Способ определения остаточной емкости свинцового аккумулятора - RU2182388C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области техники измерений, конкретно, к способам определения остаточной емкости свинцового аккумулятора.

Известна нагрузочная вилка (Л. 1, с. 39-40). Она позволяет определять степень разряженности аккумулятора по величине разрядного напряжения, которое устанавливается на нем при подключении к зажимам аккумулятора нагрузочного резистора, устанавливаемого в нагрузочную вилку и подобранного на удвоенный ток 10-часового разряда проверяемого аккумулятора.

Однако такие нагрузочные вилки изготавливаются только для аккумуляторов малой емкости, а для аккумуляторов, номинальная емкость которых составляет тысячи ампер-часов, нагрузочных вилок не существует.

Известны эмпирические формулы для описания зависимости разрядной емкости свинцового аккумулятора (СА) от тока разряда (Л.2, с.78-80). Однако эти формулы позволяют определять разрядную емкость СА при его разряде от полностью заряженного состояния до конечного разрядного напряжения одним фиксированным током разряда. Если при таком разряде подсчитывать отданную СА емкость, умножая величину тока разряда на время разряда, и определить по приведенным в Л. 2, с.78-80 эмпирическим формулам общую разрядную емкость при данном токе разряда, то можно в любой момент разряда определить остаточную емкость СА, т.е. ту электрическую емкость, которую СА отдаст дополнительно, если его разряжать таким фиксированным током до конечного напряжения.

Но если СА разряжается током не одной величины, а в ходе разряда ток принимает различные значения, то указанный алгоритм определения остаточной емкости СА не может быть использован, т.к. эмпирические формулы, приведенные в Л. 2. с. 78-80, не определяют разрядную емкость СА при изменяющемся токе разряда. А между тем очень важно иметь возможность определять остаточную емкость СА независимо от предшествовавшего режима разряда, например, когда от свинцовой аккумуляторной батареи питаются приводные электродвигатели, которыми обеспечивается движение объекта, и когда знание остаточной емкости позволит определить расстояние, которое объект может еще пройти с определенной скоростью.

Имеется также патент 2120138 РФ на "Способ определения остаточной емкости свинцового аккумулятора" (Л.3.). Данный способ принят за прототип. Основным недостатком этого способа является недостаточная точность в случае, когда разряд осуществляется большим током, а остаточную емкость требуется определить при переходе на меньший ток разряда. Это происходит потому, что при большем токе разряда токообразующая реакция происходит в значительной мере на поверхности электродов и образующийся сернокислый свинец, имея больший удельный объем, чем активные вещества электродов, закупоривает поры и затрудняет вовлечение в реакцию активных веществ электродов, находящихся в глубине пор. В этом случае остаточная емкость, определенная по предварительно установленным зависимостям разрядного напряжения от отданной емкости, оказывается завышенной. По сравнению с фактически снимаемой остаточной емкостью погрешность в этом случае может достигать десять и более процентов, что подтверждено проведенными нами экспериментальными исследованиями.

