коэффициента трансформации его трансформатора Тр выбирают такой, чтобы выходные напряжения индивидуальных источников напряжения UC были бы равны отношению:

UC=UАБ/N, (1)

где UАБ - напряжение на аккумуляторной батарее;

N - количество аккумуляторов в батарее.

Так как напряжение на батарее UАБ равно сумме напряжений аккумуляторов Ui, входящих в ее состав: UАБiUi, то выходные напряжения индивидуальных источников UC в этом случае будут равны текущему среднему значению напряжений Ui на аккумуляторах батареи:

UC=N-1ΣiUi. (2)

Контроль идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей согласно заявляемому способу производится по суммарному значению ΣiΔUi величин отклонений напряжений аккумуляторов батареи от их средних значений:

ΣiΔUii(UC-Ui),при ΔUi>0, (3)

где ΔUi=(UC-Ui) - величина отклонения напряжения i-го аккумулятора от текущего среднего значения напряжений UC на аккумуляторах батареи.

При этом величина суммы ΣiΔUi согласно заявляемому способу оценивается по текущему значению тока I цепи питания преобразователя напряжения. Определим взаимосвязь между этими величинами в процессе подзаряда аккумуляторов от индивидуальных источников напряжения.

Согласно заявляемому способу индивидуальные источники напряжения представляют собой выходные выпрямительные устройства преобразователя постоянного напряжения. Эквивалентная схема подзаряда аккумуляторов изображена на Фиг.1,

где Ro - сопротивление ограничительного резистора;

Ui, Ra - соответственно напряжение и внутреннее сопротивление аккумулятора;

UC, Rи - соответственно напряжение и выходное сопротивление индивидуального источника напряжения.

Полное сопротивление цепи подзаряда R в этом случае будет равно сумме:

R=Ro+Ra+Rи. (4)

В рабочем состоянии внутреннее сопротивление аккумулятора Ra достаточно мало и существенно меньше суммы Ro+Rи. В то же время индивидуальные источники напряжения имеют общую первичную цепь трансформатора и вносят во все цепи заряда аккумуляторов одно и т же сопротивление Rи. При этом если в цепях заряда аккумуляторов установить одинаковые по величине ограничительные сопротивления Ro, то с достаточной для практики степенью точности можно утверждать, что сопротивления цепей подзаряда аккумуляторов батареи несущественно отличаются друг от друга и равны R. Тогда величина тока подзаряда Ii i-го аккумулятора батареи будет определяться отношением:

Ii=(UC-Ui)/R=ΔUi/R. (5)

Если потери энергии в трансформаторе не учитывать, то величина тока в первичной цепи трансформатора I будет определяться суммой значений токов Ii вторичных цепей трансформатора с учетом коэффициента трансформации:

I=ΣinIi=nΣiΔUi/R, (6)

где n - коэффициент трансформации;

Ii - ток подзаряда аккумулятора.

Для определения величины сопротивления R включим в каждую цепь подзаряда аккумуляторов дополнительное сопротивление Rд и определим с помощью датчика тока новое значение тока I1, потребляемого преобразователем напряжения. Величина его будет определяться отношением:

I1=nΣiΔUi/(R+Rд), (7)

где Rд - величина дополнительного сопротивления.

Решая соотношения (6), (7) совместно, получим:

ΣiΔUi=IR/n, (8)

R=I1Rд/(I-I1). (9)

Суммарное значение отклонений текущих значений напряжений аккумуляторов от величины текущего среднего значения напряжений аккумуляторов батареи ΣiΔUi пропорционально произведению тока первичной цепи трансформатора (тока преобразователя) на полное сопротивление R цепи подзаряда аккумуляторов и обратно пропорционально коэффициенту трансформации n. При этом величина R может быть определена предварительно согласно соотношению (9) за счет включения дополнительного сопротивления Rд в цепь заряда аккумуляторов и использоваться в дальнейшем как константа для данного типа аккумуляторов при вычислении ΣiΔUi с помощью блока преобразования и регистрации согласно (8).

Электрическая схема устройства, реализующего заявляемый способ, изображена на Фиг.2. В состав заявляемого устройства входят: преобразователь постоянного напряжения 1 с силовым трансформатором Тр, с выходными транзисторами T1, Т2 и индивидуальными источниками напряжения Ина - Инм; блок ограничителей и индикации 2 с предохранителями Па - Пм, ограничительными резисторами Roa - Roм, индикаторами напряжения Иа - Им, добавочными резисторами Rда - Rдм и ключевыми устройствами Ка - Км; аккумуляторная батарея 3 с аккумуляторами Аа - Ам; блок преобразования и регистрации 4 с входом для установки константы; датчик тока 5.

