Способ контроля состояния аккумуляторов в батарее

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (зим Н 01 M 10/42

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (COCflATEHT CCCP) ч ччл

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ итл, . ;тt*-- :=и ит-чтлтч-,";За аа

Ь Ф ч Г (21) 4910690/07 (22) 06,11,90 (46) 15.12.92. Бюл. N. 46 (71) Московский институт инженеров железнодорожного транспорта (72) Ф.И.Эйгель. А.В.Павлов и Б.,A,Юревич (73) Ф.И.Эйгель (56) Авторское свидетельство СССР

М 1198610, кл, Н 01 М 10/42, 1984.

Авторское свидетельство СССР

М 1080226, кл. H 01 М 10/42. 1983. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ АК КУМУЛЯТОРОВ В БАТАРЕЕ

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к эксплуатации аккумуляторных батарей на подвижных объектах. .. Известны способы контроля состояния аккумуляторов при разряде путеМ изменения на зажимах каждого аккумулятора. Все эти способы при абсолютной достоверности обладают одним недостатком — от каждого аккумулятора необходимо выводить информацию двумя измерительными проводами.

При большом числе аккумуляторов, соединенных в батарею, такая реализация контроля возможна только в стационарных условиях, Существует блок для контроля параметров аккумуляторов, который представляет собой контактную рейку, внутри последней расположены провода, присоединенные к силовым перемычкам одним концом, а вторым к измерительному разъему. Такой спо„„ ЦÄÄ 1782328 АЗ (57) Сущйость изобретения: способ контроля состояния аккумуляторов в батарее, при котором батарею разбивают на число групп больше двух, вычисляют среднее напряжение аккумулятора в каждой группе и определяют разность между этими напряжениями в любых группах, после чего указанную разность сравнивают с заранее установленным значением-напряжения, По другому способу устанавливают номер групп в каждой паре, последовательность получения разности напряжений в парах групп и по знаку разности упомянутых напряжений устанавливают группу, в которой находится отстающий аккумулятор, 1 з,п. ф-лы, 2 ил, 2 табл.

- " т —— л% соб съема информации упрощает реализацию контроля, нб в эксплуатации на подвижном объекте, например, йассажирском вагоне, система съема существенно затрудняет замену вышедшего из строя аккумуля- 4 тора. заливку электролита или дЬливку СО дистиллированной воды. ЬЭ

И, наконец, существует способ диагно- (1 стики состояния аккумуляторов в батарее, р при котором батарея делится на две равные 0г части по количеству аккумуляторов, напряжения обеих частей сравниваются между собой, а разница с наперед заданным зна- .,Ф чениеи. Если абсолютное значение раЗни- lCaj цы напряжений полубатарей становится больше наперед заданной величины, то делается заключение о наличии в одной из полубатарей "отстающего" аккумулятора, т.е. элемента, у которого напряжение ниже, чем у всех остальных, который принят за прототип, Недостатком такого способа кон1782328

10 и достигшего. нулевого потенциала или выдать ложную инфармацйю.

Целью изобретения является повышеййе эффективности и точности контроля. 20

Предлагаемый способ позволяет избежать вышеприведенных недостатков. Он может быть использован при любом числе последовательно соединенйых аккумуляторов на любом объекте, в том чйсле и на 25 аккумулятора. В этом случае правомерно 40 при разряд6 сравнивать между Собой средние текущие значения напряжения аккуму45 для данного режима разряда, Сравнение производят непрерывно в случайной последовательности, чта повышает вероятность 50 определения йеисправнаго аккумулятора. троля является низкая точность определения нахождения "отстающего" аккумулятора и невысокая достоверность из-за малой вероятности появления большой разности напряжений двух полубатарей. Особенно сильно эти недостатки проявляются при контроле батареи, Составленной из большога числа аккумуляторов. Так, например, аккумуляторные батареи пассажирских вагонов составлены из 88-и соединенных последовательно элементов, Возможны и большие цифры, порядка 150-250.

Достаточно большой разброс разрядных характеристик, носящий случайный характер, может в отдельных случаях не позволить показать наличия элемента даже нестационарном. Суть его заклк>чается в том ",что аккумуляторы батареи в целях кантроля группируют в "к" групп, числом больше дйух с постоянным, не оаязате>>ьйа равным

ЧИСЛОМ аККуМуЛЯтОРОв, ЭтИ ГРУйПЫ МОГут бйть обусловлены размещением аккумуляторной батареи на объекте или удобством подключения измерительных проводов. На измерительном выходе от каждой группы аккумуляторов устанавливают высокоамныйделитель в отношении 1/к, где к-число аккумуляторов в группе, Тогда величина напряжения на выходе группы будет-соответствовать среднему текущему значению ляторов в каждой группе и разницу между их значениями с наперед заданной величиной, При превышении в любой разности делают су ждете" о наличий"-в" группе

