УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2024 года по МПК G01R31/36 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к измерению параметров аккумуляторов и контролю их состояния и может быть использовано для оценки состояния аккумуляторов как находящихся в эксплуатации, так и на хранении.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство диагностики состояния аккумулятора, содержащее датчик тока, датчик напряжения, датчик температуры, последовательно соединенные блок вычисления переменных состояния, блок адаптивной идентификации, блок оценки напряжения разомкнутой цепи и блок оценки степени заряда, выход которого является выходом устройства, при этом выходы датчика тока и датчика напряжения соединены с первым и вторым входом блока вычисления переменных состояния а выход датчика температуры - с третьим входом блока адаптивной идентификации и третьим входом блока оценки напряжения разомкнутой цепи, при этом первый вход блока адаптивной идентификации объединен с вторым входом блока оценки напряжения разомкнутой цепи, а его второй вход связан с выходом датчика измерения напряжения [см., патент C1, МПК G01R 31/36(2006.01), опубл. 27.07.2014 г.].

Недостатком устройства являются узкие функциональные возможности. В этом устройстве отсутствует оценка состояния аккумулятора(SOH), также допускается подключение единственного аккумулятора для оценки его степени заряда. Включение этих опций в устройство является техническим результатом изобретения, обеспечивающего расширение его функциональных возможностей.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, согласно изобретению датчик тока, датчик напряжения, датчик температуры устанавливаются на аккумуляторе и соединены линией связи с блоком вычисления переменных состояния, дополнительно введен блок оценки состояния аккумулятора, выход которого является вторым выходом устройства. Первый выход канала связи, передающий данные об измеренном токе, соединяется с первым входом блока вычисления переменных состояния, второй выход канала связи, передающий данные об измеренном напряжении, со вторым входом блока вычисления переменных состояния и вторым входом блока адаптивной идентификации, третий выход канала связи, передающий данные о температуре аккумулятора связан с третьими входами блоков вычисления переменных состояния, адаптивной идентификации и оценки напряжений разомкнутой цепи, выход блока оценки степени заряда соединен с входом блока оценки состояния аккумулятора, а блоки адаптивной идентификации, оценки напряжения разомкнутой цепи и блок оценки степени заряда аккумулятора включены последовательно и имеют те же связи что и прототип. Сущность изобретения заключается в том, что датчики тока, напряжения и температуры смонтированы и установлены на аккумуляторе в виде единого блока, соединенного линией связи с блоком вычисления переменных состояния, дополнительно введен блок оценки состояния аккумулятора, выход которого является вторым, дополнительно введенным, выходом устройства.

Использование канала связи между датчиками тока, напряжения и температуры с одной стороны и блоками оценки переменных состояния, адаптивной идентификации, оценки напряжения разомкнутой цепи с другой позволяет с использованием современных технологий связи подключать несколько аккумуляторов к устройству с возможностью передачи данных измерений с целью оценки состояния аккумуляторов и степени их заряда. Данное решение промышленно применимо и для его реализации могут быть использованы типовые и технологически отработанные элементы и устройства. В качестве примера в качестве такого канала связи может быть использована беспроводная персональная сеть Bluetooth. Возможности данной сети позволяют осуществлять передачу данных с высокой скоростью и идентифицировать источник передачи информации, а также запрашивать данные с требуемого устройства. Для подключения аккумулятора к устройству требуется только блок датчиков тока, напряжения и температуры приемо-передатчик Bluetooth который может быть реализован на базе специализированного микроконтроллера ВС417143 В (см BlueCore™4-External Product Data Sheet BC417143B-DS-001Pg Cambridge Silicon Radio Limited 2005) или типовых модулей на его основе.

Оценка состояния аккумулятора реализуется в отдельном блоке, который подключается к выходу блока оценки степени заряда аккумулятора, на основе сравнения зависимости степени заряда аккумулятора(SOC) от времени и эталонной кривой. Данный блок рассчитывает показатель, характеризующий оценку состояния аккумулятора(SOH) в процентах. При этом совпадение с эталонной кривой дает 100% оценку состояния. В случае, если кривая отличается от эталонной, оценка состояния аккумулятора может уменьшаться до 0%. Данный блок позволяет выявлять ситуации, связанные с деградацией материалов аккумулятора, приводящие к уменьшению его емкости или к потере способности накапливать электрический заряд. Эталонная кривая зависимости степени заряда аккумулятора от времени может быть получена при заряде-разряде эталонного аккумулятора, полученная для той же электрической цепи и тех же условий эксплуатации, что и исследуемый аккумулятор. Например, такие зависимости могут быть получены для аппаратуры зарядно-разрядных станций или иных конкретных устройств и систем в составе которых функционирует аккумулятор (например, системы охранно-пожарных сигнализаций и видеонаблюдения). Следует отметить, что сравнение с эталонной кривой осуществляется с момента времени, когда завершилась работа блока адаптивной идентификации и получена оценка степени заряда аккумулятора. В те моменты времени, когда ошибка идентификации превышает заданный порог, сравнение кривых не производится.

Данное решение промышленно применимо и для его реализации могут быть использованы типовые элементы обработки информации (микропроцессоры), используемые в средствах автоматизации с соответствующим программным обеспечением.

