Способ определения плотности электролита свинцового аккумулятора Советский патент 1992 года по МПК H01M10/42 H01M10/48 

Изобретение относится к области техники измерений, конкретно к способам измерения плотности электролита свинцовых аккумуляторов (СА).

Известен способ определения плотности электролита СА с помощью ареометра.

Недостатками данного способа являются:

- невысокая достоверность измерений, так как значения плотности электролита в верхней части бака СА, откуда берут некоторое количество электролита для осуществления измерений, могут отличаться от значений плотности электролита, находящегося внутри бака СА, например в блоке пластин, на ±0,05 г/см3, в.то время как для практики требуется оценивать интегральную плотность электролита с погрешностью не более ±0,005 г/см3;

- высокая трудоемкость, так как измерения осущестзляют вручную в большом количестве СА (общее число элементов СА до 120 шт.).

Известен гакже способ определения плотности электролита при стоянке СА без тока путем измерения установившегося значения ЭДС Е аккумулятора и определения плотности d электролита при 15°С по формуле

сл

00 xj

сл

d - Е - 0,84 (г/см3)

0)

Однако этот способ не позволяет определять плотность электролита СА в процессе разряда, так как при разряде невозможно

измерять ЭДС в то же время контроль плотности электролита СА при разряде необходим, так как он позволяет оценивать состояние СА в процессе разряда, его остаточную емкость и выбрать оптимальный режим разряда.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа за счет измерения плотности электролита СА в процессе разряда, помимо измерения плотности электролита при стоянке СА без тока.

Указанная цель достигается тем, что предварительно проводят разряд СА от полностью заряженного состояния до конечного разрядного напряжения каждым из п характерных для эксплуатации режимов разряда, при этом перед включением аккумулятора на разряд определяют его установившуюся ЭДС и температуру электролита и, используя изве стную зависимость ЭДС от температуры электролита СА и формулу (1), получают следующую зависимость:

d Е + 0,00136(15 -t) -0,84, (2)

где d - плотность электролита при 15°С;

Е - измеренная установившаяся ЭДС при т°С;

t - измеренная температура электролита СА, °С, по которой определяют начальное значение плотности электролита для каждого из п характерных режимов.

При разряде СА каждым характерным режимом разряда измеряют температуру электролита, ток разряда, продолжитель ность разряда, разрядное напряжение и по достижении напряжением конечного разрядного значения прекращают разряд, вычисляют отданную аккумулятором емкость, определяют установившуюся ЭДС и температуру электролита и по формуле (2) определяют конечное значение плотности электролита, приращение плотности в каждом характерном режиме разряда, вычисляют отношение отданной СА емкости к приращению плотности для каждого характерного режима разряда. Эти отношения запоминают, периодически по мере израсходования ресурса СА уточняют путем повторного выполнения изложенной процедуры, а в процессе эксплуатации СА перед разрядом определяют установившуюся ЭДС, аккумулятора и температуру электролита и по формуле (2) определяют начальное значение плотности электролита, при разряде измеряют температуру электролита, ток разряда, продолжительность разряда, вычисляют отданную аккумулятором емкость, а плотн ость электролита вычисляют по формуле

-

d-dH-2 f. i KI

(3)

10

15

где dn - плотность электролита перед разрядом СА при15°С;

d - текущая плотность электролита в процессе разряда при 15°С;

Ср - емкость, отданная аккумулятором в i-м режиме разряда;

KI - отношение отданной аккумулятором емкости при разряде от полностью заряженного состояния до конечного напряжения к приращению плотности электролита, полученное предварительно для I- го характерного режима разряда; в случае разряда аккумулятора в процессе эксплуатации током, отличным от того, для которого известно отношение KI, в формулу (3) подставляют отношение К1, которое получают интерполированием значений Ki, соответствующих ближайшим по величине токам характерных режимов разряда, между которыми находится указанный ток.

На фиг. 1 и 2 представлены схемы, поясняющие способ; на фиг. 3 - структурная схема устройства, реализующего предложенный способ.

На фиг. 1 представлен алгоритм определения отношенний К для СА; на фиг. 2 - алгоритм определения плотности электролита СА.