Существенно снижается точность способа, принятого за прототип, также в случае, когда нельзя давать СА ток разряда, при котором необходимо определять остаточную разрядную емкость. Тогда способом, принятым за прототип, предусматривается вычисление полного внутреннего сопротивления при текущем токе разряда, а затем, используя его, вычисляют разрядное напряжение при интересующем нас токе основного режима разряда и, используя соответствующую зависимость разрядного напряжения от разрядной емкости, определяют остаточную разрядную емкость при данном основном токе разряда. Однако из уравнения равновесия ЭДС и напряжений для СА
E'=U'_p+I'_pR'_p,
где E' - ЭДС СА на текущий момент времени, В;
I'_р - ток разряда СА на текущий момент времени, А;
U'_р - разрядное напряжение на текущий момент времени, В;
R'_p - полное внутреннее сопротивление СА на текущий момент времени, Ом;
видно, что для вычисления R'_p надо измерить E', U'_p и I'_p. Измерение U'_p и I'_p производится в период разряда вольтметром и амперметром в обычном порядке, а для измерения Е' надо кратковременно выключить ток разряда и сразу замерить напряжение на зажимах СА вольтметром. Это напряжение на зажимах разомкнутой внешней цепи СА и будет равно E'. Сразу после выключения I'_р ЭДС начнет возрастать по причине увеличения концентрации электролита в порах электродов за счет процесса диффузии. Поэтому замер напряжения на зажимах СА должен производиться сразу после отключения I'_p. Таким образом, для вычисления R'_р надо отключать ток разряда СА. Обычно это невозможно, т.к. от СА могут получать питание потребители, которые нельзя обесточивать. А кроме того, вычисленное R'_p не является постоянным, а изменяется с изменением тока разряда. Изменяется с изменением тока разряда и ЭДС СА. Изменение величины полного внутреннего сопротивления СА и его ЭДС при изменении тока разряда объясняется изменением концентрации электролита в порах электродов и изменением температуры электролита и электродов, которые происходят при этом. Поэтому вычисление разрядного напряжения для интересующего нас основного тока разряда, отличного от I'_р, происходит с существенной погрешностью, что вызывает погрешность в определении остаточной емкости.

Целью изобретения является устранение отмеченных недостатков и повышение точности определения остаточной емкости СА.

Сущность изобретения состоит в том, что для определения остаточной разрядной емкости свинцового аккумулятора для заданного тока предварительно для аккумулятора такого типа в начале эксплуатации проводят циклы: полный заряд СА - разряд одним из основных применяемых режимов разряда (1-, 2-, 3-, 5-, 10-, 20-, 50-, 100-часовой) до конечного разрядного напряжения с охватом такими циклами всех перечисленных основных режимов разряда, осуществляя в процессе разряда интегрирование тока разряда в функции времени разряда, измерение разрядного напряжения и температуры электролита. Используя полученные в период разряда СА данные разрядной емкости, разрядного напряжения и температуры электролита при каждом измерении, устанавливают зависимость приведенного к 30^oС разрядного напряжения в функции тока разряда и приведенной к 30^oС отданной емкости, для чего между каждыми соседними замерами вычисляют среднюю температуру электролита СА и отданную за время, прошедшее между каждыми двумя соседними замерами, емкость, приводят эту емкость к 30^oС интерполяцией данных табл.1 и суммированием вычисляют приведенное значение разрядной емкости на момент каждого из указанных измерений, а также приводят полученные значения разрядного напряжения к 30^oС по известной зависимости, приведенной ниже. Зависимость приведенного разрядного напряжения в функции тока разряда и приведенной разрядной емкости дана для одного из типов СА в табл.2. Ее запоминают и используют для определения остаточной емкости СА данного типа в течение всего срока его эксплуатации, запоминают также полную приведенную емкость 20-часового разряда. А в процессе эксплуатации свинцового аккумулятора такого типа при его разряде осуществляют интегрирование тока разряда в функции времени разряда, измерение разрядного напряжения и температуры электролита и, в случае необходимости, определяют остаточную емкость для заданного тока разряда, фиксируют величину тока разряда, разрядной емкости, разрядного напряжения и температуры электролита на данный момент времени, приводят зафиксированное разрядное напряжение к 30^oС по известной зависимости и фиксируют его, определяют по величине зафиксированного тока разряда, между какими ближайшими по величине токами табл.2 он находится, после чего интерполяцией по току данных, указанных в столбцах табл.2, соответствующих этим двум ближайшим токам, рассчитывают дополнительный столбец табл.2 для зафиксированного тока разряда, а если зафиксированный ток разряда равен току одного из столбцов табл.2, то далее производят операции с данными именно этого столбца. Интерполируя данные рассчитанного дополнительного столбца, если зафиксированный разрядный ток не равен ни одному из основных токов разряда, указанных в табл.2, или интерполируя данные столбца табл.2, соответствующие основному току разряда, равному зафиксированному току разряда, по значениям разрядной приведенной емкости находят, какому значению приведенной разрядной емкости соответствует зафиксированное значение приведенного разрядного напряжения, после чего, интерполируя данные табл.2 по разрядной приведенной емкости, находят значения приведенного разрядного напряжения, соответствующие найденному значению приведенной разрядной емкости для всех токов, указанных в табл.2, формируя таким образом новую строку табл.2; затем по значению заданного тока разряда, для которого требуется определить остаточную приведенную емкость, устанавливают, между какими ближайшими по величине токами табл.2 он находится, и определяют величину остаточной приведенной емкости для этих двух ближайших токов, для чего от наибольшей разрядной приведенной емкости, соответствующей конечному разрядному приведенному напряжению для каждого из этих двух ближайших токов, между которыми находится заданный ток разряда, вычитают найденное значение приведенной разрядной емкости, соответствующее зафиксированному значению приведенного разрядного напряжения, а значение остаточной приведенной емкости для заданного тока разряда находят интерполяцией полученных двух остаточных приведенных емкостей по току.

