СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ЕМКОСТИ СВИНЦОВОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2004 года по МПК H01M10/42 G01R31/36 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока, и может быть использовано для контроля технического состояния, например, свинцовых аккумуляторов.

Известен способ определения степени заряженности аккумулятора (RU, патент 2110119 С1 Н 01 М 10/48, G 01 R 31/36, 1998.), заключающийся в том, что измеряют равновесную электродвижущую силу (эдс) аккумулятора на двух электродах, дополнительно вводимых в электролит. Кроме того, в электролит также вводят датчик температуры, измеряют температуру электролита, запоминают объем электролита, номинальную емкость аккумулятора, равновесную эдс полностью заряженного аккумулятора, с учетом которых рассчитывают степень заряженности аккумулятора, корректируя результат расчетов по температуре электролита.

Определение степени заряженности указанным способом требует создания и применения дополнительных технических средств: электродов, датчиков температуры, измерителей объема электролита. Поэтому усложняется устройство для осуществления этого способа.

Известен также способ определения остаточной емкости свинцового аккумулятора (СА) (RU, патент 2120158 С1, Н 01 М 10/42, G 01 R 31/36), заключающийся в том, что предварительно для соответствующего типа аккумулятора проводят циклы: полный заряд СА - разряд одним из основных применяемых режимов разряда (1-, 2-, 5-, 10-, 20-, 50-часовой) до конечного разрядного напряжения с охватом такими циклами всех перечисленных основных режимов разряда и устанавливают зависимости разрядного напряжения в каждом из этих режимов от отданной емкости, осуществляя в процессе разряда интегрирование тока в функции времени и измерение разрядного напряжения. Эти зависимости запоминают.

В процессе эксплуатации СА такого типа при его разряде осуществляют интегрирование тока разряда в функции времени и измерение разрядного напряжения и, используя предварительно полученную зависимость разрядного напряжения при установленном токе от разрядной емкости, определяют остаточную емкость СА в данном режиме разряда.

Периодически, когда по правилам эксплуатации таких СА проводят лечебный цикл, определяют разрядную емкость на текущий момент времени при разряде током 20-часового разряда и вычисляют поправочный коэффициент изменения отдаваемой емкости СА, равный отношению полученной в последнем лечебном цикле разрядной емкости к соответствующей разрядной емкости, полученной для данного типа СА на начальный момент эксплуатации и зафиксированный. При дальнейшей эксплуатации СА получаемые указанным выше способом значения остаточной емкости умножают на поправочный коэффициент.

Указанный способ определения остаточной емкости СА принят за прототип. Основным недостатком способа, принятого за прототип, является его низкая точность. Это обусловлено тем, что полная емкость СА и его разрядные характеристики (зависимость напряжения на аккумуляторе от разрядной емкости при различных токах разряда) изменяются с течением времени. Интегрирование тока по времени в период разряда и вычисление остаточной емкости как разности между полной и разрядной емкостью не дает необходимого уточнения, так как именно полная емкость СА изменяется с течением времени. Кроме того, от полной емкости можно отнимать разрядную емкость, если они относятся к одному и тому же неизменному току разряда. На практике же, в условиях эксплуатации СА разряжают чаще всего произвольно изменяющимся во времени током.

После лечебного цикла, согласно описываемому способу, определятся поправочный коэффициент и уточняется, таким образом, значение остаточной емкости. Однако, лечебные циклы проводят ориентировочно после полугода эксплуатации СА. За это время аккумулятор может уменьшить свою емкость до 30%. Лечебный цикл частично компенсирует это уменьшение емкости. Но непосредственно перед лечебным циклом погрешность определения остаточной емкости указанным способом может достигнуть 30%.

Изобретение направлено на повышение точности определения остаточной емкости свинцовых аккумуляторов в любой момент их разряда за счет того, что предварительно для соответствующего типа аккумулятора проводят циклы: полный заряд - разряд до конечного разрядного напряжения поочередно каждым из основных применяемых режимов разряда (1-, 2-, 5-, 10-, 20-, 50-часовой), в процессе которых осуществляют периодическое измерение напряжений на аккумуляторе, фиксируя при этом соответствующие моменты времени от начала разряда, т.е. устанавливают зависимости разрядного напряжения от времени при различных разрядных токах. Полученные зависимости переводят в безразмерный вид и получают единую для всех токов разряда обобщенную зависимость относительного напряжения на аккумуляторах от относительного времени, аппроксимируют ее экспоненциальной зависимостью, из которой получают формулы для расчета относительной постоянной времени экспоненты, коэффициента усиления экспоненты и расчетного значения относительного времени до конца разряда. Значения коэффициентов, входящих в эти формулы, запоминают.

В процессе эксплуатации свинцовых аккумуляторов такого типа при неизменном токе разряда производят периодическое измерение напряжений на аккумуляторе с одинаковыми интервалами времени и фиксируют соответствующие моменты времени, затем по величине тока разряда определяют конечное разрядное напряжение, начальное разрядное напряжение и время полного разряда, а по данным последовательных не менее трех измерений напряжений рассчитывают:

- относительные значения напряжений;

- постоянную времени экспоненты;

- коэффициент усиления экспоненты;

- расчетное значение относительного времени до конца разряда;

- остаточную емкость в каждый текущий момент времени.

