Способ контроля состояния аккумуляторов в батарее

(5 ИЗО РЕТ ОПИСАН ПАТ 2 еров желез- ,А,Юревич ССР84. 83.ОЯНИЯ АК ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Московский институт инженнодорожного транспорта(56) Авторское свидетельство СМ 1198610, кл, Н 01 М 10/42, 19Авторское свидетельство СССМ 1080226, кл. Н 01 М 10/42. 19(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТКУМУЛЯТОРОВ В БАТАРЕЕ Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к эксплуатации аккумуляторных батарей на подвижныхобъектах,Известны способы контроля состоянияаккумуляторов при разояде путем измене-ния на зажимах каждого аккумулятора, Всеэти способы при абсолютной достоверностиобладают одним недостатком - от каждогоаккумулятора необходимо выводить информацию двумя измерительными проводами.При большом числе аккумуляторов, соединенных в батарею, такая реализация контроля возможна только в стационарныхусловиях,Существует блок для контроля параметров аккумуляторов, который представляетсобой контактную рейку, внутри последнейрасположены провода, присоединенные ксиловым перемычкам одним концом, а вторым к измерительному разьему. Такой спо 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 ак кумулятор, 1 з,п. ф-лы, 2 ил,2 табл,соб съема информации упрощает реализацию контроля, нб в эксплуатации на подвижном объекте, например, йассажирском вагоне, система съема существенно затрудняет замену вышедшего из строя аккумулятора. заливку электролита или дЬливку дистиллированной воды,И, наконец, существует способ диагностики состояния аккумуляторов в батарее, при котором батарея делится на две равные части по количеству аккумуляторов, напряжения обеих частей сравниваются между собой, а разница с наперед заданным значением. Если абсолютное значение разницы 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 конвагонов составлены из 88-и соединенных 10последовательно элементов, Возможны и ййе эффективности и точности контроля. 20 Предлагаемый способ позволяет избе аккумулятора. В этом случае правомерно 40при разряд 6 сравнивать между Собой средййетекущие значения напряжения аккуму 45 50 троля является низкая точность определения нахождения "отстающего" аккумулятора й невысокая достоверность из-за малой вероятности появления большой разности напряжений двух полубатарей. Особенно сильно эти недостатки проявляются при контроле батареи, Составленной из большого числа аккумуляторов. Так, например, аккумуляторные батареи пассажирских большие цифры, порядка 150-250.Достаточно большой разброс разрядныххарактеристик, носящий случайный характер, может в отдельных случаях не позволить показать наличия элемента даже и достигшего нулевого потенциала или выдать ложную информацйю,Целью изобретений является повышежать вышеприведенных недостатков, Он может быть использован при любом числе последовательно соединенйыхаккумуляторов на любом объекте, в том чйсле и на нестационарном, Суть его заключается в том",что аккумуляторы батареи вцелях кантроля группируют вк" групп, числом бодьше дйух с поСтоянным, не обязательйо"равным ЧИСЛОМаККуМуЛЯтОРОв, ЭтИ ГРУППЫ МОГут бйть обусловлены размещением аккумуляторной батареи на объекте или удобством подключения измерительных проводов. На измерительном выходе от каждой группы аккумуляторов устанавливают высокоомныйделитель 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 суждете-о наличий"в груп пе Ъккумулятора с недостаточной емкостью для данного режима разряда, Сравнение пройзводят непрерывно в случайной последовательности, что повышает вероятностьопределения йеисправного аккумулятора. Наперед заданную величину, с которойпройзводят сравнение разности средних текущино значений аккумуляторов получают либо экспериментальным, либо расчетным путем из семейства разрядных характеристик, На фиг. 1 пОказано типичное семейство характеристик разряда аккумуляторов в составе батареи 20 ТНЖ, В табличном 30 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 самымбольшим и средним значением напряженияаккумулятора невелика - . 1,151,1425=0,0075 В, При наличии одного аккумулятора в совокупности, вышедшего заграницы допустимого напряжения, разницамежду средними значениями напряжения внормальной совокупности и содержащей"отстающий" аккумулятор увеличивается -1,1425 - 1,12=0,0225 В, Таким образом, дляданного режима разряда и электрохимичвской системы может быть установлен критерий диагностики - разность междусредними текущими значениями напряжений аккумуляторов в группах более 20 мВ.