Если же заданный разрядный ток, для которого требуется определить остаточную приведенную емкость, равен одному из основных токов разряда, указанных в табл. 2, то значение остаточной приведенной емкости для него определяют, как указано выше, только по данным этого столбца, основной ток которого равен заданному разрядному току.

Для учета влияния на величину остаточной приведенной емкости режима разряда СА до момента времени, на который требуется определить остаточную приведенную емкость, вычисляют средний ток разряда до указанного момента времени делением зафиксированной разрядной емкости в ампер-часах на время разряда СА в данном цикле в часах; если этот средний ток окажется по величине больше тока, для которого требуется определить остаточную приведенную емкость, то по табл. 3 находят формулу для вычисления коэффициента уменьшения остаточной емкости в этом случае следующим образом: находят среди основных токов разряда, записанных в числителе дроби, указанной после каждой из формул табл.3, ток, который в наименьшей мере отличается от вычисленного среднего тока разряда, а также находят среди основных токов, записанных в знаменателе этой дроби, ток, который в наименьшей мере отличается от заданного тока разряда, для которого требуется определить остаточную емкость. Полученная таким образом дробь определяет формулу, по которой вычисляют указанный выше коэффициент, для чего в эту формулу подставляют время разряда СА в данном цикле в часах, а если средний ток окажется равным или меньше тока, для которого требуется определить остаточную емкость, то указанный коэффициент принимают равным единице. После определения значения этого коэффициента на него умножают полученную выше остаточную емкость, уточняя ее.

Периодически, как это предусмотрено в прототипе, когда по правилам эксплуатации СА проводят лечебный цикл, определяют разрядную емкость на текущий момент времени для 20-часового разряда и вычисляют коэффициент изменения отдаваемой емкости СА, равный отношению полученной в последнем лечебном цикле разрядной емкости 20-часового разряда к разрядной емкости 20-часового разряда, полученной для данного СА на начальный момент эксплуатации и зафиксированной.

Фактическое значение остаточной приведенной емкости для заданного тока определяют умножением приведенной остаточной емкости, полученной указанным выше способом, на коэффициент изменения емкости в процессе эксплуатации.

Для определения остаточной разрядной емкости СА для заданного тока предварительно для аккумулятора такого типа в начале эксплуатации проводят циклы: полный заряд СА - разряд одним из основных применяемых режимов разряда (1-, 2-, 3-, 5-, 10-, 20-, 50-, 100-часовой) до конечного разрядного напряжения U_к с охватом такими циклами всех перечисленных основных режимов разряда, осуществляя в процессе разряда интегрирование тока разряда в функции времени разряда, измерение разрядного напряжения и температуры электролита.

