Счетчик ампер-часов Советский патент 1990 года по МПК G01R11/34 

Изобретение относится к технике измерения количества электричества и может быть использовано для непрерывного контроля текущей емкости и измерения КПД аккумуляторных батарей в системах электропитания постоянно- го тока.

Цель изобретения - повышение точности измерения степени заряженнос- ти аккумуляторых батарей.

На чертеже показана структурно- Функциональная схема счетчика ампер- часов.

Счетчик ампер-часов содержит источник 1 питания с исполнительным устройством и балластной нагрузкой (шунтом) 2, аккумуляторную батарею 3, усилитель k постоянного тока, iпреобразователь 5 напряжения - частота, триггер 6, элемент ИЛИ 7, делитель 8 частоты, блок 9 формирования кода управления, блок 10 памяти, вычислительный блок 11, первый 12, второй 13 и третий 14 элементы совпадения, реверсивный счетчик 15, блок 16 формирования признака нуля, счетчик 17 емкости переполнения, мультиплексор I8f счетчик 19 суммарной емкости зарядных циклов и датчик 20 давления.

Первый выход источника 1 питания подключен к первому входу аккумулятоной батареи 3, второй выход источника 1 питания - к входу шунта 2, выхо которого подключен к. второму входу аккумуляторной батареи 3 и первому входу усилителя k постоянного тока, к второму входу которого подключен второй выход источника 1 питания. Выход усилителя Ц постоянного тока подключен к входу преобразователя 5 напряжения - частота, первый выход которого подключен к входу установки в единицу триггера 6, к счетному входу счетчика 19 суммарной емкости заряд

5

35

0

5

0 4Q

дс 50.

55

ных циклов и к первому входу элемента ИЛИ 7.

Второй выход преобразователя 5 напряжение - частота подключен к входу установки в ноль триггера 6 и к второму входу элемента ИЛИ 7, выход которого подключен к информационному входу делителя 8 частоты, к управляющему входу которого подключен выход блока 9 формирования кода управления. Прямой выход триггера 6 подключен к входу управления блока 9 формирования кода управления и к первому входу второго элемента 13 совпадения, инверсный выход триггера 6 - к первому входу первого элемента 12 совпадения, выход которого подключен к входу сложения реверсивного счетчика 15.

Выход делителя 8 частоты подключен к второму входу первого элемента 12 совпадения и к второму входу второго элемента 13 совпадения, выход которого подключен к входу третьего элемента 14 совпадения и к счетному входу счетчика 17 емкости переполнения. Выход третьего элемента 1 совпадения подключен к входу вычитания реверсивного счетчика 15, выход которого подключен к входу блока 16 формирования признака нуля и к первому входу мультиплексора 18.

Выход блока 16 формирования признака нуля подключен к второму входу третьего элемента 1 совпадения, к входу управления мультиплексора 18, к входу управления знаком функции вычислительного блока 11, к входу обнуления счетчика 17 емкости переполнения, выход которого подключен к второму входу мультиплексора 18, выход которого соединен с третьим входом вычислительного блока 11. Выход аккумуляторной батареи 3 подключен к входу датчика 20 давления,

выход которого подключен к входу разрешения записи блока 10 памяти, к входу разрешения вычислительного блока 11, к входу обнуления реверсивного счетчика 15, к входу обнуления счетчика 19 суммарной емкости зарядных циклов, выход которого соединен с вторым входом вычислительного блока 11, выход которого соединен с входом блока 10 памяти, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока 11 и входом блока 9 формирования кода управления.

Счетчик ампер-часов работает следующим образом.

При включении питания аккумуляторная батарея-3 заряжена, датчик 20 давления сработал, реверсивный счетчик 15, счетчик 17 емкости переполнения, счетчик 19 суммарной емкости зарядных циклов находятся в нулевом состоянии, в блоке 10 памяти записан код коэффициента деления, равный 1,00 (что соответствует коэффициенту полезного действия аккумуляторной батареи 3, равному 100%), триггер 6 в нулевом состоянии.

При нулевом состоянии реверсивного счетчика 15 срабатывает блок 16 формирования признака нуля, запрещается работа третьего элемента 14 совпадения, разрешается работа счетчика 17 емкости переполнения, мультиплексор 18 включен на передачу сигнала с второго входа на выход.

Положительному направлению тока через шунт 2 соответствует процесс заряда аккумуляторной батареи 3, отрицательному направлению тока - процесс разряда аккумуляторной батареи 3.

Информация на выходе реверсивного счетчика 15 соответствует глубине разряда аккумуляторной батареи (количеству энергии, полученному из полностью заряженной аккумуляторной батареи 3)- поэтому полностью заряженной аккумуляторной батарее 3 соответствует нулевая информация в реверсивном счетчике 15.

