СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА БОРТУ ВОЗДУШНОГО СУДНА Российский патент 2020 года по МПК B64D45/00 B60R16/02 G01K7/00 

Изобретение относится к способу контроля состояния аккумуляторных батарей и обеспечения безопасности полетов. Предназначено для контроля состояния аккумуляторных батарей и предотвращения теплового разгона аккумуляторных батарей на борту воздушного судна, визуального и речевого оповещения экипажа о начале развития теплового разгона, фиксации события устройствами регистрации, выдачи информации о текущих и критических значениях тока заряда и температуры аккумуляторной батареи в устройство регистрации.

В настоящее время в качестве аварийных источников питания широко применяются никель-кадмиевые и литий-ионные аккумуляторы и аккумуляторные батареи. Основным недостатком данных аккумуляторных батарей является подверженность явлению, получившему название «Тепловой разгон». В большей степени явлению теплового разгона подвержены батареи с длительными сроками эксплуатации.

Одной из причин возникновения теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах является прорастание дендритов через сепарацию. Это приводит к резкому уменьшению омического сопротивления в месте прорастания дендрита и, следовательно, к значительному возрастанию тока в этом месте, что в свою очередь приведет к повышению температуры и к еще более сильному падению сопротивления в этом месте.

Известен способ анализа никель-кадмиевого аккумулятора на предрасположенность к тепловому разгону [Патент RU 2310953 С2, 6 Н01М 10/34, H01M 10/48, опубл. 20.11.2007], включающий контроль внутреннего омического сопротивления аккумулятора в процессе технического обслуживания. Чем более низкое внутреннее омическое сопротивление аккумулятора, тем более аккумулятор предрасположен к тепловому разгону.

Введена мера предрасположенности аккумулятора к тепловому разгону в виде: η=(ρ₀-ρ)/ρ₀⋅100%, где: η - коэффициент теплового разгона, ρ₀ - внутреннее омическое сопротивление данного аккумулятора в начале эксплуатации, ρ - внутреннее омическое сопротивление аккумулятора на момент проверки. При η>20% аккумулятор предрасположен к тепловому разгону.

Данному способу присущи следующие недостатки:

- применим только при контроле параметров аккумуляторной батареи при проведении планового технического обслуживания;

- низкая вероятность того, что аккумуляторная батарея не войдет в режим теплового разгона на борту воздушного судна в полете даже при коэффициенте теплового разгона менее 10% вследствие воздействия вибрации, перегрузки, перепадов давления, температуры и т.д;

- высокие требования к средствам измерений и к обеспечению единства измерений, необходимы специальные средства измерений.

Известен наиболее близкий к заявляемому изобретению способ предотвращения теплового разгона никель-кадмиевой аккумуляторной батареи на борту воздушного судна, основанный на контроле экипажем тока заряда аккумуляторной батареи по показаниям амперметра и, отключении аккумуляторной батареи при превышении критического значения тока заряда (см. «Руководство по летной эксплуатации Ту-154М. Раздел 8. Эксплуатация систем и оборудования», 2005 г. стр. 8.6.13, «Ил-76Т(ТД). Руководство по летной эксплуатации. Книга вторая». Раздел 6. Эксплуатация систем экипажем. Подраздел 6.11)

В руководстве по летной эксплуатации самолета Ту-154 записано: через 30-50 минут производить контроль тока заряда аккумуляторных батарей, при превышении зарядным током значения 25А определить неисправную аккумуляторную батарею и отключить ее от бортовой сети.

Недостатком данного способа является высокая вероятность несвоевременного обнаружения экипажем момента начала теплового разгона, а также, возможность выполнения неправильных действий вследствие влияния человеческого фактора.

