СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ N ГАЛЬВАНИЧЕСКИ СВЯЗАННЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2015 года по МПК H01M10/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контроля аккумуляторных батарей, включая высоковольтные батареи, установленные на космических аппаратах, при высоких требованиях к надежности, точности и массе.

Известны способ контроля аккумуляторной батареи (АБ), состоящей из n гальванически связанных аккумуляторных элементов (АЭ), и устройство для осуществления контроля АБ, заключающийся в выделении выводов одного их АЭ с помощью мультиплексора, запоминании напряжения одного из АЭ на конденсаторе и последующем измерении разности напряжений на двух смежных выводах АЭ. Устройство для реализации данного способа содержит коммутатор на мультиплексоре тактовый генератор, счетчик, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения, схему сравнения. К недостатку способа и устройства следует отнести невозможность его использования для высоковольтных АБ, поскольку лучшие зарубежные мультиплексоры могут работать в диапазоне напряжений до 70 В, в то время, как современные АБ, в том числе используемые на космических аппаратах (КА) имеют напряжение 100.. 150 В при содержании до 70-100 аккумуляторных элементов (А.С. СССР №1443058).

Известны способ поэлементного контроля аккумуляторной батареи (АБ), состоящей из n гальванически связанных аккумуляторных элементов (АЭ), и устройство для осуществления контроля АБ, заключающийся в преобразовании напряжений АЭ в ток резистивно- диодными цепями, выделении с помощью коммутатора на двух мультиплексорах токов двух выводов АЭ с последующим измерением разности токов и преобразования их в напряжение АЭ. Устройство для реализации данного способа содержит коммутатор на двух мультиплексорах, диодные ограничители, резисторы, соединяющие все выводы АЭ с общим проводом, и блок сравнения дифференциальными усилителями. К недостаткам способа устройства следует отнести упомянутую выше невозможность их использования для контроля высоковольтных АБ из-за применения мультиплексоров, а также деградацию АБ при применении данного способа контроля, снижение срока эксплуатации и постепенное выведение АБ из строя из-за неравномерности вынужденного разряда отдельных элементов АБ резисторами, подключенными к отдельным аккумуляторам. Указанное явление особо важно для АБ, установленных на космических аппаратах при ресурсе последних 15-20 лет (А.С. СССР №1363327).

Известны также способ контроля напряжения n гальванически связанных аккумуляторов, состоящей из n гальванически связанных аккумуляторных элементов (АЭ), и устройство для осуществления контроля АБ. Способ заключается в запоминании напряжений отдельных АЭ на конденсаторах, коммутируемых резистивно-диодными цепями с последующей передачей запомненных напряжений на низковольтный коммутатор (мультиплексор), каждый вход которого защищен от перенапряжений стабилитронами и последующим измерением напряжений. Устройство для реализации способа содержит n - канальный диодно-резистивный коммутатор аналоговых сигналов, АЦП, ячейки памяти на конденсаторах, а также стабилитроны и резисторы, постоянно подключенные между выводами АЭ и общим проводом (минусу АБ) (А.С. СССР №1246184).

Указанный аналог может работать с высоковольтными АБ, но к его недостаткам, как и ранее, следует отнести неравномерный разряд аккумулятора с его последующей деградацией, а также низкую надежность устройства, очень низкую точность оценки параметров аккумулятора, присущую запоминающим устройствам на основе конденсаторов при низкой частоте переключения, обусловленной применением высоковольтных коммутаторов с гальванической развязкой, например электромеханическим или оптореле, а также значительные габариты и массу устройства.

В качестве прототипа принят способ контроля аккумуляторов, реализованный в работе устройства автоматического контроля аккумуляторной батареи (АБ), состоящей из n гальванически связанных аккумуляторных элементов (АЭ), заключающийся в подаче сигналов с управляющего устройства через дешифратор и блок гальванической развязки на адресные входы коммутатора, поочередном подключении коммутатора к выводам АЭ, поочередном измерении напряжений каждого АЭ и сравнении их с требуемыми напряжениями, реализованным в устройстве для автоматического контроля n гальванически связанных аккумуляторных элементов по АС, состоящем из коммутатора, источника опорного напряжения, схемы сравнения, распределителя, блока гальванической развязки и источника питания, при этом первые выводы ключей коммутатора предназначены для подключения к (n+1) выводам n аккумуляторных элементов, адресные входы коммутатора связаны с выходами блока гальванической развязки, входы которого через распределитель подключены к цифровым выходам схемы сравнения, общий провод устройства предназначен для подключения к минусовому выводу АБ (А.С. СССР №1432635).