Для определения плотности электролита предложенным способом при стоянке СА без тока измеряют температуру электролита, например, с помощью термопреобразователя сопротивления, определяют установившуюся ЭДС. Е аккумулятора с использованием, например, высокоточного цифрового вольтметра и по формуле (2) определяют плотность электролита при 15°С, при необходимости пересчет полученного значения плотности при температуре 15°С на другую температуру осуществляют по известной формуле

25

30

35

45

dt2 dti +«(ti -t2),(4)

где dt2 - плотность электролита при температуре t2;

dti - плотность электролита при температуре п:

«-температурная поправка плотности. Для определения плотности электролита в процессе разряда СА перед включением аккумулятора в эксплуатацию проводят его разряд, например, пятью характерными для эксплуатации режимами разряда (1, 5, 10, 20 и 50 часовым) от полностью заряженного состояния до конечного разрядного напряжения, при этом до начала разряда

каждым из , 2;...5 характерных режимов измеряют температуру электролита, например, с помощью термопреобразователя сопротивления, определяют устано- вившуются начальную ЭДС Ei с использованием, например, высокоточного цифрового вольтметра и по формуле (2) определяют начальную плотность электролита dHi при 15°С. Разряд ведут постоянным током Ipi const, измеряя продолжитель- ность tpi разряда, до конечного разрядного напряжения, после чего отключают нагрузку (ток), вычисляют отданную аккумулятором емкость Cpi по формуле

Cpi Ipi tpi,(5)

и дают аккумулятору постоять без тока 1,5- 2,0 ч, чтобы его ЭДС приняла установившееся значение, затем, как указано выше, опять измеряют температуру электролита t, определяют установившуюся ЭДС Е и по формуле (2) определяют плотность электролита после окончания разряда did при 15°С, вычисляют и запоминают отношения

KJ -

Ся

dHi

(6)

разряда, поэтому отношения (6) определяют для каждого характерного тока разряда Ipi. Для определения плотности электролита в процессе разряда СА измеряют величину тока разряда, например, с помощью амперметра и шунта, включенного во внешнюю цепь аккумулятора, измеряют продолжительность разряда tp при токе 1Р, вычисляют отданную аккумулятором емкость по формуле

Ср 1Р tp,

(8)

проверяют выполнение условия lp lpi, т. е. соответствие режима разряда характерному режиму, для которого известно отношение (6). Если условие lp IPJ не выполняется, то интерполированием зависимости KI f(lpi), например линейным, определяют отношение К для этого режима. Вычисление текущей плотности d электролита СА при 15°С с учетом возможного разряда характерными и любыми другими режимами разряда производят по формуле

d

г KI f KJ

(9)

Использование:- способ преднлз:ычен для определения плотности зле трипита свинцового аккумулятора. Сущность изо- бретения: о период стоянки аккумулятора плотность электролита определяют по его установившейся ЭДС. В процессе разряда аккумулятора плотность электролита определяют по отданной им емкости и предварительно установленным коэффициентам пропорциональности между приращением емкости и приращением плотности электролита для различных токов разряда. 3 ил.

где Ср| - емкость, отданная аккумулятором в i-м характерном режиме разряда;

dHi, did - начальное и конечное значения плотности электролита аккумулятора в i-м характерном режиме разряда при 15°С.

Известно, что снижение концентрации (плотности) электролита СА при разряде однозначно связано с количеством протекшего электричества, т. е. с отданной емкостью при разряде; так как каждому ампер-часу количества электричества, отданному при разряде, соответствует расход 3.660 г серной кислоты и образование 0,672 г воды. Следовательно, приращение плотности электролита при разряде Ad можно опре- делить по формуле

Ad,

(7)

где Ср - отданная аккумулятором емкость при разряде;

К - коэффициент пропорциональности, характеризующий изменение плотности электролита СА при изменении отданной им емкости.

Практика показывает, что коэффициент К в формуле (7) зависит от величины тока

где dH плотность электролита перед вклю- чением аккумулятора на разряд при +15°С, определяемая, как указано выше;

Cpi - емкость, отданная аккумулято

5

0 5

0

5

ром при разряде характерными режимами;

Ki - отношения (6), полученные для характерных режимов разряда;

2) Cpi - емкость, отданная аккумулято- j

ром режимами разряда, отличными от характерных;

KJ - отношения, полученные интерполяцией зависимости KI f(lpj) для режимов разряда, отличных от характерных.

Пересчет плотности электролита на текущую температуру производят по формуле (4).