Известен способ контроля состояния аккумуляторной батареи во время эксплуатации в режиме подзаряда на борту воздушного судна. Для контроля технического состояния никель-кадмиевой аккумуляторной батареи 20НКБН-25ТД-У3 (20НКБН-25ТД-1-У3), в ней установлен термодатчик ТД-70-3 - на межэлементных соединениях между 6 и 7 аккумуляторами. Термодатчик формирует сигнал о критическом состоянии батареи (перегрев) при повышении температуры межэлементных соединений до плюс 60…70°С путем замыкания электрической цепи. (Руководство по технической эксплуатации ИЛВЕ.563522.001 РЭ Батарея аккумуляторная 20НКБН-25-(Т)Д(1)-У3 (20НКБН-25 Д-У3, 20НКБН-25ТД-У3, 20НКБН-25ТД-1-У3). Сигнал от термодатчика поступает в систему сигнализации. В полете, при перегреве батареи летчику выдается визуальная информация, по которой летчик вручную отключает батарею от источника заряда.

Данному способу присущи следующие недостатки:

- не исключает влияния человеческого фактор в предотвращении развития теплового разгона (в условиях сложной воздушной обстановки визуальная информация может быть не замечена);

- не обеспечена автоматизация процесса отключения неисправной батареи от источника заряда и предотвращения развития опасных последствий теплового разгона;

- не исключена вероятность ложной идентификации критического состояния (перегрев) аккумуляторной батареи по повышению температуры межэлементных соединений до плюс 60-70°С по причине эксплуатации воздушного судна при высоких температурах наружного воздуха;

- не фиксируется информация бортовым устройством регистрации о значении температуры аккумуляторной батареи для проведения контроля после каждого полета и своевременного выявления предрасположенности батареи к тепловому разгону.

Известен способ автоматического предотвращения теплового разгона никель-кадмиевой аккумуляторной батареи на борту воздушного судна по температуре аккумуляторной батареи [Патент RU 2682894 C1, В64В 45/00, Н02Н 7/18, H01M 10/44, H01M 10/34, опубл. 22.03.2019] основанный на измерении значения температуры аккумуляторной батареи, сравнении его с заданным значением критической температуры, при котором возможно возникновение теплового разгона и, если выполняется условие Т_аб≥Т_{аб кр}, где Т_аб - текущее значение температуры аккумуляторной батареи Т_{аб кр} -критическое значение температуры аккумуляторной батареи, то формируют команду на отключение аккумуляторной батареи от источника заряда.

Данному способу присущи следующие недостатки:

- не исключена вероятность ложной идентификации критического состояния (перегрев) аккумуляторной батареи по повышению температуры межэлементных соединений до плюс 60-70°С по причине эксплуатации в условиях жаркого климата;

Увеличение тока заряда аккумуляторной батареи может быть вызвано не только наличием в батарее аккумулятора с внутриэлементным коротким замыканием, но и другими причинами - например, отключением мощных потребителей постоянного тока, что приводит к кратковременному скачкообразному повышению тока заряда батареи, или, повышением напряжения бортовой сети постоянного тока. Поэтому, можно предположить, что увеличение тока заряда аккумуляторной батареи, работающей в буфере с генератором постоянного тока, не является достоверным критерием, позволяющим однозначно определить аварийное состояние аккумуляторной батареи и начало развития теплового разгона.

Повышение температуры электролита аккумуляторной батареи может быть вызвано не только уменьшением внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи, но и повышением температуры окружающего воздуха (эксплуатацией аккумуляторной батареи в условиях жаркого климата). Поэтому, можно предположить, что увеличение температуры электролита аккумуляторной батареи, работающей в буфере с генератором постоянного тока, так же не является достоверным критерием, позволяющим однозначно определить начало развития теплового разгона.

Для определения критического состояния аккумуляторной батареи целесообразно использовать комплексный критерий, предполагающий одновременный контроль тока заряда и температуры аккумуляторной батареи.

Техническим результатом изобретения является повышение вероятности правильного определения критического состояния аккумуляторной батареи, непрерывный мониторинг состояния аккумуляторной батареи, своевременное автоматическое обнаружение и предотвращение теплового разгона никель-кадмиевой аккумуляторной батареи на борту воздушного судна в полете.