К недостаткам способа-прототипа следует отнести то, что для обеспечения возможности его применения для контроля высоковольтных АБ необходимым является существенное увеличение количества дополнительных источников питания, мультиплексоров и дифференциальных усилителей (ориентировочно в 10 раз), что приводит к ухудшению показателей по надежности, точности и массогабаритным характеристикам.

Недостатком устройства-прототипа является его недостаточная надежность, обусловленная большим количеством автономных источников питания и дифференциальных усилителей, большую массу и габариты устройства, а также низкую точность устройства, вызванную зависимостью параметров измеряемой группы аккумуляторов от параметров остальных групп. В первом приближении погрешность устройства превышает погрешность измерения каждой отдельной группы в число, равное корню из количества групп (при 72 элементах АК в АБ и 8 элементах в группе ухудшение погрешности в три раза).

Задачей предлагаемого технического решения является существенное повышение надежности и точности контроля способа и устройства, реализующего способ, а также снижение его массы, а соответственно удешевление устройства.

Поставленная задача решается тем, что в способе автоматического контроля аккумуляторной батареи (АБ), состоящей из n гальванически связанных аккумуляторных элементов (АЭ), заключающемся в подаче сигналов с управляющего устройства через дешифратор и блок гальванической развязки на адресные входы коммутатора, поочередном подключении коммутатора к выводам АЭ, поочередном измерении напряжений каждого АЭ и сравнении их с требуемыми напряжениями (АЭ), после подключения коммутатора к контролируемому АЭ формируют дополнительную плавающую общую шину с гальванически развязанным источником питания, уровень напряжения которой совпадает с напряжением общего для двух контролируемых АЭ выводов, и две измерительные шины, на которые выводят вторые выводы контролируемых АЭ, преобразуют разности напряжений между измерительными шинами и плавающей шиной в напряжения контролируемых АЭ (U_АЭ), полученные напряжения (U_АЭ) смещают в положительном направлении относительно плавающей шины посредством каскада на основе инструментального усилителя и источника опорных напряжений, затем смещают напряжение на выводах контролируемых АЭ в отрицательном направлении до уровня общего провода посредством генератора тока, управляемого напряжением, выполненного на основе инструментального усилителя, источника опорных напряжений и транзистора, после чего и проводят указанный контроль АБ, измеряя напряжения АЭ, приведенные к общему проводу, при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП) управляющего устройства, при этом напряжения четных АЭ инвертируют.

Предусмотрено, что в дополнительных тактах опроса проводят измерения двух эталонных напряжений, с последующим поочередным измерением напряжений на выводах АЭ, рассчитывают коэффициенты передаточной функции измерительного тракта и рассчитывают фактические напряжения на АЭ по формуле:

U_АЭ=(K₁+K₂)×U_изм, где

U_AЭ - напряжение на выводах АЭ;

U_изм - значение измеренного на АЦП;

К₁ - уровень начального смещения сигнала;

К₂ - коэффициент пропорциональности выходного и входного сигнала, после чего сравнивают полученные данные с допустимыми значениями АЭ и делают выводы о годности АЭ и АБ в целом.

Предусмотрено также, что характеристики источника опорных напряжений стабилизируют путем установки его в термостате.

Для решения поставленной задачи устройство автоматического контроля содержит коммутатор, источник опорного напряжения, схему сравнения, распределитель, блок гальванической развязки и источник питания, первые выводы ключей коммутатора предназначены для подключения к (n+1) выводам n аккумуляторов, адресные входы коммутатора связаны с выходами блока гальванической развязки, входы которого через распределитель подключены к цифровым выходам схемы сравнения, а общий провод устройства контроля предназначен для подключения к минусовому выводу АБ, при этом схема сравнения выполняет функцию управляющего устройства и выполнена на основе микроконтроллера (МК), распределитель выполняет функцию дешифратора, а устройство автоматического контроля дополнительно содержит первую и вторую измерительные шины, «плавающую» шину дополнительного общего провода и два устройства смещения уровня сигнала, включающие каждое источник опорного напряжения, связанный с общим проводом соответствующего устройства смещения уровня сигнала, при этом обе измерительные и «плавающая» шина дополнительного общего провода подключены ко вторым выводам ключей коммутатора, первые выводы которых предназначены для поочередного подключения к выводам двух смежных АЭ, шина «плавающего» общего дополнительного провода связана с общими проводами первого и второго устройств смещения уровня сигнала и источника питания, входы устройств смещения уровня сигнала подключены к соответствующим измерительным шинам, а их выходы к аналого-цифровому преобразователю АЦП управляющего устройства и через соответствующие измерительные резисторы к общему проводу устройства контроля автоматического контроля.