Таким же образом может быть установленазначащая разница напряжений для другихэлектрохимических систем аккумулятороа.Итак, для реализации предлагаемого.способа делят аккумуляторную батарею нанесколько групп, числом более двух, определяют среднее текущее значение аккумулятора в каждой группе, сравнивают влюбой последовательности два- значениясредйих текущих напряжений, а их разностьс наперед установленной величиной и порезультату сравнения судят о наличии в, .этой паре групп отстающего аккумулятора.Пусть, например, аккумуляторная батарея 88 ВНЖ, разбита на шесть групп, вкоторых число аккумуляторов от 14 в четырех до 16 в двух. Среднее текущее значениенапряжения устанавливается высокоомными резистивными делителями 1:14 и 1:16 всоответствующих группах и в некоторый момент измерений принимает значения, на-пример, такие, какие представлены в табл.2,:":,.".л;,:-.;;,Из таблицы -видно, что в пятой группеаккумуляторов есть одйн или несколько отстающих аккумуляторов, которые необходимо вывести иэ состава даннойсовокупности, составляющей батарею, т.к.абсолютнаяразность между ней и другимигруппами по среднему текущему напряжению превйшает 0,02 В.Увеличение точности контроля обратнопропорционально количеству аккумуляторов в группе и в пределе имеет контрольнапряжения каждого аккумулятора.К недостаткам предлагаемого способаможно отнести невозможность точного определения группы, в которой находится отстающий аккумулятор, в результатесоотношения разности,с наперед заданнымзначением по одной паре групп, т.к. абсолютная 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.На 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 И 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 -йтруппеаккумуляторов. Тогда резисторы -годелителя блока 1 связаны следующими соотношениями;Р 1 -Р 1 - =РЗ - ; Р 2-=Р 4-; =)Р 2 -,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 Мх 1 и Мх 2 блока коммутации 2, Нулевой аналоговый канал мультиплексоров Мх 1 и Мх 2 не используется, Связь между количеством аналоговых каналов и количеством цифровых выходовмультиплексоров определяется иэ соотношения;К )од(И+1),5 где К - количество цифровых входов; й -число групп аккумуляторов,На цифровые управляющие входы мультиплексоров Мх 1 и Мх 2, отвечающих эа номер коммутируемого канала, поступают10 управляющие сигналы с блока 3 генерациикодов последовательности опросов группаккумуляторов. Блок 3 генерации кодов последовательности опросов групп аккумуляторов состоит изтенератора прямоугольных15 импульсов Г. -разрядного двоичного счетчика СТ 2 и постоянной памяти РОМ с организацией 2 х 2 К, где К - число управляющихвходов мультиплексоров;- число разрядовдвоичного счетчика СТ 2,20 В постоянную память записана псевдослучайная последовательность кодов опроса пар аккумуляторов, Минимальная длинакодовой последовательности определяетсяиз соотношения;251,2(М =25гдет минимальная длина кодовой последовательности, откуда130 г 92( 2 ТМ - 2) + )При этом надо помнить, что- целоечисло.Состояние счетчика СТ 2 изменяется(увеличивается на единицу) по переднему35 фронту импульса, поступающего на его синхровход С с генератора Г. Максимальнаячастота генератора Г определяется суммарным временем срабатывания мультиплексоров и временем установления40 (завершением переходных процессов послекоммутации мультиплексоров) блока 4 определения разности напряжений и знака.Напряжения с выходов аналоговыхмультиплексоров Мх 1 и Мх 2 поступают на45 вход дифферен циал ь ного усилителя, собранного по классической схеме на операционном усилителе А 1-4 блока 4.Напряжение наего выходе равно разностивыходных напряжений мультиплексоров,50 номера которых определяются кодовымикомбинациями в этот момент на управляющих входах мультиплексоров Мх 1 и Мх 2.Сигнал с выхода А 1-4 поступает на входопределителя знака разности, собранного55 на операционном усилителе А 4-4, и на входпреобразователя полярности напряжения,собранного на операционном усилителе А 2. 4 и полевом транзисторе У 1-4, Напряжениена выходе А 4-4 имеет положительную полярность (близкую к положительному напряжению источника питания) в том случае. если напряжение на выходе А 1-4 отрицательно, т.