Технический результат достигается тем, что дополнительно измеряют ток заряда аккумуляторной батареи I_зap, производят запись текущего значения тока заряда в бортовое устройство регистрации, сравнивают его с заданным критическим значением I_{зap кр}, при достижении тока и температуры критических значений команды записываются в бортовое устройство регистрации и, если одновременно выполняется условие Т_АБ≥Т_АБ.кр и I_зap≥I_{зap кр} где Т_АБ - текущее значение температуры аккумуляторной батареи, Т_АБ⋅кр - критическое значение температуры аккумуляторной батареи, I_зap - текущее значение тока заряда аккумуляторной батареи, I_{зap кр} - критическое значение тока заряда аккумуляторной батареи, аккумуляторную батарею отключают от источника заряда, оповещают экипаж воздушного судна, выдают сигнал «Тепловой разгон» в бортовое устройство регистрации.

Сущность изобретения заключается в том, измеряют значения температуры и тока заряда аккумуляторной батареи, записывают их в бортовое устройство регистрации, сравнивают измеренные значения с заданными критическими значениями температуры и тока заряда, при достижении текущих значений тока и температуры критических значений команды записываются в бортовое устройство регистрации, при одновременном превышении температуры и тока заряда критических значений аккумуляторную батарею отключают от источника заряда, оповещают экипаж воздушного судна, выдают сигнал «Тепловой разгон» в бортовое устройство регистрации.

В соответствии с требованиями Авиационных Правил АП-25 «Нормы летной годности самолетов транспортной категории», каждая никель-кадмиевая аккумуляторная батарея, предназначенная для запуска двигателя или вспомогательной силовой установки, должна иметь средства, предотвращающие любое опасное воздействие на конструкцию или системы, которое может быть вызвано максимальным тепловыделением при коротком замыкании аккумуляторной батареи или ее отдельных аккумуляторов.

Внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи зависит от сопротивления электролита. Нагретый электролит имеет меньшее сопротивление, соответственно уменьшается внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи и увеличивается зарядный ток.

Повышенная температура электролита при эксплуатации может привести к разрушению сепарационных материалов, структурному изменению активных масс электродов, снижению уровня электролита, прогоранию сепаратора и возникновению внутриэлементного замыкания в отдельном аккумуляторе. Наличие в батарее аккумулятора с внутриэлементным коротким замыканием ведет к уменьшению внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи и как следствие к увеличению тока заряда батареи, что при эксплуатации приведет к развитию «теплового разгона».

Способ контроля аккумуляторной батареи, с использованием в качестве критерия начала развития теплового разгона тока заряда и температуры аккумуляторной батареи может быть реализован, например, с помощью современных датчиков тока и температуры с применением микроконтроллера. Структурная схема реализации способа приведена на фигуре 1, где: 1.1 - датчик тока заряда аккумуляторной батареи I_зap, 1.2 - датчик температуры аккумуляторной батареи Т_АБ, 2.1- модуль сравнения значения текущего тока заряда I_зap с заданным критическим значением I_{зap кр}, 2.2 - модуль сравнения текущего значения температуры аккумуляторной батареи Т_АБ с заданным критическим значением Т_{АБ кр}, 3 - модуль реализации логического элемента «И», 4 - модуль реализующий оповещение экипажа и отключение аккумуляторной батареи от бортовой сети, 5 - бортовое устройство регистрации.

Способ реализуется последовательностью выполнения следующих действий:

1. Измерение текущих значений тока заряда I_зap и температуры аккумуляторной батареи Т_АБ датчиками тока и температуры 1.1 и 1.2.

2. Регистрация текущих значений тока заряда I_зap и температуры Т_АБ бортовым устройством регистрации 5.

