СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДОВОЙ ЕМКОСТИ СВИНЦОВОЙ СТАРТЕРНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2024 года по МПК G01R31/36 

Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение времени готовности военной автомобильной техники, а также других видов вооружения и военной техники. Рассматриваемая измерительно-технологическая операция применяется только для контроля и обеспечения готовности военной техники.

Готовность всех военных транспортных средств, в число которых входят также различные виды вооружения, зависят, прежде всего, от готовности аккумуляторных батарей, необходимых для пуска двигателя внутреннего сгорания и требующих особых условий техобслуживания по обеспечению полной заряженности аккумуляторной батареи до уровня номинальной емкости. При отказе аккумуляторной батареи любой вид колесной или гусеничной техники с электростартерным пуском, от работоспособности которой, как правило, зависят масштабные задачи, становится массой неподвижного металла. Поэтому перед полевым выходом осуществляется проверка готовности - полноты заряженности аккумуляторных батарей. Такая проверка длительная и занимает более 20 часов, что не согласуется с темпами решения оперативных задач.

Принципиальной особенностью стартерных аккумуляторных батарей является отсутствие способов достоверного экспрессного определения степени их заряженности и соответствия зарядовой емкости батареи номинальному (рабочему, паспортному) значению. Существующий способ определения готовности аккумуляторной батареи (зарядовой емкости) не согласуется с временными критериями тактического использования колесной и гусеничной техники в современных полевых условиях.

Аналогом предлагаемого изобретения является известный единственный способ достоверного определения номинальной зарядовой емкости С_ном [Ампер⋅час] аккумуляторной батареи методом контрольно-тренировочного цикла (ктц), заключающимся в заряжении батареи до 100% в режиме постоянного тока величиной I_зар=0.1 С₁₀, где С₁₀ зарядовая емкость аккумуляторной батареи в режиме разряда-заряда в течение 10 часов, затем в разряжении батареи таким же током, в определении по фактическому времени разряда t_{paзp.фaкт} (час) зарядовой емкости С_факт и затем в заряжении до полной готовности уже к последующему использованию, если С_факт ≥ С_ном. Наиболее распространенной батареей в военной автомобильной технике является 6СТ-190 с номинальной емкостью С₁₀=190 А⋅час. Ток заряда-разряда батареи равен I_зар=0.1⋅190=19 А. Зарядовая емкость фактическая С_факт по времени разряда определяется по пропорции С_факт/С_ном=t_{paзp.фaкт}/10, степень заряженности равна (С_факт/С_ном) 100%=(t_{paзp.фaкт}/10) 100%.

Если время разряда занимает 10 часов или более, то батарея имеет номинальную зарядовую емкость и заряжается полностью. Если разряд батареи в режиме контрольно-тренировочного цикла происходит, например, 5 часов, то зарядовая емкость составляет 50%. Такой контрольно-тренировочный цикл (ктц) «заряд-разряд-заряд» проверки годности аккумуляторной батареи занимает 20-30 часов и не удовлетворяет современным требованиям готовности военной техники.

Независимо от уровня исходной заряженности аккумуляторные батареи окончание процесса заряжения в режиме постоянного тока характеризуется тремя показателями: 1) плотность электролита ρ=1.26 г/см³; 2) напряжение на одном аккумуляторе U₁=2.7 В, на батарее U_бат=16.2 В; 3) бурное газовыделение (кипение) в течение 1 часа.

Контрольный разряд полностью заряженной батареи осуществляется также постоянным током I_разр=0.1 С₁₀, поддерживаемым с помощью реостата.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения зарядовой емкости стартерной аккумуляторной батареи автомобиля, заключающийся в соединении к клеммам батареи нагрузочного шунта, в отборе тока от клемм аккумуляторной батареи, регистрации величины напряжения на клеммах в зависимости от времени и в оценке уровня заряженности батареи [Руководство по свинцовым аккумуляторным батареям. Утверждено заместителем начальника Главного бронетанкового управления и заместителем начальника Центрального автотракторного управления. - М: Воениздат, 1983. - 183 с.].

Критерием определения готовности аккумуляторной батареи при таком способе является спад напряжения на клеммах аккумуляторной батареи в результате токоотбора в течение 30 сек с 12 В не ниже 10.5 В (или 1.75 В на одном аккумуляторе). Известный способ позволяет сделать заключение, что одна проба пуска могла бы быть обеспечена, но не дает информации о последующем ресурсе и состоянии аккумуляторной батареи.