Предусмотрено, что каждое устройство смещения уровня сигнала включает последовательно включенные каскады положительного и отрицательного смещения сигнала, каскад положительного смещения выполнен на основе первого инструментального усилителя (ИУ1), первый вход которого является входом устройства смещения сигнала, а ко второму входу подключен один из выходов источника опорных напряжений, выход ИУ1 подключен ко входу каскада отрицательного смещения, выполненного в виде источника тока, управляемого напряжением, на основе последовательно соединенных токозадающего резистора, второго инструментального усилителя (ИУ2) и высоковольтного транзистора, при этом второй вывод токозадающего резистора подключен к соединенным вместе отрицательному входу ИУ2 и эмиттеру (истоку) транзистора, второй вход ИУ2 подключен ко второму выходу источника опорных напряжений, выход ИУ2 подключен к базе (затвору) транзистора, коллектор (сток) которого является выходом устройства смещения уровня сигнала.

Предусмотрено, что в каждое устройство смещения уровня сигнала введены ключи калибровки, первые выводы которых соединены с соответствующей измерительной шиной, а вторые - с третьим выводом источника опорных напряжений и «плавающей» шиной дополнительного общего провода, при этом управляющие входы ключей калибровки соединены через блок гальванической развязки и дешифратор с управляющим устройством.

Предусмотрено также, что каждое устройство смещения уровня сигнала снабжено термостатом, в который установлен источник опорных напряжений.

Устройство для осуществления автоматического контроля аккумуляторной батареи, состоящей из n гальванически связанных аккумуляторных элементов, реализующее заявляемый способ, представлено на чертеже.

Устройство содержит:

1 - коммутатор;

2 - источник опорного напряжения;

3 - схема сравнения (управляющее устройство МК);

4 - распределитель (дешифратор);

5 - блок гальванической развязки;

6 - источник питания;

7 - общий провод устройства;

8 - первая измерительная шина;

9 - вторая измерительная шина;

10 - плавающий общий дополнительный провод;

11 - первое устройство смещения уровня сигнала;

12 - второе устройство смещения уровня сигнала;

13 - измерительный резистор;

14 - измерительный резистор;

15 - первый инструментальный усилитель ИУ1;

16 - токозадающий резистор;

17 - второй инструментальный усилитель ИУ2;

18 - высоковольтный транзистор;

19 - ключи калибровки;

20 - термостат.

Заявляемый способ автоматического контроля аккумуляторной батареи (АБ), состоящей из n гальванически связанных аккумуляторных элементов (АЭ), посредством заявляемого устройства автоматического контроля реализуется следующим образом.

Функционирование устройства автоматического контроля начинается с момента подачи напряжения на микроконтроллер 3 (МК3) и инициализации последнего, запуска программного обеспечения, согласно которому МК3 через дешифратор 4 и блок гальванической развязки 5 поочередно подает команды коммутатору 1 или ключам калибровки 19 команды на подключение отдельных групп ключей к измерительным шинам 8, 9 и плавающему общему проводу 10.

Контроль АБ производится циклами, каждый из которых содержит (3+n/2+1) тактов или микроопераций.

В первые два такта к измерительным шинам 8, 9 подключаются источник эталонного опорного напряжения 2, затем и плавающий общий дополнительный провод 10 устройства автоматического контроля, что позволяет МК3 непосредственно в рабочих условиях выполнить сквозную тарировку измерительного тракта и в 3-м такте рассчитать коэффициенты тарировки (К₁ и К₂), где К₁ - уровень начального смещения сигнала, а К₂ - коэффициент пропорциональности выходного и входного сигнала, по известным входным и выходным данным тракта по формулам:

К₁=U_эт*U_изм2/(U_изм2-U_изм1); К₂=U_эт/(U_изм1-U_изм2),

где U_эт - величина эталонного напряжения;

U_изм1, U_изм2 - значения первого и второго напряжений, измеренных АЦП МК3.

В последующие (n/2) такта МК3 поочередно подключает к измерительным шинам 8, 9 выводы двух смежных АЭ и рассчитывает напряжения последних как U_АЭ=(K₁+K₂)×U_изм.

В последний такт работы (n/2+4) МК3 сравнивает полученные значения АЭ с требуемыми значениями, определяет состояние АЭ и АБ в целом и выдает выводы управляющей системе верхнего уровня о работоспособности АБ и режимах ее работы (заряд, разряд, циклирование АБ, подзаряд i-го АЭ, аварийный режим).