Отношения (6) периодически, например раз в полгода, проверяют и корректируют, учитывая то обстоятельство, что параметры аккумулятора с течением срока эксплуатации изменяются. Для этого определяют отношение (6) для одного из характерных режимов, как указано выше (фиг. 1), и сравнивают его со значением отношения для этого же режима, которое было определено ранее. Если новое значение отношения отличается от прежнего, например, более чем на 1,0%, то либо пропорционально изменяют все ранее определенные отношения (б).

либо проводят определение отношение (60 для характерных режимов с наибольшим и наименьшим токами разряда, как указано выше, а для остальных характерных режимов разряда значения отношений (6) получа- ют интерполяцией, либо, если позволяет обстановка, определяют отношения (6) для всех характерных режимов разряда, как указано выше (фиг. 1).

Структурная схема устройства, реализу- ющего способ, приведена на фиг. 3.

Устройство состоит из входных клемм 1 коммутатора (К) 2, входы которого подключают к клеммам +и - каждого из ста двадцати элементов аккумуляторной батареи (АБ), к датчику температуры электролита, который устанавливают в каждом элементе АБ, первый выход К2 через дешифратор (Ш) 3 и модуль гальванической развязки (МГР)4 подключают к первому входу интерфейсно- го блока (ИБ)5 вычислительного устройства (ВУ) 6, снабженного клавиатурой 7, средствами 8 и 9 индикации регистрации, управляющий вход К2 через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10 и МГР 11 подключают к второму входу ИБ 5, а к третьему входу ИБ 5 через операционный усилитель (ОУ) 12 с тремя масштабирующими резисторами PI, P2, РЗ, АЦП 13 и МРР 14 подключают измерительные клем- мы измерительного шунта (ИШ) 15, включенного последовательно с АБ, при этом на третий вход ОУ 12 подают управляющий сигнал через МГР 16 с первого выхода ИБ 5, а питание элементов устройства осуществ- ляют от блока питания (БП) 17.

Устройство, реализующее предложенный способ определения плотности электролита свинцового аккумулятора, работает следующим образом.

При подаче на устройство от БР 17 с помощью клавиатуры 7, вводя в ВУ 6 предварительно полученные отношения К, которые определяют по формуле (6), измеряют напряжение (ЭДС) каждого элемента АБ при токе разряда р 0, для чего АБ должна быть в исходном положении отключена от нагрузки, путем съема сигналов с клемм Ч- и - каждого элемента АБ, измеряют температуру электролита в каждом элементе АБ путем съема выходных сигналов датчиков температуры. Сигналы с клемм + и - элементов ИБ и выходные сигналы датчиков температуры через К2 подают на АЦП 10 для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код и передачи через МГР 11 и ИБ 5 в ВУ 6 для запоминания и последующей обработки, при этом ВУ 6 через ИБ 5, МГР 4 и Д К 3 выдает управляющие сигналы на К2 для подключения соответствующих измерительных каналов. По измеренным значениям напряжения при р О ВУ 6 в соответствии с алгоритмом (фиг. 2) определяет исходные значения плотности электролита каждого элемента АБ. После включения АБ на разряд измеряют текущее значение тока разряда Ipi АБ, для чего сигнал падения напряжения на ИШ 15 подают на первый и второй входы ОУ 12, в котором осуществляют усиление и масштабирование сигнала на трех масштабирующих резисторах Р1, Р2, РЗ для обеспечения высокой точности измерения тока Ip при его изменении в рабочем диапазоне от lpmin до Ipmax, которому соответствует изменение падения напряжения на ИШ 15 от 0 до 100 мВ, при этом выход ОУ 12 подключают к АЦП 13 для преобразования аналогового сигнала в цифровой код и передачи через МГР 14 и ИБ 5 в ВУ 6 для запоминания и последующей обработки в соответствии с алгоритмом (фиг. 2), при этом ВУ б через первый выход ИБ 5 и МГР 16 выдает управляющие сигналы на третий вход ОУ 12 для выбора нужного диапазона измерения по результатам предыдущего измерения, причем после достижения определенного времени решения, например 5 с, результаты прямых измерений напряжения (ЭДС) температуры электролита, тока lp АБ, результаты косвенных измерений емкости АБ, плотности электролита di элементов АБ по алгоритму (фиг. 2) отображаются на средствах 8 индикации и 9 регистрации.

