Устройство для автоматического контроля разряда многоэлементной аккумуляторной батареи Советский патент 1985 года по МПК H01M10/48 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при контроле разряда многоэлементных аккумуляторных батарей для определения конца разряда аккумуляторной батареи при уменьшении напряжения на любом из элементов ак кумуляторной батареи до определенно го уровня и формирования команды на отключение аккумуляторной батареи о нагрузки, преимущественно при экспл атации батарей из герметичных никелькадмиевых аккумуляторов. Известно устройство контроля напряжения m гальванически связанных химических источников тока, содержа щее источник питания, подключенный одним выводом к первой клемме контролируемых источников тока, Ш источ ников опорного напряжения, hi схем сравнения, выполненных на транзисто ре, эмиттер которого соединен соответственно с одной из клемм контролируемого источника тока, а. база соответствующим источником опорного напряжения, выполненным в виде дели теля напряжения, один конец которог подключен к второй клемме соответст вующего контролируемого источника тока, а другой - к второму концу ис точника питания, и пороговый исполнительньй узел, подключенный к исто нику гитания. На вход устройства по дается напряжение сравнения с делителя и напряжение контролируемого источника тока . При превьшении величины напряжения на делителе по сравнению с величиной напряжения контролируемог источника тока транзистор в схеме сравнения открывается и на вход исполнительного узла подается напряжение. Недостатком устройства является то, что при использовании в качаетве источника питания дополнительного преобразователя напряжения с питанием его непосредственно от самой аккумуляторной батареи существенно увеличивается потребление электроэнергии устройством на собственные нутвды, так как мощность источника питания должна быть достаточно большс)й, чтобы обеспечить электропитанием одновременно все делители напряжения, в которых резисторы должны обладать достаточно малым сопротивлением из-за низкой величины входного сопротивления транзисторов в схемах сравнения. Использование же для каждой аккумуляторной батареи отдельного источника питайия не всегда возможно и целесообразно при большом количестве аккумуляторных батарей. Надежность контроля напряжения на отдельных аккумуляторных элементах в этом случае невысокая из-за того, что концы делителей напряжения, подсоединенные к контролируемым аккумуляторным элементам, имеют плавающий потенциал, в результате чего токи через делители напряжения меняются, соответственно меняются и величины опорных напряжений, особенно это может иметь место при равномерном снижении напряжения на всех аккумуляторных элементах, когда суммарное напряжение на аккумуляторной батарее сильно снижается, при этом напряжение уставок крайних аккумуляторных элементов может снизиться до недопустимых пределов. Известно также устройство для автоматического контроля разряда многоэлементной аккумуляторной батареи содержащее генератор калиброванных по амплитуде импульсов и ряд измерительных каналов по числу злеменТов в батарее, каждый из которых состоит из сравнения, выполненной на основе транзистора, усилителя-формирователя и исполнительного органа 2. Эмиттер и коллектор транзистора каждой схемы сравнения через резисторы соединены с одним полюсом элемента батареи, а через конденсаторы - соответственно с генератором калиброванных импульсов и усилителем-формирователем. База транзистора подключена к другому полюсу того же элемента батареи. С выхода генератора импульсы, калиброванные по амплитуде, поступают через переходные конденсаторы на резисторы, включенные в эмиттеры транзисторов, закрытых напряжением элементов аккумуляторной батареи. При разряде аккумуляторного элемента ниже амплитуды калиброванного импульса транзистор в схеме сравнения открьшается и на его коллекторном резисторе вьщеляется импульс напряжения, который через конденсатор поступает на ускпитель-формирователь, формирующий команду для исполнитель ного органа. Недостатком устройства является значительное потребление им электроэнергии на собственные нужды, связанное с необходимостью обеспечения электропитанием большого количества параллельно работающи усилителей-формирователей и исполни тельных элементов. Кроме того, имеющийся в устройстве генератор калиб рованных импульсов должен удовлетворять жестким требованиям относительно стабильности уровня выходного напряжения, т.