Ъккумулятора с недостаточной емкостью

Наперед заданную величину, с которой пройзвадят сравнение разности средних текущино значений аккумуляторов получают либо экспериментальным, либо расчетным путем из семейства разрядных характеристик, На фиг. 1 показана типичное семейства характеристик разряда аккумуляторов в составе батареи 20 ТНЖ-400, В табличном

35 виде, удобном для расчетов, характеристики представлены в табл. 1, Из анализа табл. 1 видно, что при близких значениях напряжений всех аккумуляторов (первая строка) разница между самым большим и средним значением напряжения аккумулятора невелика =. 1,151,1425=0,0075 В. При наличии одного аккумулятора в совокупности, вышедшего за границы допустимого напряжения, разница между средними значениями напряжения в нормальной совокупности и содержащей

"отстающий" аккумулятор увеличивается—

1,1425 — 1,12=0,0225 В. Таким образом, для данного режима разряда и электрохимичвской системы может быть установлен критерий диагностики — разность между средними текущими значениями напряжений аккумуляторов в группах более 20 мВ.

Таким же образом может быть установлена значащая разница напряжений для других электрахимических систем аккумулятароа.

Итак, для реализации предлагаемого. способа делят аккумуляторную батарею на несколько групп, числом более двух, определяют среднее текущее значение аккумулятора в каждой группе, сравнивают в любой последовательности два значения средйих текущих напряжений. а их разность с наперед установленной величиной и по результату сравнения судят о наличии в.. этой паре групп отстающего аккумулятора.

Пусть, например, аккумуляторная батарея 88 ВНЖ-300, разбита на шесть групп, в которых число аккумуляторов от 14 в четырех да 16 в двух. Среднее текущее значение напряжения устанавливается высокоомными резистивными делителями 1:14 и 1:16 в соатветствующих группах и в некоторый момент измерений принимает значения, на- пример, такие, какие представлены в табл.

2.

Из таблицы -видно, что в пятой группе аккумуляторов есть адйн или несколько отстающих аккумуляторов, которые необходима вывести иэ состава данной совокупности, составляющей батарею, т.к. абсолютная разность между ней и другими группами по среднему текущему напряжению превйшает 0,02 В.

Увеличение точности контроля обратно пропорционально количеству аккумуляторов в группе и в пределе имеет контроль напряжения каждого аккумулятора.

К недостаткам предлагаемого способа можно отнести невозможность точного определения группы, в которой находится отстающий аккумулятор, в результате соотношения разности,с наперед заданным значением по одной паре групп, т.к. абсо1782328 лютная разность дает основание только для дефектовки пары групп, Найти группу с дефектным аккумулятором можно только по повторяемости результата в других парах.

Для того, чтобы по одной операции соотношения разности в каждой паре сделать суждение о наличии дефектного для данной батареи аккумулятора предварительно устанавливают номер групп в каждой паре и устанавливают последовательность получения разности напряжений. В этом случае при абсолютной разности, превышающей наперед заданное значение, по знаку разности судят о том. в какой группе есть отстающий аккумулятор, Из табл. 2 видно, что по первой разности напряжений пятой и первой групп можно сделать заключение по знаку разности, что в пятой группе есть отстающий аккумулятор. По разности, например. между напряжениями шестой и пятой групп можно однозначно сделать тот же вывод, т,к. знак разности положительный.

Нэ фиг, 2 приведена структурная схема устройства, которое реализует предлагаемый способ контроля состояния аккумуляторов в батарее, Функционально устройство состоит из пяти блоков: 1 — блок делителей, 2 — блок коммутации, 3 — блок генерации кодов последовательности опросов групп аккумуляторов, 4 — блок определения разности напряжений и знака. 5— блок фиксации и индикации групп с отстающими аккумуляторами.

Устройство работает следующим образом.

Аккумуляторная батарея АБ разбивается на N групп с произвольным числом аккумуляторов в каждой группе; причем аккумуляторы в группах и сами группы соединены последовательно. Суммарное напряжение аккумуляторов каждой группы поступает нэ свой делитель напряжения (высокоомный) в блоке делителей 1, Делители напряжения выполнены по схеме дифференциального усилителя. Пусть в i-й rpynne

j аккумуляторов. Тогда резисторы i го делителя блока 1 связаны следующими соотношениями;

Р1 — i

Р1 — i=P3 — i; P2-i=P4-i; =J

P2 — i .Таким образом, на выходе каждого делителя будет напряжение, равное средйетекущему напряжению аккумулятора в каждой группе. Напряжения с выходов делителей блока 1 поступают на аналоговые входы мультиплексоров (коммутаторов) аналоговых сигналов Мх1 и Мх2 блока коммутации 2, Нулевой аналоговый канал мультиплексоров Mx1 и Мх2 не используется, Связь между количеством аналоговых каналов и количеством цифровых выходов мультиплексоров определяется иэ соотношения;