Таким образом, согласно предлагаемому способу, остаточная емкость СА рассчитывается по полученным на основе экспоненциальной зависимости обобщенным безразмерным формулам, коэффициенты которых не зависят от тока разряда и других факторов (в том числе от “старения” СА), а только от относительных напряжений на аккумуляторе. Все изменения в характеристиках СА отражаются на реальной разрядной кривой. С помощью экспоненциальной зависимости и с учетом не только значений напряжений, но и кривизны разрядной кривой в данной точке, производится ее экстраполяция, в результате которой рассчитывается время до момента достижения конечного разрядного напряжения, при котором разряд прекращают. Точность определения остаточной емкости может быть повышена за счет увеличения интервалов между последовательными измерениями напряжений на аккумуляторах.

Способ определения остаточной емкости свинцового аккумулятора по величине напряжения на его зажимах, установившегося при разряде неизменным током, состоит в том, что предварительно для соответствующего типа аккумулятора проводят циклы: полный заряд - разряд до конечного разрядного напряжения поочередно каждым из основных применяемых режимов разряда (1-, 2-, 5-, 10-, 20-, 50-часовой). В процессе разрядов осуществляют периодическое измерение напряжения на аккумуляторе U_pai, фиксируя при этом соответствующие моменты времени от начала разряда τ _pi заданным током разряда. Таким образом, устанавливают зависимость разрядного напряжения от времени.

Для каждого разрядного тока I_рj фиксируют значения:

U_нpj - напряжения на аккумуляторе в начале процесса разряда,

U_кpj - конечное разрядное напряжение,

τ _пpj - время полного разряда,

и устанавливают зависимость этих величин от разрядного тока.

Значения U_pai переводят в безразмерный вид, для чего вычисляют относительные значения напряжений по формуле U_oi=(U_pai-U_кpj)/(U_нpj-U_кpj), и соответствующие относительные значения времени измерения от начала разряда τ _oi=τ _pi/τ _пpj, затем вычисляют средние значения , относительных напряжений U_oi, соответствующих одинаковым значениям τ _oi при различных разрядных токах I_pj. Полученную таким образом зависимость =f(τ _oi) аппроксимируют уравнением вида

=C_oe(1-exp(-τ _окр/Т_ое),

где С_ое - коэффициент усиления экспоненты;

τ _окр=1-τ _oi - относительное время от текущего момента до конца разряда;

Т_oe - относительная постоянная времени экспоненты.

Для аппроксимации предварительно задаются линейной зависимостью T_oe от относительного времени τ _oi: T_oei=а+b_τоi, затем вычисляют для каждой i-й точки значения C_oei по формуле

С_oei=[-·exp((τ _oi-3-τ _oi+3)/T_oei)]/[1-exp((τ _oi-3-τ _oi+3)/T_oei)]

и расчетные значения относительного времени до конца разряд

τ _pkpi=-Ln(1-/C_oei)·T_oei,

которые сравнивают с фактическими значениями времени до конца разряда τ _фкрi. Если расхождения между τ _pкрi и τ _фкрi превысят допустимые значения, то подбирают значения коэффициентов а и b в формуле T_oei=а+b_τoi таким образом, чтобы уменьшить эти расхождения. После этого ставят в зависимость полученные значения T_oei от средних относительных напряжений и аппроксимируют (например, по методу наименьших квадратов) эту зависимость уравнением вида

T_oei=a₂·²+a₁·+a_0.

Полученные значения коэффициентов a₂, a₁, а₀ запоминают.

В процессе эксплуатации свинцовых аккумуляторов такого типа при неизменном токе разряда I_pj=const производят периодическое измерение напряжений на аккумуляторе U_pai с одинаковыми интервалами времени и фиксируют соответствующие моменты времени τ _i, затем по величине тока разряда определяют U_кpj, U_нpj, τ _пpj - конечное разрядное напряжение, начальное разрядное напряжение и время полного разряда, а по данным последовательных не менее трех измерений рассчитывают:

относительные значения напряжений по формуле

U_oi=(U_pai-U_кpj)/(U_нpj-U_кpj);

постоянную времени экспоненты по формуле

T_oei=a₂·U2oi

коэффициент усиления экспоненты по формуле

C_oei=[U_oi-1-U_oi+1·ехр((τ _i-1-τ _i+1)/τ _пpj/T_oei)]/[1-exp((τ _i-1-τ _i+1)/τ _пpj/T_oei)];

расчетное значение относительного времени до конца разряд

τ _ркрi=-Ln(1-C_ei/U_oi)·T_oei;

остаточную емкость в каждый текущий момент времени

С_ост=I_pj·τ _ркрi·τ _пpj.