Недостатком известного способа (прототипа) является неопределенность возможности повторного такого же токоотбора, а также отсутствие сведений о величине фактической емкости батареи и соответствии ее номинальному значению.

Недостатком контрольно-тренировочного цикла (аналога) является большая длительность процесса (более 20 часов).

Техническое решение направлено на повышение экспрессности (в сравнении с аналогом) и повышение информативности достоверности результатов (в сравнении с прототипом) контрольной проверки зарядовой емкости свинцовой стартерной аккумуляторной батареи.

Технический результат достигается тем, что в способе определения зарядовой емкости стартерной аккумуляторной батареи, заключающемся в соединении к клеммам батареи нагрузочного шунта, эквивалентного по величине электрическому сопротивлению якоря электродвигателя стартера автомобиля, в отборе тока от клемм аккумуляторной батареи, регистрации величин тока и напряжения в зависимости от времени и в определении уровня заряженности батареи, отличающийся тем, что токоотбор осуществляется в режиме подачи тока на якорь электродвигателя стартера при начальной величине тока, равной величине тока полного торможения электродвигателя и уменьшаемого к концу токоотбора на величину до 30-40%, при этом регистрируют величину быстрого начального участка спада напряжения на клеммах батареи в зависимости от времени и последующего спада с меньшей крутизной по времени и по соотношению этих величин судят об уровне заряженности аккумуляторной батареи и ее готовности.

Сущность предлагаемого изобретения основана на экспериментально установленной зависимости величины номинальной зарядовой емкости от величины тока разряда: чем больше ток разряда, тем меньше зарядовая емкость. Рабочие режимы работы электродвигателя стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания на примере автомобиля КамАЗ с двумя аккумуляторными батареями 6СТ-190 осуществляются при токоотборе 800-600-500 Ампер. Ток полного торможения якоря электродвигателя равен I_пт=800 А. С набором оборотов двигателя внутреннего сгорания до пусковой частоты 400-500 об/мин появляется и растет индуктивное сопротивление якоря, вследствие чего ток уменьшается до 600-500 Ампер (на 30-40%). Поэтому контрольную проверку зарядовой емкости можно провести при большом токе, изменяющемся по такой же закономерности, как ток стартера, за короткое время с малой потерей заряда.

Затраченное количество заряда при проверке восполняется таким же количеством заряда любой величиной тока заряда. Однако вследствие несимметричности процессов «разряд-заряд» величина тока заряда больше рекомендованной величины по контрольно-тренировочному циклу (ктц), равной 0.1 С₁₀ нежелателен, так как приведет к обильному газовыделению в порах активной массы и к ее разрушению, но может быть использован при экспрессных режимах обеспечения готовности.

Суть предлагаемого изобретения поясняется рисунком, на котором приведены формы зависимости напряжения на клеммах аккумуляторной батареи от времени при отборе тока в режиме контрольно-тренировочного цикла (ктц) для заряженной батареи до 100% (кривая 1), для заряженной батареи менее 100% (кривая 2) и в режиме, аналогичном режиму отбора тока на электродвигатель стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания (кривая 3).

Численные значения на рисунке приведены для выполнения ктц на примере аккумуляторной батареи 6СТ-190. Изменения напряжения от времени токоотбора приведены на левой ординате для одного аккумулятора, на правой ординате на клеммах одной батареи. На грузовых автомобилях используются, как правило, две последовательно соединенные батареи.

Ось абсцисс на рисунке градуирована в часах для кривых 1 и 2. Для зависимости напряжений при отборе тока на стартер (800-600 А) (кривая 3) ось времени градуирована в секундах (ниже). Время контрольно-тренировочного цикла по прототипу t_полн=10 час; время питания электродвигателя стартера t_cтарер - десятки секунд.

Рассмотрим реализацию предлагаемого изобретения на примере аккумуляторной батареи 6СТ-190 как наиболее распространенной в большегрузных автомобилях и другой военной автомобильной технике. При постоянном значении тока разряда в режиме контрольно-тренировочного цикла I_разр=0.1 С₁₀ номинальная зарядовая емкость равна С₁₀=190 Ампер⋅часов получается отбором тока 19 А в течение 10 час (рисунок, кривая 1) и создается пропусканием тока такой же величины.

При частично разряженной батарее кривя контрольно-тренировочного цикла заканчивается при фактическом времени окончания разряда t_факт раньше полного времени по линейной зависимости времени от фактической заряженности. С_факт=С_ном (t_факт/10) (рисунок, кривая 2).

