CC BY
60
УДК 621.315
В.Н. Осколков, И.В. Сивков, Ю.Н. Ширяев
Пермский государственный технический университет
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕМКОСТИ АККУМУЛЯТОРОВ
Рассмотрен метод автоматизации процесса определения емкости аккумулятора, и на основе этого разработан блок для автоматического определения емкости широко распространенного аккумулятора на современной элементной базе с описанием функциональной, принципиальной схем и принципа работы.
Аккумуляторы широко применяются в технике, особенно кислотные для комплектации автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Они служат для пуска двигателя и для буферного питания электрооборудования автомобиля. К сожалению, аккумуляторы имеют ограниченный срок службы (от 3 до 7 лет). Особенно сокращают срок службы аккумуляторов неправильная эксплуатация (использование разряженного аккумулятора из-за несвоевременной зарядки и длительный перезаряд в процессе его зарядки).
Критерием замены аккумулятора на автомобиле является величина его остаточной емкости: обычно менее 50 % зимой и менее 25 % летом [1].
Способами определения емкости аккумулятора являются: измерение напряжения аккумулятора, испытание нагрузочной вилкой и измерение плотности электролита. Все это экспресс-способы, и они не обладают достаточной точностью и достоверностью результатов.
Самым точным способом определения емкости аккумуляторов является способ разряда полностью заряженного аккумулятора током определенной величины до определенного напряжения на зажимах аккумулятора. Обычно применяют режим 10-часового разряда, т. е. током 1/10 номинальной емкости аккумулятора и 20-часового разряда как более точного, но и более трудоемкого. Обычно эту операцию называют «формовкой» и руководства по эксплуатации рекомендуют проводить для ее новых аккумуляторов [2-3].
Недостатком проведения операции «формовка» является необходимость постоянного присутствия исполнителя для отслеживания моментов окончания заряда аккумулятора и особенно момента разряда аккумулятора и вовремя переключать режимы.
Процесс определения емкости аккумулятора с использованием операции «формовка» может быть автоматизирован. Сначала аккумулятор заряжается до верхнего предельного значения напряжения, затем разряжается нормированным током до нижнего предельного значения. Произведение времени разряда на нормированный ток и даст емкость аккумулятора. И сразу же аккумулятор полностью заряжается.
В целях автоматизации процесса определения емкости аккумулятора разработано устройство для широко применяемого в автомобилях 12-вольтового аккумулятора емкостью 55 А-ч.
Блок выполняет следующие функции.
1. Полную зарядку аккумулятора сначала стабилизированным током, затем нестабилизированным током до напряжения, регламентированного инструкцией по эксплуатации (14,8 В).
2. Разрядку током 10- или 20-часового разряда, значение выбирается вначале, до минимального предельного значения напряжения на выводах аккумулятора, разрешенного инструкцией по эксплуатации (10,2 В).
3. Вычисление емкости аккумулятора.
4. Отображение результата (величины емкости) на табло отображения информации.
5. Повторную полную зарядку аккумулятора и отключение зарядного тока.
6. Отображение всех предыдущих этапов устройствами индикации.
Функциональная схема устройства содержит (рис. 1):
1 - адаптер первичного питания;
2 - выпрямитель;
3 - фильтр;
4 - преобразователь напряжения;
5 - ключ 1 для переключения стабилизатора тока;
6 - стабилизатор тока;
7 - ключ 2 для включения нагрузки;
8 - нагрузка;
9 - устройство управления;
10 - устройство отображения.
Устройство управления реализует следующие режимы.
1. Заряд. В этом режиме устройство управления измеряет напряжение на клеммах аккумулятора, и если оно ниже 13,8 В, включается ключ 1 и происходит заряд стабилизированным током. При достижении напряжения 13,8 В устройство управления отключает стабилизатор тока ключом 1, и ток в цепи будет постепенно падать из-за растущего напряжения на аккумуляторе, происходит заряд аккумуляторной батареи нестабилизированным током. При достижении напряжения 14,8 В устройство управления выключает всю схему, и процесс прекращается.