При каждом такте работы МК3 каждое устройство смещения уровня сигнала 11, 12 сначала каскадом положительного смещения сигнала 15 смещает уровни сигнала в положительном направлении. Это необходимо для исключения насыщения высоковольтного транзистора 18 и перехода его в инверсное - нерабочее состояние при измерении напряжений АЭ, близких к минусовому выводу АБ, когда напряжение на коллектора высоковольтного транзистора 18 без указанного смещения могло бы оказаться положительнее напряжения на его эмиттере, что привело бы к выходу последнего из строя. Кроме того, на четных АЭ измеряются отрицательные уровни АЭ относительно плавающего общего дополнительного провода 10, а МК3 измеряет только положительные напряжения.

После смещения уровней сигналов в положительном направлении происходит смещение уровней напряжений каскадом отрицательного смещения сигнала элементами 16, 17, 18 в отрицательном направлении, с последующим измерением напряжений АЦП.

Следует отметить, что основную долю в общую погрешность измерений приносят погрешности измерения напряжений смещения, обусловленные изменениями температуры операционных (инструментальных) усилителей и источников опорных напряжений, а также временная нестабильность резистивных делителей за время эксплуатации (до 20 лет). При этом, динамическое изменение температуры в космическом аппарате может достигать 2-3 градусов в минуту при полупериоде вращения вокруг Земли за время порядка 45 минут и изменением температуры от (-40) до +70°.

Примененная при реализации способа сквозная тарировка тракта измерений в каждом цикле работы МК3, т.е. каждые 1-2 сек, позволяет практически полностью исключить из рассмотрения погрешности, обусловленные изменением напряжения смещения усилителей 15, 17 и резисторов 13, 14, 16 от внешних факторов, а установка источников опорных (эталонных) напряжений 2 в термостат 20 позволило исключить ошибки, обусловленные термозависимостью источников опорных напряжений из общей ошибки.

Таким образом, введение в устройство автоматического контроля для осуществления заявляемого способа гальванически развязанных от общего провода измерительных 8, 9 и плавающей общей дополнительной шины, а также двунаправленных (двухкаскадных) устройств смещения уровня сигнала позволило не только существенно упростить устройство контроля АБ, но повысить его надежность, а введение сквозной тарировки измерительного тракта и установка ИОН 2 в термостат 20 существенно снизить погрешность контроля.

Испытания макетного образца, изготовленного на предприятии ЗАО «Орбита», показали, что масса и габариты устройство по заявляемому техническому решению снижены примерно в три раза, при этом повышена точность контроля, производимого устройством.

`Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контроля аккумуляторных батарей, включая высоковольтные батареи, установленные на космических аппаратах, при высоких требованиях к надежности, точности и массе. Технический результат - повышение надежности и точности контроля. Способ заключается в подаче сигналов с микроконтроллера (МК) на адресные входы коммутатора, поочередном подключении коммутатора к двум смежным выводам АЭ с контролем их напряжений, в котором после подключения коммутатора дополнительно формируется плавающая общая шина с напряжением смежного вывода контролируемых АЭ и измерительные шины, разности напряжений АЭ на шинах последовательно смещают в положительном, затем в отрицательном направлении относительно плавающей шины с использованием генератора тока, управляемого напряжением. В процессе контроля АБ проводится сквозная тарировка измерительного тракта и его стабилизация путем установки источника опорного напряжения (ИОН) в термостат, а при контроле АБ напряжения четных АЭ инвертируют. Устройство для осуществления способа содержит коммутатор, ИОН, МК, дешифратор с блоком гальванической развязки, дополнительные общую и измерительные шины, подключенные к двум устройствам смещения уровня сигнала, на основе ИОН и управляемого напряжением источника тока с применением высоковольтного транзистора. При этом в устройство введены ключи сквозной калибровки тракта, а ИОН установлен в термостат. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ автоматического контроля аккумуляторной батареи (АБ), состоящей из n гальванически связанных аккумуляторных элементов (АЭ), заключающийся в подаче сигналов с управляющего устройства через дешифратор и блок гальванической развязки на адресные входы коммутатора, поочередном подключении коммутатора к выводам АЭ, поочередном измерении напряжений каждого АЭ и сравнении их с требуемыми напряжениями (АЭ), отличающийся тем, что после подключения коммутатора к контролируемому АЭ формируют дополнительную плавающую общую шину с гальванически развязанным источником питания, уровень напряжения которой совпадает с напряжением общего для двух контролируемых АЭ выводов, и две измерительные шины, на которые выводят вторые выводы контролируемых АЭ, преобразуют разности напряжений между измерительными шинами и плавающей шиной в напряжения контролируемых АЭ (U_АЭ), полученные напряжения (U_АЭ) смещают в положительном направлении относительно плавающей шины посредством каскада на основе инструментального усилителя и источника опорных напряжений, затем смещают напряжение на выводах контролируемых АЭ в отрицательном направлении до уровня общего провода посредством генератора тока, управляемого напряжением, выполненного на основе инструментального усилителя, источника опорных напряжений и транзистора, после чего и проводят указанный контроль АБ, измеряя напряжения АЭ, приведенные к общему проводу, при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП) управляющего устройства, при этом напряжения четных АЭ инвертируют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в дополнительных тактах опроса проводят измерения двух эталонных напряжений, с последующим поочередным измерением напряжений на выводах АЭ, рассчитывают коэффициенты передаточной функции измерительного тракта и рассчитывают фактические напряжения на АЭ по формуле:
U_АЭ=(К₁+К₂)×U_изм,
где U_АЭ - напряжение на выводах АЭ;
U_изм - значение измеренного на АЦП;
К₁ - уровень начального смещения сигнала;
К₂ - коэффициент пропорциональности выходного и входного сигнала, после чего сравнивают полученные данные с допустимыми значениями АЭ и делают выводы о годности АЭ и АБ в целом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что характеристики источника опорных напряжений стабилизируют путем установки его в термостате.

