СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ЕМКОСТИ СВИНЦОВОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2008 года по МПК H01M10/42 H01M10/48 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока, и может быть использовано для контроля технического состояния свинцовой аккумуляторной батареи (АБ), например батискафа.

Известен способ определения полной емкости свинцового аккумулятора (Гринберг Л.С. Определение емкости аккумуляторов по начальным точкам разрядной кривой. Сб. работ по химическим источникам тока, вып.1. М. - Л.: Энергия, 1966, с.222-226), моделирующий разрядную кривую с помощью линейной и нелинейной аппроксимации. Способ предложен для сокращения до пяти часов длительности испытания аккумулятора фиксированным током разряда. Продолжительность разряда и остаточная емкость на экспоненциальном участке кривой определяется счетно-решающим устройством с использованием параметров, определенных математической обработкой экспериментальных разрядных кривых.

Недостатком способа является ограниченная возможность использования, поскольку не учитывается изменчивость разрядного тока в процессе эксплуатации АБ. Оценка остаточной емкости производится на основе единственного фиксированного тока разряда.

Известен также способ определения остаточной емкости свинцового аккумулятора (СА) (патент RU 2120158, МПК 6 Н01М 10/42, G01R 31/36, 1997), заключающийся в том, что предварительно для соответствующего типа аккумулятора проводят циклы: полный заряд-разряд заданными режимами разряда (1-, 2-, 5-, 10-, 20-, 50-часовой) до конечного разрядного напряжения и устанавливают зависимости разрядного напряжения в каждом из этих режимов от снятой емкости с непременным определением полной емкости. Эти зависимости запоминают.

В процессе эксплуатации СА при его разряде осуществляют интегрирование тока разряда в функции времени и измерение разрядного напряжения и, используя предварительно полученные зависимости разрядного напряжения при установленном токе от разрядной емкости для заданных токов, определяют остаточную емкость СА в данном режиме разряда по величине напряжения или вычитанием снятой емкости из полной. Для токов разряда, отличных от основных, предлагается линейная интерполяция между значениями емкости, вычисленными для смежных основных токов разряда. «Старение» СА учитывается по снижению полной емкости в 20-часовом режиме разряда при проведении лечебных циклов заряд-разряд.

Основным недостатком способа является его низкая точность. Это обусловлено тем, что полная емкость СА и его разрядные характеристики (зависимость напряжения на аккумуляторе от снятой емкости при различных токах разряда) изменяются с течением времени. На практике же, в условиях эксплуатации СА разряжают чаще всего произвольно изменяющимся во времени током.

Известен также способ определения остаточной емкости свинцового аккумулятора (патент RU 2242066, МПК 7 H01M 10/42, G01R 31/36, 2003), основанный на моделировании разрядной кривой с помощью безразмерной экспоненциальной функции.

Согласно этому способу для аккумулятора соответствующего типа предварительно в основных режимах разряда определяется семейство зависимостей 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 от относительного времени, аппроксимируют ее экспоненциальной зависимостью, из которой получают обобщенные безразмерные формулы для расчета остаточной емкости, коэффициенты которых не зависят от величины тока разряда и «старения» аккумулятора.

В процессе эксплуатации величина остаточной емкости определяется при неизменном токе разряда с помощью не менее трех периодических неповторяющихся замеров напряжения с учетом кривизны реальной разрядной кривой без интегрирования тока разряда и учета результатов проведения лечебных циклов. С помощью экспоненциальной зависимости и с учетом значений напряжений и кривизны реальной разрядной кривой в данной точке можно производить ее экстраполяцию, в результате которой может быть рассчитано время до момента достижения конечного разрядного напряжения, т.е. до полного разряда. При этом относительное время до конца разряда вычисляется логарифмированием, допустимым только при положительных числах. Точность определения остаточной емкости предлагается повышать за счет увеличения длительности интервалов между замерами.

Недостатком способа является ограниченная возможность использования, обусловленная тем, что определение остаточной емкости в процессе эксплуатации по измеренному напряжению необходимо производить при неизменном токе разряда, а в реальных условиях эксплуатации АБ разряжают произвольно изменяющимся во времени током. Поэтому требуется поддержание фиксированного тока в течение длительного времени, необходимого для процесса измерений и вычислений, что противоречит реальным условиям эксплуатации АБ при переменной нагрузке, когда, как правило, короткому разряду большим током предшествует длительный разряд малым током, и требуется прогнозирование остаточной емкости до начала режима разряда большим током.