Код коэффициента деления К на выходе блока 10 памяти является величиной, обратно пропорциональной коэффициенту полезного действия аккумуляторной батареи 3

Ц

10

20

25

559296

При отрицательном направлении тока через шунт 2 (процесс разряда) напряжение с его выхода, усиленное усилителем k постоянного тока, поступает на вход преобразователя 5 напряжение - частота. На второй выходе преобразователя 5 напряжение - частота появляются импульсы, частота которых пропорциональна току разряда аккумуляторной батареи 3. Эти импульсы подтверждают нулевое состояние триггера 6, инверсный выход которого разрешает работу первого эле- 15 мента 12 совпадения. Нулевое значение прямого выхода триггера 6 запрещает работу второго элемента 13 совпадения и устанавливает в блоке 9 формирования кода управления код 1,00, соответствующий процессу разряда. Блок 9 формирования кода управления устанавливает в делителе 8 частоты требуемый коэффициент деления.

Импульсы с второго выхода преобразователя 5 напряжение - частота через элемент ИЛИ 7 поступают на вход делителя 8 частоты. Импульсы с выхода делителя 8 частоты через открытый первый элемент 12 совпадения поступают на вход сложения реверсивного счетчика 15. Реверсивный счетчик 15 накапливает величину, соответствующую глубине разряда аккумуляторной батареи 3. При ненулевом состоянии реверсивного счетчика 15 блок 16 формирования признака нуля снимает свой выходной сигнал, при этом еще раз обнуляется счетчик 17 емкости переполнения, разрешается работа третьего элемента 14 совпадения, мультиплексор 18 переключается на передачу сигнала с первого входа.

При разряде давление в аккумуляторной батарее 3 уменьшается, датчик 20 давления выключается. При переключении аккумуляторной батареи 3 в режим заряда меняется направление тока через шунт 2. При этом импульсы, частота которых пропорциональна величине зарядного тока, появляются на первом выходе преобразователя 5 напряжение - частота и, следовательно, на входе установки в единицу триггера 6. Триггер 6 устанавливает- с.я в единичное состояние, запрещается работа первого элемента 12 совпадения, разрешается работа второго элемента 13 совпадения, блок 9 формирования кода управления передает

30

35

40

45

50

55

на вход делителя b частоты код, записанный в блоке 10 памяти. Импульсы преобразователя 5 напряжение - частота, с учетом коэффициента деления в режиме заряда (в начальный момент равного 1,00), через делитель 8 часто ты и открытые второй 13 и третий 1 элементы совпадения поступают на вычитающий вход реверсивного счетчи- ка 15. Одновременно импульсы с первого выхода преобразователя 5 напряжение - частота поступают на счетный вход счетчика 19 суммарной емкости зарядных циклов X 1ЗСф .

По мере заряда аккумуляторной батареи 3 содержимое реверсивного счетчика 15 уменьшается. Работа счетчика 17 емкости переполнения запрещена нулевым сигналом на входе обнуления (отсутствует признак нуль на выходе блока 16 формирования признака нуля).

Допустим, что после проведения п неполных циклов заряда-разряда аккумуляторной батареи 3 произошел полный заряд аккумуляторной батареи. Момент полного заряда определяется по срабатыванию датчика 20 давления Поскольку в момент включения в блоке 10 памяти был записан код коэффициента деления ,00, то величина емкости аккумуляторной батареи 11§ определяемая реверсивным счетчиком 15, будет больше фактического значе- ния этой величины 10. Обозначим величину ошибки реверсивного счетчика 15 через З. Тогда

,.

В момент срабатывания датчика 20 давления фактическое значение (аккумуляторная батарея заряжена), таким образом содержимое реверсивно- го счетчика 15 будет представлять величину ошибки д.

При срабатывании датчика 20 давления на первом входе вычислительного блока 11 будет старое значение кода коэффициента деления, поступающее с выхода блока 10 памяти (обозначим старое значение кода коэффициента деления К Дна втором входе - содержимое счетчика 19 суммарной емкости зарядных циклов i 1эар, на третьем входе - содержимое :реверсивного счетчика 15 (.|) , поступившее через .первый вход мультиплексора 18, на

входе управления знаком функции - нулевое значение сигнала.