> iogz(N+1)

5 где К вЂ” количество цифровых входов; й— число групп аккумуляторов, На цифровые управляющие входы мультиплексоров Мх1 и Мх2, отвечающих эа номер коммутируемого канала, поступают

10 управляющие сигналы с блока 3 генерации кодов последовательности опросов групп аккумуляторов. Блок 3 генерации кодов последовательности опросов групп аккумуляторов состоит изтенератора прямоугольных

15 импульсов Г. 1-разрядного двоичного счетчика СТ2 и постоянной памяти РОМ с организацией 2х2К, где К вЂ” число управляющих входов мультиплексоров; — число разрядов двоичного счетчика СТ2, 20 В постоянную память записана псевдослучайная последовательность кодов опроса пар аккумуляторов, Минимальная длина кодовой последовательности определяется из соотношения;

25 И!

2(й -2! где L —, минимальная длина кодовой последовательности, откуда

1 щ I > log>(gg — 2)I +1)

При этом надо помнить, что I — целое число.

Состояние счетчика СТ2 изменяется (увеличивается на единицу) по переднему

35 фронту импульса, поступающего на его синхровход С с генератора Г. Максимальная частота генератора Г определяется суммарным временем срабатывания мультиплексоров и временем установления

40 (завершением переходных процессов после коммутации мультиплексоров) блока 4 определения разности напряжений и знака.

Напряжения с выходов аналоговых мультиплексоров Мх1 и Мх2 поступают на

45 вход дифферен циал ь ного усилителя, собранного по классической схеме на операционном усилителе А1-4 блока 4.

Напряжение на его выходе равно разности выходных напряжений мультиплексоров, 50 номера которых определяются кодовыми комбинациями в этот момент на управляющих входах мультиплексоров Мх1 и Мх2.

Сигнал с выхода А1-4 поступает на вход определителя знака разности, собранного

55 на операционном усилителе А4-4, и на вход преобразователя полярности напряжения, собранного на операционном усилителе А2. 4 и полевом транзисторе У1-4. Напряжение на выходе А4-4 имеет положительную полярность (близкую к положительному на1782328 пряжению источника питания) в том случае. если напряжение на выходе А1-4 отрицательно, т.е. среднее значение напряжения группы аккумуляторов, подключенных через мультиплексор Мх1, больше, чем среднее значение напряжения группы аккумуляторов, подключенных через Мх2. В противном случае, если напряжение на выходе А1-4 положительно, и, следовательно, среднее значение напряжения группы аккумуляторов, подключенных через мультиплексор Мх1, меньше, чем среднее значение напряжения .группы аккумуляторов, подключенных через Мх2, напряжение на выходе А4-4 отрицательно. Величина напряжения гистереэиса А4-4 выбирается на порядок меньшей, чем наперед установленная величина разности напряжений групп аккумуляторов, по величине которой выносят суждение о наличии отстающего аккумулятора в одной из групп (опорное напряжение, подаваемое на вход компара-. тора А3-4, равно этому значению). Гистервзис определяется соотношением сопротивлений Й9-4 и R10-4. I-20 введение необходимо для однозначной работы преобразователя полярности напряжения, собранного на А2-4 в случае. если напряжение на выходе А1-4 равно нулю, Преобразователь полярности собран по классической Схеме (R5-4!=R6-4! R7-4!=

R5-4 и работает следующим образом. Если напряжение на его выходе положительно, то напряжение на выходе А4-4 отрицательно, транзистор У1-4 закрыт, и операционный усилитель А2-4 работает повторителем. т.е; сигнал на его выходе положителен и равен входному. Если напряжение на его выходе отрицательно, то на выходе А4-4 положительно, транзистор

У1-4 открыт, и операционный усилитель А24 работает в режиме инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления — 1, сигнал на его выходе положителен и численно равен входному. Напряжение с выхода

А2-4 поступает на инвертирующий вход компаратора А3-4. На инвертирующий вход компаратора А3-4 поступает положительное опорное напряжение. В случае, если сигнал на выходе А2-4 больше, т.е. разность средних текущих напряжений двух групп аккумуляторов больше наперед заданного значения, напряжение на выходе компаратора имеет "единичный" уровень цифровых микросхем. в противном случае —."нулевой" уровень. Таким образом, по наличию "единичного" уровня на выходе АЗ-4 выносится суждение о наличии отстающего аккумулятора в одной из подключенных групп, а по

40 в выбранной данный момент времени пары.