4. Устройство автоматического контроля для осуществления способа автоматического контроля аккумуляторной батареи (АБ), состоящей из n гальванически связанных аккумуляторных элементов (АЭ), содержащее коммутатор, источник опорного напряжения, схему сравнения, распределитель, блок гальванической развязки и источник питания, при этом первые выводы ключей коммутатора предназначены для подключения к (n+1) выводам n аккумуляторов, адресные входы коммутатора связаны с выходами блока гальванической развязки, входы которого через распределитель подключены к цифровым выходам схемы сравнения, а общий провод устройства контроля предназначен для подключения к минусовому выводу АБ, отличающееся тем, что схема сравнения выполняет функцию управляющего устройства и выполнена на основе микроконтроллера (МК), распределитель выполняет функцию дешифратора, а устройство автоматического контроля дополнительно содержит первую и вторую измерительные шины, «плавающую» шину дополнительного общего провода и два устройства смещения уровня сигнала, включающие каждое источник опорного напряжения, связанный с общим проводом соответствующего устройства смещения уровня сигнала, при этом обе измерительные и «плавающая» шина дополнительного общего провода подключены ко вторым выводам ключей коммутатора, первые выводы которых предназначены для поочередного подключения к выводам двух смежных АЭ, шина «плавающего» общего дополнительного провода связана с общими проводами первого и второго устройств смещения уровня сигнала и источника питания, входы устройств смещения уровня сигнала подключены к соответствующим измерительным шинам, а их выходы - к аналого-цифровому преобразователю АЦП управляющего устройства и через соответствующие измерительные резисторы к общему проводу устройства контроля автоматического контроля.

5. Устройство автоматического контроля по п.4, отличающееся тем, что каждое устройство смещения уровня сигнала включает последовательно включенные каскады положительного и отрицательного смещения сигнала, каскад положительного смещения выполнен на основе первого инструментального усилителя (ИУ1), первый вход которого является входом устройства смещения сигнала, а ко второму входу подключен один из выходов источника опорных напряжений, выход ИУ1 подключен ко входу каскада отрицательного смещения, выполненного в виде источника тока, управляемого напряжением, на основе последовательно соединенных токозадающего резистора, второго инструментального усилителя (ИУ2) и высоковольтного транзистора, при этом второй вывод токозадающего резистора подключен к соединенным вместе отрицательному входу ИУ2 и эмиттеру (истоку) транзистора, второй вход ИУ2 подключен ко второму выходу источника опорных напряжений, выход ИУ2 подключен к базе (затвору) транзистора, коллектор (сток) которого является выходом устройства смещения уровня сигнала.

6. Устройство автоматического контроля по п.4, отличающееся тем, в каждое устройство смещения уровня сигнала введены ключи калибровки, первые выводы которых соединены с соответствующей измерительной шиной, а вторые - с третьим выводом источника опорных напряжений и «плавающей» шиной дополнительного общего провода, при этом управляющие входы ключей калибровки соединены через блок гальванической развязки и дешифратор с управляющим устройством.

7. Устройство автоматического контроля по п.4, отличающееся тем, что каждое устройство смещения уровня сигнала снабжено термостатом, в который установлен источник опорных напряжений.