По переднему фронту сигнала датчика 20 давления производится выборка из вычислительного блока 11 нового значения кода . Его запись в блок 10 памяти производится по заднему фронту сигнала датчика 20 давления. Величина нового значения кода коэффициента деления К0 определяется в вычислительном блоке 11 исходя из формулы

i г

1,

(1)

0

5 0 5

0

45

JQ

По заднему фронту сигнала датчика 20 давления обнуляется реверсивный счетчик 15 (устраняется ошибка подсчета ) и обнуляется счетчик 19 суммарной емкости зарядных циклов, чем подготавливается новое вычисление К0, где К0 - обратно пропорционально величине в , т.е. КПД аккумуляторной батареи 3 за п циклов заряда-разряда.

Аналогично происходит определение К0 для дальнейших срабатываний датчика 20 давления при условии падения КПД аккумуляторной батареи 3 по мере ее циклирования.

Однако возможен второй вариант работы счетчика ампер-часов. Он соответствует состоянию, когда содержимое реверсивного счетчика 15 в заряде уменьшилось до нуля (1,0), а датчик 20 давления еще не сработал (). В этом случае КПД аккумуляторной батареи цв оказался выше, чем определенный на предыдущем цикле. Этот случай возможен при изменении температурных режимов работы аккумуляторной батареи 3 и-ли после проведения в ней специальных восстановительных циклов.

В этом случае при нулевом значении реверсивного счетчика 15 срабатывает блок 16 формирования признака нуля, запрещается работа третьего элемента Ц совпадения (за счет чего реверсивный счетчик 15 остается в нулевом состоянии) и разрешается работа счетчика 17 емкости переполнения. Мультиплексор 18 переключается в режим передачи сигналов с второго входа, а на входе управления знаком функции вычислительного блока 11 . появляется единичный сигнал. На счетный вход счетчика 17 емкости переполнения поступают импульсы с выхода второго элемента 13 совпадения. При срабатывании датчика 20 давления код в счетчике 17 емкости переполнения будет представлять величину j. Отрицательный знак л определяется наличием единичного сигнала на входе управления знаком функции вычислительного блока 11. При этом вычислительный блок 11 определит новое значение К0 с учетом отрицательного знака ошибки д в формуле (1).

Вычислительный блок 11 представляет собой постоянное запоминающее устройство Вычисления по формуле (1) всех возможных значений аргументов

К, Ј

„ W

разряда, определяющего знак и, произведены на ЭВМ

и в виде массива информации занесены

,

п в микросхему ПЗУ. Коды К. Е 1МО и 25

1

и разряд, определяющий знак л (признак нуль блока 16 формирования признака нуля), являются составляющими адреса микросхемы ПЗУ, например К1 - зо

п -разрядный код, 21 I,-,- - 7-рязi i

з«р

рядный код,

признак нуль и - 3-разрядный код, 1 разряд,.

В момент срабатывания датчика 20 давления происходит выборка значения К„, которое соответствует поступившим на вход аргументам. Таким образом происходит вычисление нового значения К0 по формуле (l). Новое значение записывается в блок 10 памяти и в момент последующего срабатывания датчика 20 давления будет использовано как аргумент К в формуле (1). За счет определения нового значения кода коэффициента деления К (обратно пропорциональной величины КПД аккумуляторной батареи) повышается точность определения степени заряженнос- ти аккумуляторной батареи.

Определение кода коэффициента деления К0 основано на следующем.

Количество энергии при заряде определяется как

I-I,

где I - количество энергии, накопленной в аккумуляторной батарее;

1559296

10

,

3«р

- количество энергии, переданной в аккумуляторную батарею в процессе заряда; j - КПД аккумуляторной батареи. Учет КПД аккумуляторной батареи осуществляется изменением коэффициента деления счетчика. Для определения величины КПД запишем формулу, опреде- ляющую фактическую величину емкости аккумуляторной батареи в ампер-часах (1„) и величину емкости аккумуляторной батареи, определенную счетчиком (lj) Величина 1Т не равна Т0, так как после проведения n-циклов заряда- разряда КПД аккумуляторной батареи изменился.

Обозначим: 10 - величина емкости батареи; ц0 - фактическое значение

аккумуляторной батареи; 1Эар количество энергии, поступившей в аккумуляторную батарею при п-циклах

0

заряда;

1 количество энергии, получаемой из аккумуляторной батареи при n-циклах разряда.

I

Тогда фактическое значение емкости аккумуляторной батареи будет определяться как

I:

ЭМр

п

- z

1 1

-i раэ.