Средняя точка первичной обмотки трансформатора преобразователя постоянного напряжения 1 соединена с шиной "+" аккумуляторной батареи 3. Шина питания "-" преобразователя постоянного напряжения 1 (коллекторы транзисторов T1, Т2) соединена через датчик тока 5 с шиной "-" аккумуляторной батареи 3. Выходные цепи каждого индивидуального источника напряжений Ина - Инм соединены через соответствующие предохранители Па - Пм, ограничительные резисторы Roa - Roм и добавочные резисторы Rда - Rдм или ключевые устройства Ка - Км с одним из аккумуляторов батареи 3. Каждый ограничительный резистор Roa - Roм соединен со входными цепями одного из индикаторов напряжения Иа - Им. Выход датчика тока 5 соединен с входом блока преобразования и регистрации 4. Причем коэффициент трансформации трансформатора Тр подобран таким образом, что выходные напряжения индивидуальных источников Ина - Инм равны текущему среднему значению напряжений аккумуляторов батареи 3.

Устройство работает следующим образом. На первом этапе определяют полное сопротивление цепи подзаряда R. Для этого с помощью датчика тока 5 определяют величину тока I первичной цепи трансформатора Тр при замкнутом состоянии ключевых устройств Ка - Км. Затем ключевые устройства Ка - Км размыкают и фиксируют изменившееся значение тока I1 первичной цепи трансформатора Тр. По известной величине сопротивлений добавочных резисторов Rда - Rдм в соответствии с соотношением (9) вычисляют полное сопротивление цепи подзаряда R. Вводят полученное значение R в виде константы в блок преобразования и регистрации 4, подготавливая тем самым устройство к работе.

Штатная работа рассматриваемого устройства происходит при замкнутом состоянии ключевых устройств Ка - Км. В процессе проведения заряд-разрядных циклов аккумуляторной батареи 3 преобразователь постоянного напряжения 1 непрерывно формирует на выходах индивидуальных источников Ина - Инм напряжения UC, равные текущему среднему значению напряжений аккумуляторов батареи 3, величина которого в соответствии с изменениями напряжений аккумуляторов непрерывно изменяется. Если текущее значение напряжения Ui i-го аккумулятора батареи 3 оказывается меньше выходного напряжения подключенного к нему индивидуального источника напряжения (Ui<UC), то диоды его выпрямителя оказывается открытыми и напряжение UC подается на i-й аккумулятор. Происходит дозаряд i-го аккумулятора до величины среднего значения напряжений на аккумуляторах батареи 3. При этом ток заряда этого аккумулятора создает падение напряжения на его ограничительном сопротивлении Roi, наличие которого выявляется индикатором напряжения и свидетельствует об отличии напряжения данного аккумулятора от напряжений других аккумуляторов батареи.

Чем ниже уровень заряда i-го аккумулятора, тем меньше напряжение Ui на нем, тем больше разность напряжений ΔUi=UC-Ui, тем больший ток подзаряда этот аккумулятор отбирает от индивидуального источника напряжения Ui и тем больший ток потребляет преобразователь постоянного напряжения 1 через датчик тока 5. При этом датчик 5 реагирует на суммарное значение токов подзаряда аккумуляторов, уровень напряжения которых оказался ниже текущего среднего значения напряжений UC на аккумуляторах батареи 3.

Если же Ui≥UC, то диоды выпрямителя i-го индивидуального источника напряжения оказываются закрытыми, выходной ток его равен нулю, равно нулю падение напряжения на его ограничительном резисторе Roi, о чем свидетельствует индикатор напряжения. Равна нулю и токовая составляющая этого источника в суммарном значении токов датчика 5.

При равенстве напряжений на аккумуляторах батареи между собой эти напряжения оказываются равны также среднему значению напряжения на аккумуляторах UC, формируемому индивидуальными источниками напряжения. Выпрямительные диоды индивидуальных источников оказываются закрытыми, их токи - равны нулю, что отображают индикаторы напряжения Иа - Им. Выходной сигнал датчика тока 5 тоже равен нулю. Это свидетельствует об идентичности значений напряжений аккумуляторов батареи. Чем больше разность напряжений ΔUi=(UC-Ui) и чем больше число аккумуляторов, для которых эта разность имеет положительное значение, тем больше значение выходного сигнала I датчика 5, тем больше величина суммы ΣiΔUi.