При пуске двигателя внутреннего сгорания автомобиля КамАЗ ток полного торможения стартера равен I_пт=800 Ампер. Полный заряд батареи (для такого режима) исчерпывается за три приема токоотбора по 30 сек с перерывами по 1 мин. В таком режиме токоотбора 800 А в течение 1.5/60 часа зарядовая емкость составит С=I⋅t=800⋅1.5 /60=20 А⋅час. Полный разряд заряженной батареи в режиме токоотбора на электродвигатель стартера является рабочим режимом, критически не разрушительным и может быть использован для определения зарядовой емкости и степени заряженности аккумуляторной батареи. Полное время разряда заряженной батареи при отборе тока на электродвигатель стартера составляет t_старт=1.5 мин. Временная зависимость напряжения на клеммах аккумуляторной батареи имеет характер кривой (рисунок, кривая 3), подобной разряду при проведении ктц (рисунок, кривая 1). При полной заряженности и номинальной емкости аккумуляторной батареи время разряда составит t_ном=1.5 мин, при половинной заряженности t_ном/ 2=0.75 мин. Фактическое время полного разряда определяется временем начального участка E-D и среднего пологого участка D-F (кривая 3) до начала второго крутого спада напряжения (точка F). При проведении разряда батареи в режиме ктц (по аналогу) исчерпание зарядовой емкости характеризуется окончанием пологого участка D-F (кривая 1, точка F).

Дополнительным признаком годности и заряженности батареи является величина начального быстрого спада U(t) на клеммах батареи не более 0.1 В на аккумулятор или 0.6 В на батарею в режиме контрольно-тренировочного цикла (кривая 1). Начальный спад напряжения (E-D) батареи более 1 В указывает на уменьшение эдс батареи, то есть на изменение химического состояния поверхностей электродов, что приводит к потере номинальной емкости батареи.

При токоотборе на электродвигатель стартера величина тока изменяется со временем, начальное значение тока составляет ток полного торможения электродвигателя стартера I_пт=800 А, а конечное значение тока уменьшается на 30-40% вследствие появления и нарастания индуктивного сопротивления из-за вращения якоря электродвигателя. Такое уменьшение токоотбора существенно уменьшает скорость спада напряжения на клеммах (участок D-F, кривая 3) и контрастирует (выделяет) участок E-D начального спада напряжения и точки D, характеризующих падение напряжения на электролите.

В предлагаемом изобретении фактически осуществляется масштабирование режима ктц по току и времени с учетом сильноточного предельного рабочего режима электродвигателя стартера.

Полный разряд батареи за короткое время (в пределах 1-2 мин) в сильноточном режиме является кажущимся. В действительности батарея разряжается на расчетных 20 Ампер-часов, составляющих от общего объема чуть больше 10% от полной емкости (190 А⋅час). Дальнейший отбор большого тока становится невозможным не из-за отсутствия заряда в аккумуляторе, а из-за его конструкционных особенностей и электрогидродинамических процессов в растворе электролита. Восстановление такой потери в полевых условиях возможно в процессе движения транспортного средства от бортовой сети (от генератора) в режиме заряда постоянным напряжением по аналогии как после пуска двигателя.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано для свинцовых стартерных батарей любого типа. При этом контрольный режим разряда строится на режиме пуска автомобиля, в котором используется аккумуляторная батарея, а снижение величины отбираемого тока в течение одного токотбора остается равным или близким 30-40%.

Для определения степени заряженности аккумуляторной батареи необходимо провести действия, перечисленные в отличительной части формулы предлагаемого изобретения. Для определения соответствия зарядовой емкости аккумуляторной батареи ее номинальной емкости (паспортному значению емкости) необходимо один раз снять эталонную кривую разряда полностью заряженной батареи предлагаемым способом и с этой кривой разряда сравнивать получаемые результаты измерений испытуемой батареи. Степень заряженности батареи определится как С_факт% = (С_факт/С_эталон) 100%), где С_факт - фактическая емкость в Ампер-часах; С_зталон - емкость батареи заряженной до 100%. Так как емкость батареи пропорциональна времени разряда, то С_факт% = (t_Fфакт/t_{Fэталон})100%, где t_Fфакт - положение точки F на временной зависимости напряжения для испытуемой батареи; t_{Fэталон} - положение точки F на временной зависимости напряжения для батареи, заряженной до 100% (рисунок, кривая 3)

Устройство для определения зарядовой емкости (далее - устройство) по прототипу содержит последовательно соединенный к клеммам аккумуляторной батареи шунт, параллельно соединенный измеритель напряжения и отдельный хронометр (секундомер, песочные часы). В устройстве для реализации аналога используется в качестве шунта реостат с последовательно соединенным измерителем тока и измеритель напряжения.