е. должен быть стабилизированным по питанию, что свя- зано с дополнительными трудностями при его практической реализации. Недостатком устройства является отсутствие в нем контроля по суммарному напряжению на аккумуляторной батарее, так как при одинаковом снижении напряжения на аккумуляторных элементах, когда суммарное напряжение на аккумуляторной батарее сильно снижается, может произойти преркащение работы усилителей-формирователей и генератора калиброванных импульсов, что снижает надежность работы устройства. Известно устройство для контроля напряжения химического источника тока, содержащее чувствительные элементы на входах в виде полевых тракзисторов, подключенных входными цепя ми к аккумуляторным элементам, и диодные схемы выделения наибольшего напряжения групп чувствительных элементов, управляющие операционными усилителями, выходы которых связаны с входами выходных транзисторов,в це пи коллекторов которых .включены сигнальные лампы. При .снижении напряжения на каком-либо аккумуляторном элементе соответствующий полевой транзистор приоткрьшается, и ток в цепи исток - сток возрастает, что приводит к увеличению падения напряжения на общем резисторе в стоковых цепях и запиранию всех предыдущих и последующих диодов в данной группе чувствительных элементов, а на общем резисторе в стоковых цепях выделяется наибольщее напряжение, соответствуннцее источникам тока с наи- меньщим напряжением, которое сравнивается с напряжением на аналогичных резисторах в других группах, и наибольшее напряжение поступает на один из входов усилителя. При повышении указанным напряжением значения, поступающего на другой вход усилителя, на выходе последнего появт яется сигнал, открывающий выходной- транзистор и зажигающий сигнальную лампу, что сигнализирует о недопустимом снижении напряжения на каком-либо аккумуляторном элементе З. Недостатком схемы является то, что полевые транзисторы работают в режиме средней проводимости, т.е. в активном режиме, когда коэффициент усиления транзисторов сильно зависит от температуры окружающей среды, причем полевые транзисторы также не являются исключением, хотя для них это менее выражено. .Но в данном случае даже небольшие изменения коэффициентов усиления (крутизны) полевых транзисторов при изменении температуры окружающей среды вызывают недопустимо большие изменения напряжения на резисторах в цепях стоков. Так как коэффициенты усиления у разных полевых транзисторов изменяются в разной степени в зависимости от температуры, то отсю- да следует, что надежность работы данного устройства в широком температурном диапазоне будет очень низкой. Уменьшение потребления энергии устройством на собственные нужды за счет отсутствия входных токов полевых транзисторов пренебрежимо мало и не является существенным достоинством схемы, так как и у обычных транзисторов ток базы в этом случае также пренебрежимо мал, а так как питание стоко-истоковых цепей осуществляется практически от полного напряжения аккумуляторных батарей,то в данном случае потери электроэнергии в стоковых цепях будут значительные. Потери эти будут соизмеримы с энергией саморазряда аккумуляторных батарей, что приводит к более частому обслуживанию аккумуляторных батарей при работе их в дежурном режиме. Другой серъезньй недостаток схемы заключается в необходимости индивидуальной подборки полевых транзисторов и резисторов в стоковых цепях, так как у полевых транзисторов одного и того же типа величины напряжений отсечки очень сильно отличаются, т.е. при равных величинах сопротивлений

резисторов в стоковых цепях и равных величинах напряжений на аккумуляторных элементах величины падений напряжения на истоко-стоковых переходах транзисторов будут сильно отличаться J а в соответствии с принципом работы схемы эти величины должны быть одинаковые. Уравнять эти величины Можно подборкой резисторов или транзисторов, однако процесс подборки трудоемкий, а при большом..количестве aккy ryлятopoв и в полевых условия-х точная настройка практически невозможна

Наиболее близкой по технической сущности и решаемой задаче является схема для контроля разряда отдельных элементов или группы элементов батареи их аккумуляторных элементов 4J содержащая гальваническую развязку на транзисторных оптронах, где последовательно с каждым светодиодом транзисторных оптопар включе.н обычньм диод и резистор и каждая из полученных таким образом цепочек подгсоединена непосредственно к выводам двух смежных аккумуляторных элементов для цепочных никель-кадмиевых аккумуляторов и непосредственно к вы водам каждого аккумуляторного элемента для аккумуляторов кислотных.