Таким образом, выходной сигнал датчика тока 5 и сумма ΣiΔUi характеризуют степень отличия текущих значений напряжений на аккумуляторах батареи от текущего среднего значения этих напряжений, или во времени характеризует идентичность значений напряжений аккумуляторов батареи и, следовательно, идентичность значений уровней заряда этих аккумуляторов.

При принятии решения о состоянии аккумуляторной батареи заявляемым способам могут быть использованы показания индикаторов напряжения, которые непосредственно определяют аккумуляторы с пониженным выходным напряжением, или текущие значения суммы ΣiΔUi, отображаемые блоком преобразования и регистрации 4.

Для формирования таких оценок нет необходимости работать с каждым аккумулятором отдельно, накапливая и обрабатывая промежуточную информацию о состоянии каждого из них. Заявляемый способ позволяет получать в режиме автомата разности напряжений ΔUi=UC-Ui одновременно для всех аккумуляторов батареи. Преобразовать их в соответствующие значения токов, сформировать на этой основе обобщенный сигнал ΣiΔUi. Этот сигнал позволяет непосредственно сделать вывод о качестве отбора аккумуляторов при объединении их в батарею или при входном контроле батареи. Одновременно индикаторы напряжения непосредственно укажут на аккумуляторы с пониженным выходным напряжением в составе батареи. Способ существенно упрощает процедуру контроля идентичности значений напряжений аккумуляторов и делает ее более совершенной, позволяет выполнять эту процедуру в режиме автомата в реальном времени и обеспечивает достижение поставленной цели.

Таким образом, выявленные отличительные признаки обеспечивают достижение поставленной цели, они не встречались в ранее известных технических решениях в предложенной совокупности и могут быть квалифицированы как существенные отличия.

Заявляемый способ может быть использован при промышленном производстве и входном контроле аккумуляторных батарей, при оснащении автономных систем электропитания ракетно-космической техники.

Источники информации

1. Авторское свидетельство РФ №1061198, H01M 10/48, 1983 г.

2. Патент РФ №2246155 С2, H01M 10/48, от 17.06.2002 г.

3. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы - М.: Изумруд, 2003 г.

4. Патент РФ №2408958 CI, H01M 10/44, от 03.11.2009 г.

1. Способ контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и балансировке аккумуляторов по напряжению за счет подключения к ним индивидуальных источников напряжения с ограниченной величиной выходных токов, отличающийся тем, что для питания индивидуальных источников используют электрическую энергию контролируемой аккумуляторной батареи, при этом с помощью индивидуальных источников формируют напряжения, равные среднему значению напряжений аккумуляторов батареи, и положительные значения величин отклонений напряжений аккумуляторов от их средних значений, определяют суммарное значение токов, вызванных этими отклонениями, с помощью которого формируют оценку величины разброса значений напряжений аккумуляторов батареи.

2. Устройство контроля идентичности электрических параметров аккумуляторов при комплектовании батарей, содержащее преобразователь постоянного напряжения с индивидуальными источниками напряжений, число которых равно числу аккумуляторов батареи и каждый из которых подключают через последовательно соединенные ограничительный резистор и предохранитель к одному из аккумуляторов батареи, отличающееся тем, что в него дополнительно вводят индикаторы напряжения, датчик тока, через который подключают шину питания "-" преобразователя постоянного напряжения к шине "-" аккумуляторной батареи, добавочные резисторы и параллельно соединенные с ними ключевые устройства, при этом среднюю точку первичной обмотки трансформатора преобразователя постоянного напряжения подключают непосредственно к шине "+" аккумуляторной батареи, параллельно каждому ограничительному резистору подключают вновь введенный индикатор напряжения, а последовательно с ограничительными резисторами включают добавочные резисторы и параллельно соединенные с ними ключевые устройства, выход датчика тока подключают к входу блока преобразования и регистрации, коэффициент трансформации трансформатора преобразователя постоянного напряжения выбирают таким, чтобы выходные напряжения индивидуальных источников были равны текущему среднему значению напряжений аккумуляторов батареи.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологическому противодействию замене несертифицированной батареей. Устройство противодействия замене несертифицированной батареей для электрического транспортного средства содержит средство определения особенности батареи и средство ограничения выходной мощности источника мощности, когда определено то, что батарея после замены является несертифицированной батареей.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, предназначенных для подзарядки группы аккумуляторных батарей установленных на транспортном средстве.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники. Техническим результатом является увеличение надежности устройства, уменьшение погрешности измерения электрической емкости ХИТ и упрощение конструкции устройства.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к бортовым системам контроля работоспособности и определения сроков обслуживания аккумуляторных батарей. .