Формула изобретения

Способ определения плотности электролита свинцового аккумулятора путем измерения установившегося значения ЭДС и вычисления плотности электролита по формуле d Е - 0,84, где d - плотность электролита при 15°С, Е-установившееся значение ЭДС, свинцового аккумулятора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, предварительно производят разряд свинцового аккумулятора от полностью заряженного состояния до конечного разрядного напряжения каждым из п характерных для эксплуатации режимов разряда, при этом перед включением аккумулятора на разряд определяют его установившуюся ЭДС и температуру электролита и определяют начальное значение плотности электролита аккумулятора при 15°С по формуле d Е + 0,00136(15 -1) - 0,84, при

разряде свинцового аккумулятора каждым характерным режимом измеряют в процессе разряда температуру электролита, ток разряда и продолжительность разряда, вычисляют отданную аккумулятором емкость,

определяют установившуются ЭДС и температуру электролита и, используя указанную выше зависимость, определяют конечное значение плотности электролита при 15°С, затем вычисляют приращение плотности в каждом режиме разряда, вычисляют отношение отданной аккумулятором емкости к соответствующему приращению плотности для каждого характерного режима разряда, эти отношения запоминают, периодически по мере израсходования ресурса аккумулятора уточняют путем повторного выполнения изложенной процедуры, а в процессе эксплуатации свинцового аккумулятора перед разрядом определяют его установившуюся ЭДС и температуру электролита и, используя приведенную выше зависимость, определяют начальное значение плотности электролита, при разряде измеряют температуру электролита, ток разряда и продолжительность разряда, вычисляют отданную аккумулятором емкость, а плотность электролита вычисляют по формуле

Измерение температуры tnl электролита СА до начала разряда

Определение начальной установившие э.д.с.САЕн при tHL до начала раз

Пересчет э.д.с. Ен/. на температуру +25 С с помощью температурного коэффициента э.д.с. (л.З, с.оЗ)

I

Определение начальной плотности электролита и Hi при +25 С по зависимости Е /(аГ) Гл.4, с.171)

Включение тока разряда t-ro харак- теуного режима Ip/ f-onsi

3L

Измерение тока разряда Ipt и продолжительности разряда t p

Вычисление отданной СА емкости СрЈ Ip/ t pi

Измерение разрядного напряжения и Р/ I

Проверка выполнения условия U-pttlfyxi где iipKi - конечное разрядное напряжение L -го режима

1«

нетВыключение тока разряда Ipi

Измерение температуры электролита СА

Определение установившейся э.д.с. после выключения разряда Ек/ при темпе- ратуре t к1

0

5

0

dH - плотность электролита перед разрядом при 15°С;

d - текущая плотность электролита в процессе разряда при 15°С:

СР| - емкость, отданная аккумулятором в i-м характерном режиме разряда;

К| - отношение отданной аккумулятором емкости при разряде от полностью заряженного состояния до конечного разрядного напряжения к приращению плотности электролита, полученное предварительно для 1-го характерного режима разряда;

Cpj - емкость, отданная аккумулятором в j-м режиме, отличном от характерного;

Kj - отношение, полученное для j-ro режима, отличного от характерного, интерполяцией зависимости KI f(lpj);

Ipi - постоянный ток, Ipi const.

Пересчет э.д.с. на температуру +25 С с по- пощью температурного коэффициента (л.З. с.83)

Определение конечной плотности электролита к при +25 С по зависимости (О (л.4,с.17)

Вычисление и запоминание отношения к О

tSui- cft i

Измерение температуры электролита СА

tПГ НЯИЛ Tin ГЧЯ э-псттта

до начала разряпа

3J

Определение установившейся э.д.с. СА & при температуре t до начала разряда

ПересчетЕна температуру +25°С с помощью температурного коэффициента э.д.с

уЛ.о,С.Оо)

А

Определение плотности электролита СА d до начала разряда при +25°С по зависимости ( d ) (л.4, с.171)

Проверка условия 1р 0 .

Ч I

да нет

Измерение тока разряда 1р и продолжительности разряда при токе 1р

1/

Вычисление отданной СА емкости при токе 1р по формуле Ср Ip -t p

Проверка условия 1р 1р/

да нет

Определение К/ интерполированием зависимости KL j dp)

Вычисление текущей плотности электроли- та при +25 С по формуле v j Срг

Р / у U

Ј ц. где ин-плотность элект- L

перед включением СА на разряд при + 25°С

Пересчет плотности электролита на текущую температуру электролита по формуле 3

Проверка условия 1р 0j

Данет Фиг. 2

ат

Л Ti

ал

3J

А

«SФиг.З