Фотррезистрры оптопар соединены последовательно и включены в одно из плеч делителя напряжения, подйлюченного к выводам аккумуляторной батареи. Средняя точка делителя напряжения соединена с релейным детектором тока, выход которого соединен с исполнительным устройством.

Достоинством схемы является незначительное потребление ею электроэнергии от аккумуляторной батареи на собственные нужды.

Недостатком схемы является то, что в ней в качестве чувствительных элементов используются светодиоды, имеющие, как известно, широкую область изменения прямой ветви вольтамперной характеристики. В широком температурном диапазоне с учетом технологического разброса параметров область изменения прямого падения напряжения на светодиодах при малых токах простирается примерно от 0,7 до 1,8 В. Область эта значительно шире, чем у известного устройства, где приводятся лишь типовые значения

величин прямого падения напряжения на светодиодах при нормальной температуре.

Номинальное напряжение щелочных никель-кадмиевых аккумуляторных элементов равно 1,2В, а отключаться с разряда они должны при уменьшении напряжения на них до 0,5-0,8 В, откуда следует, что светодиоды не пригодны для работы в качестве чувствительных элементов для непосредственного контроля разряда каждого аккумуляторного элемента, так как величина прямого падения напряжения на сретодиодах, при которой они начинают подсвечивать фототранзисторы, как правило, значительно больше указанных вьш1е величин. Применение светодиодов в качестве чувствительных элементов для контроля напряжения кислотных аккумуляторных батарей, имеющих нормальное напряжение на каждом элементе около 2В, также нецелесообразно, так как этот способ контроля неточен, а разряд кислотных аккумуляторных батарей ниже 1,75В на элемент не допускается. Косвенный метод контроля разряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей по величине напряжения на двух аккумуляторных элементах также не является приемлемым. В этом случае к нестабильности светодиодов добавляется нестабильность последовательно соединенных с ними диодов, у которых область изменения прямого падения напряжения при малых токах находится в пределах от 0,5 до 0,85 В. Надежность контроля разряда в этом случае будет очень низкая. Так, например, при больших величинах прямых падений напряжения на светодиодах и на диодах будут иметь место ложные срабатывания.даже при нормальных напряжениях на аккумуляторных элементах. И, наоборот, при малых прямых падениях напряжения на светодиодах и на диодах могут иметь место случаи несрабатывания схемы и, как следствие, выход из строя аккумуляторных элементов. Произойти это может потому, что реальные емкости аккумуляторных элементов, находившихся в эксплуатации, могут значительно отличаться друг QT друга, в результате чего будут иметь место случаи, когда один из двух аккумуляторных элемен7iTOB уже разрядился и напряжение на его выходе упало до недопустимого уровня, а другой в эго время имеет нормальное напряжение, при этом величина напряжения на выходе двух аккумуляторных эленентов может оказаться достаточной для удержания схемы в исходном состоянии. Применение в этих случаях метода подборки оптопар с нужными входными харак теристиками малоэффективно и связано с большой.трудоемкостью. Недостатком схемы является также отсутствие в ней контроля по суммар ному напряжению на аккумуляторной батарее, так как при одинаковом сни жении напряжения на всех аккумуляторных элементах, что может иметь место при работе с хорошо скомплектованными, новыми аккумуляторными батареями, суммарное напряжение на батарее может снизиться на столько, что величина его будет уже недостаточна для срабатывания электромагни ных отключающих элементов в исполнительном устройстве, что неизбежно приведет к выходу из строя большого количества аккумуляторных элементов Применение в исполнительном устройстве бесконтактных отключающих элементов нецелесообразно из-за бол ших габаритов охлаждающих радиаторо и дополнительных потерь