В устройстве для аналога величина тока поддерживается на постоянном уровне 0.1 С₁₀ в течение 10 часов реостатом (шунтом).

В устройстве для определения зарядовой емкости при подключении шунта через 30 секунд фиксируется величина напряжения на клеммах батареи. Если напряжение уменьшается не ниже 10.5 В, то батарея считается заряженной. Существуют критерии нижней границы 10,2 В и 9.8 В. Величина сопротивления шунта определяется по закону Ома R_ш=Е_АБ/I_пт=24 / 800=0.03 Ом, где Е_АБ - эдс двух последовательно соединенных батарей, I_пт=I_{ст.макс} - ток полного торможения электродвигателя стартера.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано на устройстве для реализации прототипа с регулятором величины тока, как в устройстве для реализации аналога. Для этого необходимо величину шунта определить по минимальному току стартера R_ш = Е_АБ/I_ст.мин = 24 / 500=0.048 Ом и параллельно соединить дополнительный шунт с регулируемым сопротивлением, в частности, повышающим общее сопротивление от 0,03 Ом до 0.048 Ом. Сопротивление такого шунта за время токоотбора нужно изменять от 0.08 Ом до бесконечности. Это несложно реализовать ручным, автоматическим или электронным способами.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предлагаемое техническое решение позволяет определять в сильноточном режиме зарядовую емкость и степень заряженности в течение единиц минут с получением достоверной информации как при проведении контрольно-тренировочного цикла. В прототипе, осуществляемом с использованием аккумуляторной вилки - пробника, можно определить только относительную токоотдачу батареи без прогноза способности токоотдачи в при следующем токоотборе.

Уменьшение времени определения зарядовой емкости аккумуляторной батареи позволяет с учетом дополнительных расходов по времени более чем в 20-30 раз сократить время проверки готовности аккумуляторной батареи и существенно сокращает время подготовки транспортной техники к выполнению задания. Использование рабочего режима пуска для контроля номинальной емкости аккумуляторной батареи позволяет автоматизировать процедуру проверки непосредственно при пуске двигателя и перевести метод контрольно-тренировочного цикла в категорию типовых методов функциональной диагностики состояния бортового электрооборудования военной автомобильной техники.

Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение времени готовности военной автомобильной техники, а также других видов вооружения и военной техники. Рассматриваемая измерительно-технологическая операция применяется только для контроля и обеспечения готовности военной техники. Технический результат достигается тем, что в способе определения готовности стартерной аккумуляторной батареи, заключающемся в соединении к клеммам батареи нагрузочного шунта, эквивалентного по величине электрическому сопротивлению якоря электродвигателя стартера автомобиля, в отборе тока от клемм аккумуляторной батареи, регистрации величин тока и напряжения в зависимости от времени и в определении уровня заряженности батареи, при этом токоотбор осуществляется три раза в течение до тридцати секунд за один раз с перерывами 0.5-1 мин при начальной величине тока, равной току полного торможения электродвигателя и уменьшаемого к концу разового токоотбора на величину до 30%, при этом регистрируют величину быстрого начального участка спада напряжения на клеммах батареи в зависимости от времени и последующего спада с меньшей крутизной, по времени и по соотношению этих величин судят об уровне заряженности аккумуляторной батареи и ее готовности. Сопоставительный анализ показал, что предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить время контроля зарядовой емкости свинцовой стартерной аккумуляторной батареи более чем в 20 раз и получать достоверный результат о степени заряженности и о зарядовой емкости аккумуляторной батареи. 1 ил.

Способ определения зарядовой емкости стартерной аккумуляторной батареи автомобиля, заключающийся в соединении к клеммам батареи нагрузочного шунта, в отборе тока от клемм аккумуляторной батареи, регистрации величин тока и напряжения в зависимости от времени и в определении уровня заряженности батареи, отличающийся тем, что токоотбор осуществляют в течение времени меньше минуты три раза с перерывами меньше минуты, при этом начальная величина тока при каждом токоотборе на шунт равна току полного торможения электродвигателя стартера автомобиля и за время токоотбора меньше минуты уменьшают отбираемый ток на 25-30%, при этом регистрируют начальный участок быстрого спада напряжения в зависимости от времени на клеммах батареи и последующий по времени пологий участок спада напряжения, переходящий в участок быстрого спада, затем по соотношению величин напряжений и длительности быстрого и пологого участков судят о зарядовой емкости аккумуляторной батареи.