Экспериментальное исследование характеристик опытного образца модуля зарядно-разрядного устройства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3.088.7

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА МОДУЛЯ ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОГО УСТРОЙСТВА

Е. А.Копылов*, Е. А. Мизрах, Д. К. Лобанов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Исследованы динамические характеристики модуля зарядно-разрядного устройства с нагрузочным преобразователем для ресурсных испытаний литий ионных аккумуляторов большой емкости для космических аппаратов.

Ключевые слова: литий-ионный аккумулятор, заряд-разряд, система управления, нагрузочный преобразователь, корректирующее устройство.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE CHARGE-DISCHARGE DEVICE MODULE PROTOTYPE

E. A. Kopylov*, E. A. Mizrakh, D. K. Lobanov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The charge-discharge device intended for spacecraft high capacity li-ion battery tests. Authors investigated dynamic characteristics of the charge-discharge device module with load converter.

Keywords: li-ion battery, charge-discharge, control system, load converter, correction element.

Для автоматизации электрических испытаний литий ионных аккумуляторов (ЛИА), в том числе ресурсных испытаний с динамическим стрессовым тестированием (ДСТ), авторами разработано зарядно-разрядное устройство с нагрузочным преобразователем (ЗРУ-НП) [1-6] с широтно-импульсным методом регулирования, которое благодаря оригинальной топологии НП [3-6], имеет следующие достоинства:

- возможность обеспечения требуемых значений атрибутов ДСТ ЛИА большой ёмкости;

- расширенный диапазон токов тестирования ЛИА (0,1 А - 160А).

На этапе проектирования был разработан и изготовлен опытный образец для оценки технических характеристик ЗРУ-НП. В ходе испытаний опытного образца исследовались статические и динамические характеристики ЗРУ-НП для оценки работоспособности и соответствия требованиям в режимах электрических испытаний ЛИА, включая ДСТ.

В режиме стабилизации тока и мощности заряда/разряда ЛИА ЗРУ-НП [1-6] представляет собой два взаимосвязанных контура управления: контура стабилизации входного тока/мощности и контура стабилизации входного напряжения мостового трансформаторного преобразователя (МТП).

Для получения переходных процессов в этих контурах использовалась схема эксперимента, представленная на рис. 1.

При проведении испытаний за положительное направление тока принято направление тока при заряде аккумулятора. На рис. 2 представлены переходные процессы напряжения СУМШ в контуре стабилизации напряжения МТП (верхний график) и тока аккумулятора 1а (нижний график): на рис. 2, а - при линейном увеличении разрядного тока от величины 1з = 20 А до 1з = 160 А, на рис. 2, б - при линейном увеличении разрядной мощности аккумулятора с величины Р3 = 3 Вт до Р3 = 640 Вт. В этих случаях скорость нарастания тока аккумулятора V = 350А/с. Развёртка канала напряжения СУМШ соответствует 5 В/дел и 80 А/дел для канала измерения тока 1а. развертка по времени - 100 мс/дел.

Из рис. 2, а, б видно, что отклонение тока от линейного характера незначительно, перерегулирование напряжения С/МШ не превышает 42 %.

На рис. 2, в представлены осциллограммы переходных процессов в контуре стабилизации СМТП и тока аккумулятора 1а при переключении из режима разряда током -50 А в режим заряда током 50 А с увеличенной скоростью нарастания тока до 1000 А/с. Развертка канала напряжения Сщтп соответствует 5 В/дел и 37 А/дел для канала измерения тока 1а. По времени развертка составляет 50 мс/дел.

Из рис. 2, в видно, что задержка при переключении из режима разряда в режим заряда не превышает 0,3 с, перерегулирование напряжения СМТП не превышает 42 %.

Системы управления, космическая навигация и связь

Рис. 1. Схема эксперимента для снятия переходных процессов по управлению

б

Рис. 2. Переходные процессы при линейном увеличении разрядного тока (а); переходные процессы при линейном увеличении разрядной мощности (б); переходные процессы при переключении

из режима разряда в режим заряда (в)

а

в

Заключение.