электроэнер гий. Недостатком схемы является и то, что в ней не предусмотрены меры, исключающие ложные срабатывания при кратковременных снижениях напряжения на аккумуляторных элементах, носящих случайный характер, например при запусках мощных потребителей, что существенно снижает на дежность контроля разряда аккумуляторных батарей, особенно при работе без обслуживающего персонала. Целью изобретения является повышение надежности контроля напряжени на аккумуляторных элементах при автоматическом контроле разряда аккумуляторной батареи. Для этого в схему, содержащую оп топары, число которых равно числу аккумуляторных элементов, причем светодиоды этих оптопар через ограничительные сопротивления подключены к группе из двух или более аккумуляторных элементов, фотоприемники соединены последовательно и обра зуют одно плечо резистивного дели6теля, подключенного своими концами к общим клеммам аккумуляторной батареи, а общей точкой - к входу исполнительного элемента, последовательно со светодиодами включаются вновь введенные транзисторы, эмиттерный переход -которых через сопротивление подсоединен к электродам контролируемого аккумуляторного элемента. Кроме того, вновь вводятся оптопары, резистор и стабилитрон, причем светодиод оптопары, стабилитрон и резистор, соединены последовательно и подключены паралельно ак- кумулятоной батарее. Фотоприемник этой оптопары включен последовательно с фотоприемниками делителя напряжения . Исполнительный элемент при этом вьтолнен с блоком задержки времени. На чертеже представлена схема устройства для автоматического контроля разряда многоэлементной аккумуляторной батареи. Схема содержит аккумуляторные элементы 1, входные биполярные транзисторы 2, светодиоды 3 диодных оптопар 4, фотодиоды 5 .диодных оптопар 4, делитель напряжения 6, резистор 7 делителя напряжения 6, фотодиод 8 дополнительной диодной оптопары 9, светодиод 10 дополнительной диодной оптопары 9, стабилитрон 11, резистор 12, компаратор напряжения 13, устройство выдержки времени 14, исполнительное устройство 15, двухпозиционный переключатель 16 с механической фиксацией конечных коммутационных положений, контакты 17 и 18 двухпозиционного переключателя 16, нагрузка 19. Устройство для автоматического контроля многоэлементной аккумуляторной батареи работает следукицим образом. В исходном состоянии, когда величины напряжений на аккумуляторных элементах 1 в норме, транзисторы 3 открыты, и через светодиоды 3 диодных оптопар А проходит ток, вызыва- кмций их свечение. По цепочке из последовательно соединенных светодиода 10, стабилитрона 11 и резистора 12 также проходит ток, и светодиод 10 подсвечивает фотодиод 8 дополни тельной оптопары 9, при этом через последовательно соединенные фотодиоды 5 делителя напряжения 6 и фото- . 9 диод 8 проходит фототек, создающий большое падение напряжения на резис торе 7 делителя напряжения 6, в результате чего на выходе компаратора напряжения 13 устанавливается напряже ние сознаком плюс относительно средне точки аккумуляторной батареи, состав ленной из аккумуляторных элементов. Плюсовой потен1диал на выходе ком паратора напряжения 13 удерживает устройство вьщержки времени 14 в закрытом состоянии и подготавливает его к срабатьшанию, при этом величи на сигнала на выходе устройства выдержки времени 14 и соответственно на входе исполнительного устройства 15 равна нулю, а контакты 17 и 18 двухпозиционного переключателя 16 замкнуты. По мере разряда аккумуляторной батареи на нагрузку 19 вели;чины напряжений на аккумуляторных элем1.п1тах 1 уменьшаются. При уменьшении величины напряжения на какомлибо аккумуляторном элементе до О,5-0,8В закрывается подключенный .