Используя полученные в период разряда СА данные разрядной емкости, разрядного напряжения и температуры электролита при каждом измерении, определяют зависимость приведенного разрядного напряжения U_рпр в функции тока разряда I_р и приведенной отданной емкости С_рпр, для чего между каждыми соседними замерами вычисляют среднюю температуру электролита t^o_ср и отданную емкость ΔC_p, А-ч, за время Δt, час, прошедшее между каждыми двумя соседними замерами, приводят эту емкость к 30^oС интерполяцией данных табл.1 и суммированием вычисляют приведенное значение разрядной емкости на момент каждого из указанных измерений, т.е. вычисляют

Такая зависимость приведенного разрядного напряжения в функции тока разряда и приведенной разрядной емкости дана для одного из типов СА в табл.2, в которой значения разрядной приведенной емкости даны в процентах от номинальной емкости 50-часового разряда, а токи разряда определены длительностью разряда в соответствующем режиме, т.к. фактические значения емкости и токов разряда для разных типов СА различны. Эту таблицу запоминают и используют для определения остаточной емкости СА данного типа в течение всего срока его эксплуатации, запоминают также полную приведенную емкость 20-часового разряда для определения изменения полной разрядной емкости в процессе эксплуатации.

В случае необходимости определить остаточную емкость для заданного тока разряда фиксируют величину тока разряда I'_р, разрядной емкости С'_р и разрядного напряжения U'_р на данный момент времени, приводят зафиксированное разрядное напряжение U'_p к 30^oС по формуле (2) и значение U'_pпр фиксируют, затем определяют по величине зафиксированного тока разряда I'_p, между какими ближайшими по величине токами табл.2 он находится, после чего интерполяцией по току данных, указанных в столбцах табл.2, соответствующих этим двум ближайшим токам, рассчитывают дополнительный столбец табл.2 для зафиксированного тока разряда, а если зафиксированный ток разряда равен току одного из столбцов табл.2, то далее производят операции с данными именно этого столбца. Интерполируя данные рассчитанного дополнительного столбца, если зафиксированный разрядный ток не равен ни одному из основных токов разряда, указанных в табл.2, или интерполируя данные столбца табл.2, соответствующие основному току разряда, равному зафиксированному току разряда, по значениям разрядной приведенной емкости находят, какому значению приведенной разрядной емкости С'_рпр соответствует зафиксированное значение приведенного разрядного напряжения, после чего, интерполируя данные табл.2 по разрядной приведенной емкости, находят значения приведенного разрядного напряжения, соответствующие найденному значению приведенной разрядной емкости С'_рпр для всех токов, указанных в табл. 2, формируя таким образом новую строку табл.2. Затем по значению заданного тока разряда I_рзд, для которого требуется определить остаточную емкость, устанавливают, между какими ближайшими по величине токами табл. 2 он находится, и определяют величину остаточной емкости для этих двух ближайших токов, для чего от наибольшей разрядной приведенной емкости, соответствующей конечному разрядному приведенному напряжению для каждого из этих двух ближайших токов, между которыми находится заданный ток разряда I_pзд, вычитают найденное значение приведенной разрядной емкости С_рпр, соответствующее зафиксированному значению приведенного разрядного напряжения U'_рпр, a значение остаточной приведенной емкости для заданного тока разряда I_рзд находят интерполяцией полученных двух остаточных приведенных емкостей по току.

Если же заданный разрядный ток I_рзд, для которого требуется определить остаточную емкость, равен одному из основных токов разряда, указанных в табл. 2, то значение остаточной приведенной емкости для него определяют, как указано выше, только по данным этого столбца, основной ток которого равен заданному разрядному току I_pзд.