Таким образом, можно сказать, что общим недостатком рассмотренных способов является то, что для определения остаточной емкости АБ предполагается, что АБ разряжается неизменным током разряда, что противоречит реальным условиям эксплуатации АБ при переменной нагрузке и отрицательно влияет на точность определения остаточной емкости АБ.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков известных способов.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание приемлемого метода определения остаточной емкости АБ в реальных условиях ее эксплуатации при переменной нагрузке, позволяющего снизить влияния изменчивости тока разряда на результат определения остаточной емкости в процессе эксплуатации АБ.

Техническим результатом является повышение достоверности определяемой величины остаточной емкости АБ.

Технический результат достигается в предлагаемом способе определения остаточной емкости свинцовой АБ, предусматривающем определение остаточной емкости по измеряемым с необходимой периодичностью в процессе ее эксплуатации току разряда, напряжению на отстающих аккумуляторах, номеру условного полного цикла заряд-разряд и вычисленной снятой емкости с использованием специального вида эмпирических формул, параметры которых определяют по вспомогательным графикам, полученным по данным результатов предварительных испытаний однотипных аккумуляторов, подтверждающих гарантированный ресурс аккумуляторной батареи.

Способ основан на том, что остаточная емкость Со зависит от тока I разряда, от напряжения U на отстающих аккумуляторах, от снятой емкости Сс и от «старения» (степени износа) аккумуляторов во всем диапазоне изменения емкости. Снятая емкость Сс определяется интегрированием по времени текущего тока разряда. По напряжению U на отстающем аккумуляторе (имеющем наименьшее напряжение), достигшему конечного разрядного напряжения Uк, определяется окончание разряда. Мерой «старения» аккумуляторов, заключающегося в снижении полной емкости с течением времени в процессе эксплуатации, служит номер N условного полного цикла заряд-разряд (УПЦ).

По периодически измеряемым в процессе разряда АБ значениям тока разряда, напряжения на отстающем аккумуляторе, номеру УПЦ и вычисленной величине снятой емкости определяют два расчетных значения Cop₁ и Сор₂ по формулам:

где

U - текущее напряжение отстающего аккумулятора;

Uк - конечное разрядное напряжение;

N - текущий номер условного полного цикла заряд-разряд;

Сс - текущая снятая емкость;

Спср - средняя величина полной емкости;

А, В, D, Е - параметры.

При этом параметры А, В, D, Е и величины Спср и Uк определяют для текущего тока I разряда по вспомогательным графикам их зависимости от величины тока разряда, которые строят предварительно по значениям, достигнутым в результате аппроксимации зависимостей остаточной емкости Со от напряжения U и полной емкости Сп от номера N условного полного цикла заряд-разряд, полученных по данным испытаний однотипных аккумуляторов, подтверждающих гарантированный ресурс свинцовой аккумуляторной батареи.

Для визуализации процесса разряда АБ при ее эксплуатации по расчетным значениям остаточной емкости Cop₁ и Cop₂ строят два графика зависимости указанных величин от снятой емкости Сс. Использование этих двух зависимостей позволяет визуально контролировать процесс изменения остаточной емкости, при этом сходство графиков подтверждает достоверность полученных величин остаточной емкости.

Для частичной коррекции неточностей выполненных вычислений остаточную емкость определяют как среднее арифметическое значение двух расчетных величин Cop₁ и Cop₂.

Параметры А, В, D, Е определяют предварительно для каждого заданного тока Iр разряда путем подбора с помощью минимизации средних квадратичных отклонений значений остаточной емкости Со и полной емкости Сп, полученных по данным испытаний, от соответствующих расчетных значений остаточной и полной емкости Cop₁ и Спр, при этом Спр вычисляют по формуле Спр=Спср+(D-N)·Е.

Результаты определения параметров А, В, D, Е для заданных токов Iр разряда могут быть представлены точками на графиках зависимости от величины тока. Значения параметров при промежуточных значениях тока могут быть получены с помощью линейной интерполяции.

Для учета неравномерности длительностей выбранных для испытаний режимов разряда вспомогательные графики параметров А, В, D, Е, а также величин Спср и Uк строят как зависимости от логарифма тока разряда.

В процессе эксплуатации в любой момент длительного режима разряда АБ может потребоваться прогнозирование значения остаточной емкости в коротком режиме разряда. Использовать формулы (1) и (2) не представляется возможным, т.к. искомое напряжение аккумулятора может быть измерено только после начала короткого режима разряда, а величина снятой емкости может превышать величину полной емкости для ожидаемого тока разряда. В этом случае можно прогнозировать значение остаточной емкости Сорп для ожидаемой величины разрядного тока короткого режима по формуле:

где D_к, E_к, Спср_к - параметры, которые определяются для ожидаемого тока разряда короткого режима по вспомогательным графикам их зависимости от логарифма тока разряда;

Спср_д - определяется для текущего значения тока длительного режима по вспомогательному графику;

Сс - текущая снятая емкость.