Обозначим: 11 - величина емкости аккумуляторной батареи, определяемую счетчиком ампер-часов; ц,,- установленное в счетчике значение коэффициента полезного действия

I:

i зор

и

1|

раз

Полностью заряженной аккумуляторной батарее соответствует нулевое значение содержимого счетчика ампер- часов (глубина разряда аккумуляторной батареи равна нулю). Момент полного заряда аккумуляторной батареи определяется по срабатыванию датчи- ка давления. В момент срабатывания датчика фактическое значение глубины разряда аккумуляторной батареи равно нулю (),

Поскольку КПД батареи изменился

после п циклов, а это в счетчике не учтено, то

Если КПД аккумуляторной батареи за период п циклов продолжал падать

,)

то ,

поэ тому

11

,

lo-Ii

И

s:

Ui

(1.

3«f

i-1 n

I.n

Т - Р«Э

раз

)

В этом случае в счетчике ампер- часов будет находиться значение, равное по величине ошибке, накопленной за п циклов

и

л (п,0-г,) 1 i

tii

155929612

вход которого соединен с выходом усилителя постоянного тока, а выходы - с входами триггера и входами элемента ИЛИ, выход элемента ИЛИ соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов совпадения, вторые входы которых соединены с выходами триггера, выход первого элемента совпадения соединен с входом сложения реверсивного счет10

Изобретение относится к технике измерения количества электричества и может быть использовано для непрерывного контроля текущей емкости и измерения КПД аккумуляторных батарей /АБ/ в системах электропитания постоянного тока. Цель изобретения - повышение точности измерения степени заряженности аккумуляторных батарей. Введение блока 16 формирования признака нуля, счетчика 17 емкости переполнения, мультиплексора 18, счетчика 19 суммарной емкости зарядных циклов, вычислительного блока 11 и блока 10 памяти позволяет непрерывно определять КПД АБ. Непрерывное определение КПД АБ позволяет постоянно подстраивать блок 9 формирования кода управления, что повышает точность измерения степени заряженности АБ. Счетчик ампер-часов содержит также источник 1 питания с исполнительным устройством и балластной нагрузкой 2, аккумуляторную батарею 3, усилитель 4 постоянного тока, преобразователь 5 напряжение-частота, триггер 6, элемент ИЛИ 7, делитель 8 частоты, три элемента 12-14 совпадения и датчик 20 давления. 1 ил.

реально действующего л

«г

К, I I

з«р

Sap+M

Для учета КПД аккумуляторной батареи ц коэффициент деления счетчика должен быть увеличен на величину

., 1

, так как для того, чтобы получить

из заряженной батареи, к примеру, 100 А«ч энергии при ,95, в аккумуляторную батарею необходимо передать

ЮО-Л-ч ч.

Ч

С учетом того, что ранее установленное значение КПД аккумуляторной батареи, а 0- КПД аккумуляторной батареи после проведения п циклов заряда-разряда, а также с

учетом того, что и , полуТ-о 1

чаем формулу для определения К 0,

за п циклов

Величину К 0 определяем из формулы (1) и устанавливаем в счетчике ампер-часов на последующие п циклов до следующего срабатывания датчика давления. В момент срабатывания датчика давления (фактическое значение ) определяется новое значение К0 и устанавливается для счетчика до очередного срабатывания датчика.

Формула изобретения

Счетчик ампер-часов, содержащий источник питания с исполнительным устройством и балластной нагрузкой, шунт, аккумуляторную батарею, усилитель постоянного тока, входы которого соединены с балластной нагрузкой, подключенной между выходами источника питания и аккумуляторной батареей преобразователь напряжение - частота

5

0

чика, блок формирования кода управления, вход которого соединен с выходом триггера, а выход - с входом делителя частоты, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерения степени заряженнос- ти аккумуляторных батарей, в него 0 введены блок формирования признака нуля, счетчик емкости переполнения, мультиплексор, счетчик суммарной емкости зарядных циклов, вычислительный блок, блок памяти, датчик давления 5 и третий элемент совпадения, выход которого соединен с входом вычитания реверсивного счетчика, вход блока формирования признака нуля соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с первым входом третьего элемента совпадения, входом обнуления счетчика емкости переполнения, входом управления мультиплексора, входом управления- знаком функции вычислительного блока, счетный вход счетчика емкости переполнения соединен с выходом второго элемента совпадения, а выход - с входом мультиплексора, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с первым входом вычислительного блока, счетный ЕЗХОД счетчика суммарной емкости зарядных циклов соединен с выходом преобразователя напряжение - час- дс тота, вход обнуления соединен с выходом датчика давления, а выход - с вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом блока памяти, выход которого соединен с 5Q управляющим входом блока формирования кода управления и третьим входом вычислительного блока, вход датчика давления соединен с аккумуляторной батареей, а выход - с входом блока памяти, четвертым входом вычислительного блока, входом обнуления реверсивного счетчика.

5

40