Структурная схема устройства приведена на чертеже, где обозначено:

1.1 - Датчик тока;

1.2 - Датчик напряжения;

1.3 - Датчик температуры;

2 - Линия связи между блоком измерений и основной частью устройства;

3 - Блок вычисления переменных состояния;

4 - Блок адаптивной идентификации;

5 - Блок оценки напряжения разомкнутой цепи;

6 - Блок оценки степени заряда аккумулятора;

7 - Блок оценки состояния аккумулятора.

Датчики тока, напряжения и температуры аккумулятора предназначены для измерения соответствующих физических величин и подключаются к исследуемому аккумулятору без его отключения от электрической цепи в которой он функционирует. В частом случае данные датчики могут входить в состав аппаратуры зарядно-разрядной станции. Канал связи предназначен для передачи по запросу результатов измерений с конкретного аккумулятора с целью дальнейшей обработки и оценки его степени заряда и состояния. Блок вычисления переменных состояния предназначен для преобразования измеренных значений тока, напряжения и температуры в переменные состояния, используемые для подстройки параметров математической модели аккумулятора по результатам наблюдения. К этим параметрам относятся скорость изменения тока, скорость изменения напряжения, интеграл от измеренного тока. Блок адаптивной идентификации предназначен для подстройки параметров математической модели аккумулятора на основе минимизации ошибки отклонения измеренных переменных состояния от полученных с использованием математической модели, блок оценки напряжения разомкнутой цепи предназначен для оценки напряжения холостого хода аккумулятора по математической модели параметры которой идентифицированы в блоке 4, блок оценки степени заряда аккумулятора производит оценку (SOC) и передает результаты на первый выход устройства и в блок оценки состояния аккумулятора(SOH),который выдает результат оценки на второй вывод устройства. Оценка степени заряда аккумулятора проводится на основе зависимости SOC от напряжения холостого хода, хранящейся в памяти блока оценки степени заряда аккумулятора, оценка состояния аккумулятора осуществляется на основе сравнения зависимости SOC от времени с эталонной кривой, хранящейся в памяти блока оценки состояния аккумулятора.

Устройство работает аналогично прототипу с отличиями, которые заключаются в том, что датчики измерения тока, напряжения и температуры передают результаты измерений для дальнейшей обработки по каналу связи, а также тем, что результаты оценки степени заряда аккумулятора SOC, как функции времени, используются для оценки состояния аккумулятора в добавленном отдельном блоке устройства. Для вычисления SOH используются операции объединения и пересечения сигналов (см статью В.И. Гордиенко, Дубровский С.Е., Рюмшин Р.И., Фенев Д.В. Универсальный многофункциональный структурный элемент систем обработки информации. // ISSN 0021 3470 Радиоэлектроника. Известия высших учебных заведений. N3, 1998). Формально данные операции определяются соотношениями:

Из (1) вытекает, что для случая сигналов, имеющих положительный знак, эти соотношения могут быть преобразованы к виду:

В соотношениях (1) и (2) SOC_Э(t) - эталонная кривая заряда-разряда аккумулятора как функции времени, хранящаяся в памяти блока 7, SOC(t) - кривая, полученная с выхода блока 6. Результат пересечения представляет собой нижнюю огибающую зависимостей SOC(t) и SOC_Э(t) результат объединения представляет собой верхнюю огибающую пары этих зависимостей. Таким образом, площадь между кривой пересечения и объединением двух сигналов характеризует близость наблюдаемой кривой SOC(t) и эталонной SOC_Э(t). При совпадении наблюдаемой зависимости и эталонной эта площадь будет равна нулю. Будем оценивать состояние аккумулятора SOH в соответствии с соотношением:

В (3) τ - соответствует моменту времени завершения адаптации модели, t^* - текущий момент времени. Момент τ определяется в блоке 7 при появлении ненулевого значения сигнала на выходе блока 6.

Если в результате эксплуатации аккумулятора имеет место изменение скорости заряда батареи, которая связана с изменением его емкости, то это будет отражено в показателе (3).

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению параметров аккумуляторов и контролю их состояния, и может быть использовано для оценки состояния аккумуляторов как находящихся в эксплуатации, так и на хранении. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства. Результат достигается тем, что датчики тока, напряжения и температуры установлены на аккумуляторе и соединены линией связи с блоком вычисления переменных состояния, дополнительно введен блок оценки состояния аккумулятора, выход которого является вторым выходом устройства, выход блока оценки степени заряда соединен с входом блока оценки состояния аккумулятора, при этом выход блока оценки состояния заряда является первым выходом устройства. 1 ил.

Устройство диагностики состояния аккумулятора, содержащее датчик тока, датчик напряжения, датчик температуры и узел анализа сигналов в составе последовательно соединенных блока вычисления переменных состояния, блока адаптивной идентификации, блока оценки напряжения разомкнутой цепи и блока оценки степени заряда, выход которого является первым выходом устройства, при этом вторые входы блока вычисления переменных состояния и адаптивной идентификации объединены, первый вход блока адаптивной идентификации и второй вход блока оценки напряжения разомкнутой цепи объединены, а также объединены третий вход блока вычисления переменных состояния, третий вход блока адаптивной идентификации и третий вход блока оценки напряжения разомкнутой цепи, отличающееся тем, что датчики тока, напряжения и температуры установлены на аккумуляторе и соединены линией связи с блоком вычисления переменных состояния, дополнительно введен блок оценки состояния аккумулятора, выход которого является вторым выходом устройства, при этом выход блока оценки степени заряда соединен последовательно с входом блока оценки состояния аккумулятора.