1. Электрические характеристики опытного образца ЗРУ-НП-РП соответствуют требованиям к ЗРУ, обеспечивающим полный спектр электрических испытаний (включая ресурсные) литий-ионных аккумуляторов большой емкости;

2. Проведенные эксперименты с опытным образцом модуля ЗРУ подтвердили правильность динамического синтеза корректирующих устройств контуров стабилизации атрибутов ЛИА и контура стабилизации входного напряжения МТП.

Библиографические ссылки

1. Пат. 123530 РФ, МПК в0Ш27/416. Устройство для испытания аккумуляторного элемента / Мизрах Е. А., Копылов Е. А., Нестеришин М. В., Козлов Р. В., Лобанов Д. К.; № 2012127508 ; заявл. 02.07.12. Опубл. 27.12.12.

2. Пат. 153595 РФ, МПК Н02М 3/335, Н02М 3/337, Н02М 3/28, Н02М 3/24. Преобразователь напряжения / Мизрах Е. А., Лобанов Д. К., Федченко А. С., Копылов Е. А.; № 2014147920 ; заявл. 27.11.14. Опубл. 30.06.15.

3. Static accuracy of the automated stand for lithiumion batteries testing / A. S. Fedchenko, E. A. Kopylov, D. K. Lobanov et al. // 18th Mediterranean Electrotechni-cal Conference (MELECON), 2016, April 18-20.

4. Study of a lithium-ion battery charge-discharge test unit characteristics / A. S. Fedchenko, E. A. Kopylov, D. K. Lobanov et al. // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 122 (2016). 2015. Doi: 10.1088 /1757- 899X/122/1/012015.

5. On the Static Accuracy of Charge-Discharge Units Intended for Electrical Tests of High Capacity Li-ion Batteries / E. A. Mizrah, D. K. Lobanov, E. A. Kopylov et al. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, International Siberian Conference Reshetnev Readings-2016. 2016. Doi: 10/1088/1757-899X/255/1/012016.

6. Fedchenko A. S., Kopylov E. A., Lobanov D. K. An automated charge-discharge unit for electrical tests of individual high capacity lithium-ion battery cells. 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21-23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP15794-CDR.

References

1. Mizrakh E. A., Kopylov E. A., Nesterishin M. V., Kozlov R. V., Lobanov D. K. Ustroystvo dlya ispytaniya akkumulyatornogo elementa. Patent RF, No. 123530, 2012.

2. Mizrakh E. A., Lobanov D. K., Fedchenko A. S., Kopylov E. A. Ustroystvo Preobrazovatel' napryazheniya. Patent RF, No. 153595, 2015.

3. Static accuracy of the automated stand for lithiumion batteries testing / A. S. Fedchenko, E. A. Kopylov, D. K. Lobanov et al. // 18th Mediterranean Electrotechni-cal Conference (MELECON), 2016, April 18-20

4. Study of a lithium-ion battery charge-discharge test unit characteristics / A. S. Fedchenko, E. A. Kopylov, D. K. Lobanov et al. // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 122 (2016). 2015. Doi: 10.1088 /1757- 899X/122/ 1/012015.

5. On the Static Accuracy of Charge-Discharge Units Intended for Electrical Tests of High Capacity Li-ion Batteries / E. A. Mizrah, D. K. Lobanov, E. A. Kopylov et al. // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering, International Siberian Conference Reshetnev Readings - 2016. 2016. Doi: 10/1088/1757-899X/255/1/012016.

6. Fedchenko A. S., Kopylov E. A., Lobanov D. K. An automated charge-discharge unit for electrical tests of individual high capacity lithium-ion battery cells. 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. Omsk : Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21-23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP15794-CDR. ISBN: 978-1-4799-7102-2.

© Копылов Е. А., Мизрах Е. А., Лобанов Д. К., 2018