Сигналы с выходов схем И поступают на

50

5

30 знаку напряжения на выходе А4-4 выносится суждение, к какому мультиплексору подсоединена группа с отстающим аккумулятором. Для преобразования полярности напряжения на выходе А4-4 в управляющие сигналы для цифровых микросхем служит цепочка, состоящая из резистора

Р12-4, диода УЗ-4 и двух инверторов 4НЕ-1 и 4НЕ-2. 4 нулевой сигнал на выходе 4НЕ-1 соответствует случаю, когда среднее значение группы аккумуляторов, подключенных через Мх2 меньше, чем через Мх1. Нулевой уровень сигнала с выхода 4НЕ-1 разрешает работу дешифратора ДС1 блока 5, а "нулевой" уровень сигнала с выхода 4Н Е-2 разрешает работу дешифратора ДС2 блока 5. На входы дешифратора ДС1 поступают те же коды, что и на Мх1, на входы ДС2, те же, что и на Мх2, т,е. номер включенного выхода дешифратора ДС1 и ДС2 соответствуют номеру группы аккумуляторов, подключенных соответственно к мультиплексорам Мх1 и

Мх2. Таким образом, сигналы с выходов инверторов 4НЕ-1. 4НЕ-2 разрешают работу того дешифратора. на выход которого подается код номера группы аккумуляторов с меньшим средним текущим напряжением (избранной пары rpynn). и номер его вклну ченного выхода соответствует номеру этой группы. Сигналы с одноименных выходов дешифраторов ДС1 и ДС2, поступают на входы схем И. Как видно иэ схемы, включенному выходу соответствует "нулевой" уровень сигнала и схема И будет выполнять функцию ИЛИ по нулевому уровню. Таким образом, присутствие нулевого уровня на выходе одной из схем 5И-1 —.5И-N однозначно определяет номер группы аккумуляторов с меньшим средним текущим напряжением первый вход соответствующей номеру этой группы схемы ИЛИ-НЕ, Вторые входы схем

ИЛИ-HE блока 5 объединены и соединены с выходом 5И-НЕ-1 на один вход которой через инвертор поступают импульсы с генератора Г блока 3, а на другой вход сигналы с компаратора АЗ-4 блока 4. Сигнал с блока 3 используется для стробирования во времени сигнала компаратора блока 4, Таким образом, если разность средних текущих напряжений двух групп аккумуляторов превысит допустимое значение, т.е. в одной из групп есть отстающий аккумулятор, то на выходе 5И-HE-1 появится "нулевой" уровень сигнала. Следовательно, на выходе схемы 5ИЛИ-HE. соответствующей номеру группы с отстающим аккумулятором, сигнал с "нулевого" уровня перейдет в единичный, что перекинет соответствующий P триггер

1782328

Таблипа I

Зависимость напряжения ПИ батареи и аккумуляторов от степени раэряиенности, В, .Таб а 2

Средние текущие значения напряжений н группах айку яяторов

НЯ батареи в т т

О GI 0 «ОтОХ 0 -Oв05 От02

0 0,01 0 " O,OI-0,04-0,0I

-0 OI 0 -0 OI 0 -0 05-0,02

0,04 0,05 0,04 0,05 0 0,03

0 OI O 02 0 0I 0 02-0 03 0

2 I,Х5

3 I9I4

4 I,I5

5 IDIO бI (3 (5" Г -1 — 5"Т"-1) и включит светодиод, соответствующий номеру группы с отстающИм аккумулятором. Таким образом, на триггерах будут фиксироваться все группы с отста«- ющими аккумуляторами и индицироватьсй 5 при помощи соответствующих светодиодов (5У1-5У-). Инвертор 5НЕ-1 служит совместно с конденсатором 5С1 и кнопкой 5SD1 для приведения блока 5 в исходное состояние при включении питания и в любой момент 10 времени na,íàæàòèþ кнопки 5SB1.

Таким образом, данное устройство реализует заявляемый способ контроля аккумуляторов в батарее, Формула изобретения — 15

1. Способ контроля состояния аккумуляторов в батарее, при котором батарею разделяют на группы, измеряют напряжение каждой группы. сравнивают измеренные величины, результат соотносят с заранее уста- 20 новленной величиной и по результату соотношения судят о наличии отстающего аккумулятора в группе, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, батарею разбивают на число групп больше двух с произвольным числом аккумуляторов в группе, вычисляют среднее текущее значение напряжения аккумулятора в каждой группе и определяют разность этих напряжений в любых возможных парах групп.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, устанавливают номер групп в каждой паре, последовательйость получения разности напряжений в парах групп и по знаку разности напряжений устанавливают группу, в которой находится отстающий аккумулятор, 1782328

8

0Е

4

Р2

0(/f /ИУМ

Составитель Ф.Эйгель

Техред М.Моргентал

Корректор O.Кравцова

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101.

Заказ 4292 Тираж Подписное ..

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5