Изобретение относится к электротехнике и электрохимии и касается аккумуляторов открытого типа. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для контроля состояния аккумуляторных источников питания. .

Изобретение относится к области разработки и эксплуатации вторичных источников тока и может применяться для подготовки к хранению, проведения ресурсных и приемо-сдаточных испытаний аккумуляторных батарей.

Изобретение относится к электротехнике и может применяться в качестве устройства для электропитания постоянным током носимых радиостанций. .

Изобретение относится к области технической диагностики и может использоваться для проверки исправности аккумуляторной батареи. Сущность: способ использует определение неравномерности распределения температуры по поверхности аккумуляторной батареи с последующим определением зон, имеющих повышенную температуру относительно смежного участка поверхности корпуса и местоположения выявленной зоны с повышенной температурой относительно элементов конструкции аккумуляторной батареи.

Изобретение относится к области техники измерений, в частности к устройству для измерения остаточной емкости аккумулятора. которое содержит последовательно соединенные блоки: шунт, операционный усилитель, первый АЦП, масштабный делитель, первый температурный корректор, сумматор, триггер, вычислитель среднего значения, счетчик энергии, вычислитель заряда и индикатор; выходы таймера связаны со входами сумматора, триггера, счетчика энергии, вычислителя саморазряда и вычислителя заряда, а выход вычислителя саморазряда соединен со входом счетчика энергии; также устройство содержит последовательно соединенные резистивный делитель, второй АЦП и второй температурный корректор; кроме того, в составе устройства присутствует датчик температуры, выход которого соединен со входами первого температурного корректора, второго температурного корректора и вычислителя саморазряда; выходы первого и второго логических устройств соединены со входом счетчика энергии, а входы первого и второго логических устройств - с выходами первого и второго температурных корректоров.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в автоматике электрических сетей. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей.

Изобретение относится к химическим источникам тока, а именно к определению остаточной емкости электрических аккумуляторов. Технический результат: обеспечение возможности определения остаточной емкости литий-ионного аккумулятора с положительным электродом на основе феррофосфата лития, повышение достоверности такого определения.

Изобретение относится к оценке состояния аккумулятора. Сущность: устройство определяет ток и напряжение на клеммах аккумуляторной батареи; использует их значения, чтобы оценивать значение на клеммах аккумуляторной батареи на основе предварительно определенной модели аккумулятора; и последовательно идентифицирует параметр модели аккумулятора так, что разность между значением на основе значения измерения напряжения на клеммах и оцененным значением напряжения на клеммах сходится к нулю.

Изобретение относится к работе батарей с проточным электролитом, в частности к системам управления, контроля, зарядки и/или разрядки батарей с проточным электролитом.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к бортовым системам контроля работоспособности и определения сроков обслуживания аккумуляторных батарей. .

Изобретение относится к устройству и способу оценки состояния батареи. .

Изобретение относится к мониторингу аккумуляторных модулей, каждый из которых содержит множество единичных элементов. .

Изобретение относится к комплексным автоматизированным системам, а именно к системам для контроля работоспособности и диагностики неисправностей обслуживаемых и необслуживаемых аккумуляторных батарей различных (подвижных и стационарных) объектов на базе средств вычислительной техники.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам диагностики литиевых химических источников тока. Способ включает разряд источника тока на внешнюю нагрузку и измерение его напряжения под нагрузкой. При этом сопротивление нагрузки уменьшают так, чтобы ток увеличивался до величины, при которой напряжение под нагрузкой источника тока отличалось от напряжения разомкнутой цепи на 0,001 В, при этом полученное значение тока сравнивают с эталонной величиной и при превышении эталона тестируемый источник тока бракуется. Технический результат заключается в возможности проводить неразрушающую диагностику элементов системы Li/SOCl2 без потери емкости. 2 ил.
Наверх