к этому аккумуляторному элементу транзистор 2, а светодиод 3 диодной оптопары 4, включенный в коллекторную цепь этого транзистора, га;нет, Так как фотодиод 5 перестает подсве чиваться светодиодом 3, то его обратное сопротивление резко возраста ет, что приводит к резкому уменьшению фототока через последовательно соединенную цепочку из фотодиодов 5 делителя напряжения 6 и фотодиода 8 дополнительной оптопары 9,, а падени напряжения на резисторе 7 становится минимальным и по величине близким к нулю. При этом напряжение на выходе компаратора напряжения 13 и соответственно на входе устройства вьщержки времени 14 меняет знак с плюса на минус относительно средней точки аккумуляторной батареи. По ис течении времени вьщержки устройство вьщержки времени 14 срабатывает, а величина сигнала на его вькоде и со ответственно на входе исполнительно го устрсэйства 15 становится максимальной, что приводит к срабатывани исполнительного устройства 15, при этом контакты 17 и 18 двухпозицион- ного переключателя 16 размыкаются, и аккумуляторная батарея отключается от нагрузки 19. Разомкнувшийся контакт 17 разрьшает цепь питания отключающей катушки двухпозиционно6го перекхоочателя 16, в результате чего собственное потребление электроэнергии исполнительным устройством 15 практически равно нулю. Собственное потребление электроэнергии компаратором напряжения 13 также практически равно нулю, так как в исходном состоянии он не нагружен, а после срабатывания электропитание его прекращается. При одинаковом и равномерном снижении напряжения на всех аккумуляторных элементах 1 суммарное напряжение на аккумуляторной батарее быстро снижается, приближаясь к величине напряжения стабилизации стабилитрона 11, при этом величины напряжений на аккумуляторных элементах 1 могут быть еще достаточными для поддержания входных транзисторов 2 в открытом состоянии. При дальнейшем снижении напряжения на выво- дах аккумуляторной батареи ток через цепочку из последовательно соединенных светодиода 10, стабилитррна 11 и резистора 12 резко уменьшается и фотодиод 8 перестает подсвечиваться светодиодом 10, а его обратное сопротивление резко возрастает, что приводит к резкому уменьшению фототока через последовательно срединенную цепочку из фотодиодов 5 и 8 и соответственно уменьшению напряжения на резисторе 7. По истечении времени выдержки устройство срабатывает и отключает аккумуляторную батарею от нагрузки независимо от напряжения на аккумуляторах. Устройство вьщержки времени 14 предназначено для исключения ложных отключений при кратковременных снижениях напряжения на аккумуляторных элементах 1-, носящих случайный характер, например при запусках мощньк потребителей. За счет существенного повьпПения надежности контроля напряжения многоэлементной аккумуляторной батареи практически исключается выход из строя герметичнь х щелочных аккумуляторных батарей, что повьшает технические возможности аппаратурных комплексов, электропитание которых осуществляется от большого количества аккумуляторных батарей. При этом значительно повьшается их автономность при работе в полевых условиях, когда частая замена аккумуляторных батарей затруднена.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ РАЗРЯДА МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ, содержащее оптопары, числе которых равно числу аккумуляторных элементов, причём светодиоды этих оптопар через ограничительные резисторы подключены к группе из двух или более аккумуляторных элементов, фотоприемники соединены последовательно и образуют одно плечо резистивного делителя, подключенного своими крайними выводами к выходным клеммам аккумуляторной батареи, а средним вьшодом к входу исполнительного элемента, отличающееся тем, что, с целью повьшения надежности контроля напряжения, последовательно со светодиодами включены вновь введенные транзисторы, эмиттерньй которых через резистор подсоединен к клеммам контролируемого аккумуляторного элемента, а вновь введенные оптопара, зезистор и стабилитрон соеI динены последовательно и подключены параллельно аккумуляторной батарее, (Л фотоприемник этой оптопары включен последовательно с фотоприемниками делителя напряжения, 2. Устройство ПОП.1, отличающееся тем, что, с целью увеличения надежности контроля напряжения при импульсной нагрузке, исполнительный элемент выполнен с блоком задержки времени.