Таким образом, согласно предлагаемому способу, для расчета остаточной емкости СА не требуется производить интегрирование разрядного тока по времени, или вводить корректировку результатов расчета по результатам проведения лечебного цикла. Расчет выполняется по полученным при предварительных испытаниях на основе экспоненциальной зависимости обобщенным безразмерным формулам, коэффициенты которых не зависят от тока разряда и других факторов (в том числе от “старения” СА), а только от относительных напряжений на аккумуляторе. Любые изменения свойств СА, произошедшие, например, из-за “старения”, отражаются прежде всего на разрядной кривой. С помощью экспоненциальной зависимости и с учетом не только значений напряжений, но и кривизны реальной разрядной кривой в данной точке, производится ее экстраполяция, в результате которой рассчитывается время до момента достижения конечного разрядного напряжения, т.е. до полного разряда СА. Точность определения остаточной емкости может быть повышена за счет увеличения интервалов между последовательными измерениями напряжений на аккумуляторах.

Способ предназначен для определения остаточной емкости свинцового аккумулятора в любой момент его разряда по величине тока разряда, величине и скорости падения напряжения на аккумуляторе в процессе разряда. Способ основан на предварительном определении, на однотипном аккумуляторе, обобщенной безразмерной зависимости относительного напряжения на аккумуляторе от относительного времени разряда, используя которую, произведя в процессе разряда не менее трех измерений напряжения на аккумуляторе при неизменном токе, вычисляют время, оставшееся до конца разряда и остаточную емкость аккумулятора на текущий момент времени. Способ обеспечивает повышение точности.

Способ определения остаточной емкости свинцового аккумулятора по величине напряжения на его зажимах, установившегося при разряде неизменным током, заключающийся в том, что предварительно для соответствующего типа аккумулятора проводят циклы: полный заряд - разряд до конечного разрядного напряжения поочередно каждым из основных применяемых режимов разряда (1-, 2-, 5-, 10-, 20-, 50-часовой), осуществляя в процессе разрядов периодическое измерение напряжения U_pai на аккумуляторе, фиксируя при этом соответствующие моменты времени от начала разряда τ _рi заданным током, устанавливая таким образом зависимость разрядного напряжения от времени, отличающийся тем, что для каждого разрядного тока I_pj фиксируют значения U_нpj - напряжение на аккумуляторе в начале процесса разряда, U_кpj - конечное разрядное напряжение, τ _пpj - время полного разряда, и устанавливают зависимость этих величин от разрядного тока I_pj, вычисляют для каждого значения U_pai его относительное значение по формуле

U_oi=(U_pai-U_кpj)/(U_нpj-U_кpj)

и соответствующее относительное время измерения от начала разряда τ _оi=τ _рi/τ _пpj, затем вычисляют средние значения относительных напряжений U_oi, соответствующих одинаковым значениям τ _oi при различных разрядных токах I_pj, полученную таким образом зависимость =f(τ _oi) аппроксимируют уравнением вида

=С_ое(1-ехр(-τ _окр/T_oe),

где С_ое - коэффициент усиления экспоненты;

τ _окр=1-τ _oi - относительное время от текущего момента до конца разряда;

T_oe - относительная постоянная времени экспоненты,

для чего предварительно задаются линейной зависимостью T_oe от относительного времени τ _oi: T_oei=а+bτ_оi, затем вычисляют для каждой i-й точки значения

С_oei=[-·exp((τ _oi-3-τ _oi+3)/T_oei)]/[1-exp((τ _oi-3-τ _oi+3)/T_oei)]

и расчетные значения относительного времени до конца разряда

τ _pкpi=-Ln(1-/C_oei)·T_oei,

которые сравнивают с фактическими значениями времени до конца разряда τ _фкрi и подбирают значения коэффициентов а и b в формуле T_oei=а+bτ_оi таким образом, чтобы расхождения между τ _ркрi и τ _фкрi не превышали допустимых значений, после чего ставят в зависимость полученные значения T_oei от средних относительных напряжений , аппроксимируют эту зависимость уравнением вида T_oei=a₂·²+a₁·+a₀ и запоминают полученные значения коэффициентов a₂, a₁, а₀, а в процессе эксплуатации свинцовых аккумуляторов такого типа при неизменном токе разряда I_pj=const производят периодическое измерение напряжения на аккумуляторе U_pai с равными интервалами времени и фиксируют соответствующие моменты времени τ _i, затем по величине тока разряда определяют U_крj - конечное разрядное напряжение, U_нpj - начальное разрядное напряжение и τ _пpj - время полного разряда, а по данным последовательных не менее трех измерений рассчитывают относительные значения напряжений по формуле U_oi=(U_pai-U_кpj)/(U_нpj-U_кpj), после чего для каждого I-го текущего момента времени рассчитывают постоянную времени экспоненты по формуле

T_oei=a₂·U2oi

коэффициент усиления экспоненты по формуле

С_oei=[-·exp((τ _i-1-τ _i+1)/τ _пpj/T_oei)]/[1-exp((τ _i-1-τ _i+1)/τ _пpj]/T_oei)],

расчетное значение относительного времени до конца разряда

τ _ркрi=-Ln(1-U_oi/C_ei)·T_oei

и остаточную емкость по формуле С_осmi=I_pj·τ _{ркрi·τ пpj}.