Для учета влияния на величину остаточной емкости режима разряда СА до момента времени, на который требуется определить остаточную приведенную емкость, вычисляют средний ток разряда I'_pсp до указанного момента времени делением зафиксированной разрядной емкости в ампер-часах С'_р на время разряда СА в данном цикле в часах t'_р, т.е. I'_pcp=C'_p:t'_p. Если I'_pcp окажется по величине больше I_рзд, то по табл.3 находят формулу для вычисления К_m,n - коэффициента уменьшения остаточной емкости в этом случае следующим образом: находят среди основных токов разряда, записанных в числителе дроби после каждой из формул табл.3, ток, который в наименьшей мере отличается от вычисленного среднего тока разряда I'_pcр, а также находят среди основных токов разряда, записанных в знаменателе дроби поcле каждой из формул табл.3, ток, который в наименьшей мере отличается от заданного тока разряда I_рзд, для которого требуется определить остаточную приведенную емкость. Полученная таким образом дробь определяет формулу, по которой вычисляют указанный коэффициент К_m,n, для чего в эту формулу подставляют время разряда СА в данном цикле в часах. После определения коэффициента К_m,n на него умножают полученную выше остаточную приведенную емкость для ее уточнения, т.е. вычисляют
С'_остпр=С_остпр•К_m,n, (3)
где С'_остпр - остаточная приведенная емкость для тока I_рзд, откорректированная с помощью коэффициента К_m,n, А-ч;
С_остпр - остаточная приведенная емкость для тока I_рзд, вычисленная по табл.2 без коррекции с помощью коэффициента К_{m, n}, А-ч;
K_m,n - коэффициент, учитывающий уменьшение остаточной емкости для тока I_рзд, если I'_рср>I_рзд, а если I'_рcр≤ I_рзд, то этот коэффициент принимают равным единице.

Периодически, когда по правилам эксплуатации СА проводят лечебный цикл, то определяют разрядную емкость на текущий момент времени при разряде током 20-часового режима и вычисляют коэффициент изменения отдаваемой емкости в процессе эксплуатации СА по формуле

Фактическое значение остаточной приведенной емкости для заданного тока I_рзд определяют умножением приведенной остаточной емкости С'_остпр на коэффициент β, а в случае, когда К_m,n=I, то на коэффициент β умножают остаточную приведенную емкость С_остпр, полученную по табл.2, при этом до проведения первого лечебного цикла принимают β=I.

Предложенный способ может быть реализован с помощью "Системы диагностирования свинцовой аккумуляторной батареи" (Л.4).

В табл.2 разрядная приведенная емкость СА С_pnp дана в процентах от номинальной емкости 50-часового разряда СА данного типа С_н50-ч, а ток разряда I_р в столбцах определен значением, которое устанавливается для каждого типа СА в соответствии с указанной длительностью разряда.

В табл. 3 после формулы записана дробь, числитель которой соответствует большему основному току разряда, а знаменатель соответствует меньшему основному току разряда; эти токи определяются режимом разряда (1-,2-,3-часовой и т. д. ), а также типом СА; в формулу для вычисления коэффициентов K_m,n указанные дроби не входят; t_p - длительность разряда до перехода на меньший ток разряда, час.

Источники информации
1. Притулюк В.А. Химические источники тока в авиации. - М., Воениздат, 1978.

2. Дасоян М.А., Агуф И.А. Современная теория свинцового аккумулятора. - Л., Энергия, 1975.

3. Патент РФ 2120156. Способ определения остаточной емкости свинцового аккумулятора /М.Д. Маслаков. - Опубл. 10.10.98, Бюл. 28.

4. А.с. 1783479 СССР. Система диагностирования свинцовой аккумуляторной батареи.

Реферат

Изобретение относится к способам определения остаточной емкости свинцового аккумулятора (СА) в любой момент его разряда. Согласно изобретению способ основан на предварительном определении для СА зависимости приведенного к 30^oС разрядного напряжения от приведенной к 30^oС разрядной емкости и тока разряда в основных разрядных режимах (1-, 2-, 3-, 5-, 10-, 20-, 50-, 100-часовом), используя которую, по величинам разрядного напряжения, тока разряда, отданной емкости и температуре электролита на момент, когда требуется определить остаточную емкость для заданного тока разряда, вычисляют ее и корректируют с помощью коэффициента изменения полной емкости СА в процессе эксплуатации, а также коэффициента уменьшения остаточной емкости при переходе с большего тока разряда на меньший. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения остаточной емкости СА. 3 табл.

Формула