Рис. 1. Функциональная схема устройства
2. Формовка. В этом режиме устройство управления заряжает аккумулятор как в режиме «заряд» до значения 14,8 В. После чего выключает схему заряда и включает нагрузку ключом 2. Аккумулятор разряжается нормированным током до напряжения 10,2 В. Устройство управления выведет на дисплей (устройство отображения) значение емкости аккумулятора и снова включит схему на заряд аккумулятора. При достижении напряжения 14,8 В устройство управления выключит всю схему.
Принципиальная электрическая схема приведена на рис. 2.
Работа устройства. При нажатии кнопки $Ж2 (формовка) и кнопки $Ж4 (пуск) контроллер измерит напряжение на аккумуляторе, и если оно окажется ниже 14,8 В, то начнется процесс зарядки аккумулятора (на дисплей выведется надпись «ЗАР») стабилизированным током (микроконтроллер включит реле К1, остальные реле останутся в начальных положениях). Каждые 5 минут микроконтроллер
будет выключать реле КЗ и измерять напряжение на аккумуляторе. При достижении напряжения 13,8 В, микроконтроллер переключит контакты реле К2 и аккумулятор будет заряжаться нестабилизирован-ным током. При достижении напряжения 14,8 В, микроконтроллер выключит реле К1, включит реле К4 и таймер. В результате аккумулятор будет постепенно разряжаться на нагрузку (для 20-часового режима разряда лампа 12 В х 35 Вт, на дисплей выведется надпись «РАЗ»). Микроконтроллер будет периодически измерять напряжение на аккумуляторе, и когда оно достигнет 10,2 В, микроконтроллер снова включит реле К1, выключит реле К4, а реле К2 вернет в первоначальное состояние. Остановит таймер, время разряда перемножит на ток разряда и выведет на дисплей значение емкости аккумулятора (на дисплее будут отображаться поочередно надпись «ЗАР» и значение емкости аккумулятора). Повторная зарядка будет осуществляться в обычном режиме до напряжения 14,8 В, после чего на дисплее будет поочередно отображаться емкость аккумулятора и надпись «ЕЛ®».
тошяЯб! ^
Д206 / \ МС78Ю0
НО
СА04-41Бт
Рис. 2. Схема принципиальная электрическая
При нажатии кнопки SW3 (зарядка) и кнопки SW4 (пуск) начнется процесс зарядки в обычном режиме до напряжения 14,8 В, после чего на дисплее будет отображаться надпись «END».
Блок выполнен на широко применяемой современной базе со следующими элементами: трансформатор на сердечнике из трансформаторной стали с частотой преобразования 1 кГц; транзисторы VT1 - КТ808АМ, VT2-VT5 - КТ378А1, VT6 и VT7 - 2Т887А; реле типа TRV-бVDС-SC-CD; микроконтроллер - AT90S8515.
Конструктивно блок выполнен в одном металлическом корпусе с возможностью подключения к первичной сети и аккумуляторной батарее, имеет современный дизайн, отвечает требованиям электро-и пожаробезопасности, технологичен в изготовлении и имеет приемлемую стоимость.
Блок может использоваться для нужд организаций, эксплуатирующих автомобильный транспорт, автолюбителей и пользователей аккумуляторов через розничную продажу. Также блок может применяться для исследования влияния различных внешних и внутренних факторов (температуры, плотности электролита и т.д.) на емкость аккумулятора, так как автоматизация процесса определения емкости аккумулятора практически исключает человеческий фактор - ошибки пользователя.
По принципам, по которым разработан блок, могут быть разработаны блоки для автоматического определения емкости аккумуляторов с другими параметрами или универсальные блоки на группу аккумуляторов с близкими параметрами (6 В, 24 В с различной номинальной емкостью).
Библиографический список
1. Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные. Инструкция по эксплуатации ФЯ0.355.009 ИЭ.
2. Алексеенко В. Н. Заряд и формовка аккумуляторных батарей асимметричным током // Ленинградская промышленность. - 1962. - № 6.
3. Митрофанов А. В. Импульсные источники вторичного электропитания в бытовой радиоаппаратуре. - М.: Радио и связь, 1985.
Получено 08.07.2009