Осуществление изобретения поясняется на примере, представленном графическими материалами.

На фиг.1 приведены зависимости остаточной емкости Со от приведенного к началу координат напряжения U для различных токов разряда Iр. На фиг.2 приведены зависимости полной емкости Сп от номера УПЦ N для различных токов разряда Iр. На фиг.3-8 приведены зависимости параметров А, В, D, Е и Спср, Uк от логарифма тока разряда Iр. На фиг.9 приведены зависимости расчетной остаточной емкости Cop₁ и Сор₂ от снятой Сс. На фиг.10 приведены зависимости расчетной остаточной емкости Cop₁ и Сор₂ при разряде малым током и продолженные расчетной зависимостью Сорп для прогнозируемого разряда большим током.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно для используемого типа аккумуляторов по данным ресурсных испытаний строят вспомогательные графики параметров А, В, D, Е и Спср, Uк от логарифма тока разряда.

Процедура построения вспомогательных графиков заключается в следующем.

Выполняются испытания для подтверждения гарантированного ресурса АБ в циклах заряд-разряд с чередованием величины заданного тока Iр разряда. Перед разрядом по результатам предшествующего заряда фиксируется номер УПЦ N. По моменту достижения конечного напряжения Uк определяется полное время Тп разряда. При расчете параметров обрабатывается весь объем данных, полученных при испытаниях для каждой заданной величины тока разряда. Для периодических замеров напряжения U обратным счетом определяется время, оставшееся до конца разряда То (остаточное время). Периодическим замерам напряжения и остаточного времени присваивается очередной номер i, полному времени и соответствующему номеру УПЦ - очередной номер j. Вычисляются величины остаточной емкости Coi и полной емкости Cnj по формулам:

В результате произведенных измерений и вычислений по формулам (4) и (5) для заданных режимов разряда фиксированными токами получают семейство исходных зависимостей остаточной емкости Со от напряжения U (фиг.1) и зависимостей полной емкости Сп от номера УПЦ N (фиг.2), которые соответствуют виду эмпирических формул: степенной для расчета остаточной емкости Сор (6) и линейной для расчета полной емкости Спр (7)

Значения параметров А, В, D и Е подбирают таким образом, чтобы аппроксимирующие зависимости, выраженные формулами (6) и (7), были максимально приближены к зависимостям, полученным в результате испытаний. Подбор производят методом минимальных квадратов с использованием более содержательного понятия - наименьшего среднего квадратичного отклоненения значений остаточной и полной емкости Coi и Cnj от расчетных значений остаточной и полной емкости Copi и Cпрj соответственно σ_min1 (для А и В) и σ_min2 (для D и Е) по формулам:

а значение Спср рассчитывается по формуле:

где n1 - общее число отклонений значений остаточной емкости при каждом токе Iр,

n2 - общее число отклонений значений полной емкости при каждом токе Iр.

По результатам определения параметров А, В, D, Е, Спср и заданным (паспортным) значениям Uк строят вспомогательные зависимости указанных параметров от логарифма величины тока разряда (фиг.3-8). Эти зависимости используют в процессе эксплуатации для получения значений параметров для произвольных значений тока I.

В процессе эксплуатации АБ периодически измеряют текущую величину тока I разряда и напряжение на элементах АБ, при этом для дальнейших расчетов выбирают наименьшее напряжение U (на отстающем элементе).

Затем для измеренного значения тока I разряда по вспомогательным графикам (фиг.3-8) определяют параметры А, В, D, Е и Спср и Uк и интегрированием тока по времени определяют величину снятой емкости Сс. По формуле (1) вычисляют первое значение остаточной емкости Cop₁, а по формуле (2) с использованием номера УПЦ N, получаемого на основе интегрирования всех предшествующих токов заряда, вычисляют второе значение остаточной емкости Сор₂.

По расчетным значениям Cop₁ и Сор₂ строят два графика их зависимости от снятой емкости Сс. (фиг.9). Сходство графиков подтверждает достоверность полученных величин остаточной емкости. Результирующую величину остаточной емкости определяют как среднее арифметическое расчетных значений Cop₁ и Сор₂.

В случае изменения режима эксплуатации АБ (перед переходом из длительного режима разряда малым током в короткий режим разряда большим током) возможно осуществление прогнозирования значения остаточной емкости для ожидаемой величины разрядного тока короткого режима по формуле (3) путем подстановки в нее необходимых значений параметров, определенных по вспомогательным графикам (фиг.3-8) для значений ожидаемого тока разряда короткого режима и текущего тока разряда длительного режима. По расчетному значению Сорп может быть построен прогнозируемый график короткого режима разряда (фиг.10).