е. среднее значение напряжения группы аккумуляторов, подключенных через мультиплексор Мх 1, больше, чем среднее значение напряжения группы аккумуляторов, подключенных через Мх 2. В противном случае, если напряжение на выходе А 1-4 положительно, и, следовательно, среднее значение напряжения группы аккумуляторов, подключенных через мультиплексор Мх 1, меньше, чем среднее значение напряжения группы аккумуляторов, подключенных через Мх 2, напряжение на выходе А 4-4 отрицательно. Величина напряжения гистереэиса А 4-4 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 А 3-4, равно этому значению). Гистервзис определяется соотношением сопротивлений й 9-4 и В 10-4, Ь 20 введение необходимо для однозначной работы преобразователя полярности напряжения, собранного на А 2-4 в случае, если напряжение на выходе А 1-4 равно нулю,Преобразователь полярности собран по классической Схеме (В 5-4=Вб87-4=В 5-4и работает следующим образом. Если напряжение на его выходе положительно, то напряжение на выходе А 4-4 отрицательно, транзистор У 1-4 закрыт, и операционный усилитель А 2-4 работает повторителем. т.е; сигнал на его выходе положителен и равен входному. Если напряжение на его выходе отрицательно, то на выходе А 4-4 положительно, транзистор У 1-4 открыт, и операционный усилитель А 2- 4 работает в режиме инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления - 1, сигнал на его выходе положителен й численно равен входному. Напряжение с выхода А 2-4 поступает на инвертирующийвход компаратора АЗ. На инвертирующий вход компаратора АЗпоступает положительное опорное напряжение. В случае, если сигнал на выходе А 2.4 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 АЗвыносится суждение о наличии отстающего аккумулятора в одной иэ подключенных групп, а по25 30 с меньшим средним текущим напряжением40 в выбранной данный момент времени пары. 45 50 55 5 10 15 20 знаку напряжения на выходе А 4-4 выносится суждение, к какому мультиплексору подсоединена группа с отстающим аккумулятором, Для преобразования полярности напряжения на выходе А 4-4 в управляющие сигналы для цифровых микросхем служит цепочка, состоящая из резистора Р 12-4, диода УЗи двух инверторов 4 НЕи 4 НЕ, 4 нулевой сигнал на выходе 4 Н=-1 соответствует случаю, когда среднее значение группы аккумуляторов, подключенных через Мх 2 меньше, чем через Мх 1, Нулевой уровень сигнала с выхода 4 НЕразрешает работу дешифратора ДС 1 блока 5, а "нулевой" уровень сигнала с выхода 4 Н Еразрешает работу дешифратора ДС 2 блока 5. На входы дешифратора ДС 1 поступают те же коды, что и на Мх 1, на входы ДС 2, те же, что и на Мх 2, т,е. номер включенного выхода дешифратора ДС 1 и ДС 2 соответствуют номеру группы аккумуляторов, подключенных соответственно к мультиплексорам Мх 1 и Мх 2, Таким образом, сигналы с выходов инверторов 4 НЕ. 4 НЕразрешают работу того дешифратора. на вь 1 ход которого подается код номера группы аккумуляторов с меньшим средним текущим напряжением (избранной пары групп). и номер его вклну ченного выхода соответствует номеру этой группы, Сигналы с одноименных выходов дешифраторов ДС 1 и ДС 2, 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 5 И- 5 И-й однозначно определяет номер группы аккумуляторов Сигналы с выходов схем И поступают на первый вход соответствующей номеру этой группы схемы ИЛИ-НЕ, Вторые входы схем ИЛИ-НЕ блока 5 объединены и соединены с выходом 5 И-НЕна один вход которой через инвертор поступают импульсы с генератора Г блока 3, а на другой вход сигналы с компаратора АЗблока 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, тона выходе 5 И-НЕпоявится "нулевой" уровень сигнала. Следовательно, на выходе схемы 5 ИЛИ-НЕ. соответствующей номеру группы с отстающим аккумулятором, сигнал с "нулевого" уровня перейдет в единичный, что перекинет соответствующий Р триггер1782328 10 Таблща 1Зависимость напряжений 2 НЖ батареи и аккумуляторов от степени раэряиенности, В,Таба 2 Средние текущие значения напряжений в группах айкуляторов НЯ батареи(5" Г-5"Т"-1) и включит светодиод, соответствующий номеру группы с отстающИм аккумулятором. Таким образом, на триггерах будут фиксироваться все группы сотста- ющими аккумуляторами и индицироватьсй "5 при помощи соответствующих светодиодов (5 У 1-5 У-). Инвертор 5 НЕслужит совместно с конденсатором 5 С 1 и кнопкой 5301 для приведения блока 5 в исходное состояние при включении питания и в любой момент 10 времени па,нажатию кнопки 5 ЯВ 1.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 новленной величиной и по результату соотношения судят о наличии отстающего аккумулятора в группе, о т л и ч а ю щ и й с я 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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,Составитель Ф.Эйгел Техред М.Моргентал тор О.Кравцова едактор Заказ 4292 Тираж Подписное .ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 КНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10