3. Сравнение значений тока заряда I_зap, и температуры Т_АБ, с заданными критическими значениями тока заряда I_{зap кр} и температуры Т_{АБ кр} модулями сравнения 2.1 и 2.2 и при выполнении условия I_зap≥I_{зap кр}, Т_АБ≥Т_{АБ кр} сигналы поступают в модуль 3 реализации логического элемента «И» и в бортовое устройство регистрации 5.

4. При одновременном выполнении условия Т_АБ≥Т_{АБ кр} и I_зap≥1_зар._кр, модуль 3 формирует команду «Тепловой разгон», которая подается в бортовое устройство регистрации 5 и модуль 4, реализующий оповещение экипажа и отключение аккумуляторной батареи от бортовой сети.

5. По команде «Тепловой разгон» выполняется:

- автоматическое отключение аккумуляторной батареи от источника заряда;

- визуальное информирование и выдача речевого сообщения летчику о тепловом разгоне аккумуляторной батареи и ее отключении от бортовой сети;

- регистрация события «Тепловой разгон» бортовым устройством регистрации параметров полета.

Предлагаемый способ контроля состояния аккумуляторной батареи на борту воздушного судна по току заряда и температуре аккумуляторной батареи является новым, поскольку из общедоступных сведений не известен способ автоматического обнаружения и предотвращения теплового разгона аккумуляторных батарей с использованием комплексного критерия по току заряда и температуре аккумуляторной батареи.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку известные технические решения не исключают вероятности ложного определения критического состояния аккумуляторной батареи, влияния человеческого фактора в процессе выявления и предотвращения развития теплового разгона, не обеспечивают автоматизацию этого процесса.

Таким образом, предложенный способ позволяет с высокой вероятностью определить начало развития теплового разгона, автоматически отключить неисправную аккумуляторную батарею от бортовой сети, оповестить экипаж, исключить человеческий фактор, подать сигнал в бортовое устройство регистрации, что позволит контролировать состояние аккумуляторной батареи по току заряда и температуре.

Изобретение относится к области электротехники и обеспечения безопасности полетов и предназначено для автоматического предотвращения теплового разгона никель-кадмиевой аккумуляторной батареи на борту воздушного судна. Для этого измеряют значения температуры и тока заряда аккумуляторной батареи, записывают их в бортовое устройство регистрации, сравнивают измеренные значения с заданными критическими значениями температуры и тока заряда, при достижении текущих значений тока и температуры критических значений команды записываются в бортовое устройство регистрации, при одновременном превышении температуры и тока заряда критических значений аккумуляторную батарею отключают от источника заряда, оповещают экипаж воздушного судна, выдают сигнал «Тепловой разгон» в бортовое устройство регистрации. Достигается мониторинг состояния аккумуляторной батареи для предотвращения развития теплового разгона и повышения безопасности полетов. 1 ил.

Способ контроля состояния аккумуляторных батарей на борту воздушного судна, основанный на измерении температуры аккумуляторной батареи Т_АБ, записи результатов измерения в бортовое устройство регистрации, сравнении измеренного значения с заданным критическим значением температуры Т_АБ.кр, при достижении которого возможно возникновение теплового разгона, отличающийся тем, что дополнительно измеряют ток заряда аккумуляторной батареи I_зар, производят запись текущего значения тока заряда в бортовое устройство регистрации, сравнивают его с заданным критическим значением I_{зар кр}, при достижении тока и температуры критических значений команды записываются в бортовое устройство регистрации и, если одновременно выполняется условие Т_АБ≥Т_АБ.кр и I_зар≥I_{зар кр}, где Т_АБ - текущее значение температуры аккумуляторной батареи, Т_АБ.кр - критическое значение температуры аккумуляторной батареи, I_зар - текущее значение тока заряда аккумуляторной батареи, I_{зар кр} - критическое значение тока заряда аккумуляторной батареи, аккумуляторную батарею отключают от источника заряда, оповещают экипаж воздушного судна, выдают сигнал «Тепловой разгон» в бортовое устройство регистрации.