Таким образом, предложенные выражения для расчета остаточной емкости позволяют учесть изменения тока в реальных условия разряда АБ в процессе ее эксплуатации за счет использования параметров, зависящих от тока разряда, и тем самым повысить достоверность определяемой величины остаточной емкости АБ. Определение двух значений остаточной емкости по двум независимым выражениям подтверждает достоверность полученных величин остаточной емкости. Построение графиков зависимостей остаточной емкости, полученной двумя различными путями, от снятой емкости позволяет визуально контролировать процесс изменения остаточной емкости в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, способ предусматривает возможность прогнозирования величины остаточной емкости АБ в любой момент длительного режима разряда малым током до перехода в режим разряда большим током.

Пример подбора параметров А и В

I=400 А, Сп=20,7кА·ч, Uк=1,8 B, n₁=12, А=124, В=1,61, Σ=1,3712 - наименьшая сумма квадратов отклонений,

- наименьшее среднее квадратичное отклонение.

Пример подбора параметров D и Е

I=400 А, Спср=18,628, n₂=13, D=69, Е=0,036,

Σ=9,042 - наименьшая сумма квадратов отклонений,

- наименьшее среднее квадратичное отклонение.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к контролю технического состояния свинцовой аккумуляторной батареи (АБ). Согласно изобретению по периодически измеряемым в процессе разряда АБ значениям тока разряда, напряжения на отстающих аккумуляторах, номеру условного полного цикла заряд-разряд и вычисленной величине снятой емкости определяют два расчетных значения остаточной емкости с использованием зависимостей остаточной емкости от разрядного напряжения и полной емкости от износа аккумуляторов, мерой которого является номер условного полного цикла заряд-разряд. Параметры зависимостей определяют по вспомогательным графикам, которые строят предварительно по значениям, достигнутым в результате аппроксимации зависимостей, получаемых по данным испытаний однотипных аккумуляторов. Для визуализации процесса разряда при эксплуатации АБ строят два графика зависимости расчетных значений остаточной емкости от снятой емкости, которые позволяют визуально контролировать процесс изменения остаточной емкости и подтверждают достоверность полученных величин остаточной емкости. Результирующую величину остаточной емкости определяют как среднее арифметическое двух расчетных значений остаточной емкости. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения остаточной емкости. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ определения остаточной емкости свинцовой аккумуляторной батареи, характеризующийся тем, что измеряют ток разряда, напряжение на отстающих аккумуляторах, фиксируют номер условного полного цикла заряд-разряд аккумуляторной батареи, вычисляют снятую емкость разряда путем интегрирования предшествующего тока разряда и определяют два расчетных значения остаточной емкости Cop₁ и Сор₂, которые вычисляются по формулам

Cop₁=A·(U-Uк)^B,

Cop₂=Cпср+(D-N)·E-Cc,

где U - текущее напряжение отстающего аккумулятора;

Uк - конечное разрядное напряжение;

N - текущий номер текущего условного полного цикла заряд-разряд;

Сс - текущая снятая емкость;

Спср - средняя величина полной емкости;

А, В, D, Е - параметры;

причем параметры А, В, D, Е и величины Спср и Uк для текущего тока разряда определяют по вспомогательным графикам их зависимости от величины тока разряда, которые строят предварительно по значениям, достигнутым в результате аппроксимации зависимостей остаточной емкости Со от напряжения U и полной емкости Сп от номера N условного полного цикла заряд-разряд, полученных по данным испытаний однотипных аккумуляторов, подтверждающих гарантированный ресурс свинцовой аккумуляторной батареи, при этом параметры А, В, D, Е определяют для каждого заданного тока разряда путем подбора с помощью минимизации средних квадратичных отклонений значений остаточной емкости Со и полной емкости Сп, от соответствующих расчетных значений остаточной и полной емкости Cop₁ и Спр, а Спр вычисляют по формуле Cпр=Cпср+(D-N)·E, затем определяют остаточную емкость Сорср - среднее арифметическое двух расчетных значений остаточной емкости Cop₁ и Сор₂.

Cорп=Спср_к+(D_к-N)·E_к-Сс·Спср_к/Спср_д,

где D_к, Е_к, Спср_д - параметры, значения которых определяют для ожидаемого тока разряда короткого режима, а Спср_д - для текущего длительного режима разряда, по вспомогательным графикам зависимостей данных параметров от логарифма тока разряда.