Интеллектуальное устройство контроля режимов работы и подзаряда аккумуляторных батарей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316.722.9

А. Ю. Подчасов, Л. М. Погорелая

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И ПОДЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Разработано устройство, позволяющее контролировать степень заряженности батареи и отображать информацию о ее состоянии на световом индикаторе. При подключении устройства к внешнему источнику питания возможен контроль процесса заряда.

ВВЕДЕНИЕ

С каждым годом увеличивается производство и потребление аккумуляторных батарей и усиливается конкуренция между производителями за рынок сбыта. Завоевывать рынки сбыта и доверие потребителей можно только путем внедрения новых технологий, направленных на повышение качества и надежности батарей. Широкое распространение в последние годы получили необслуживаемые герметичные батареи. Однако эти батареи хотя и более качественны, но и более капризны: они требуют контроля многих параметров - тока, напряжения, температуры - в процессе заряда и разряда. Вследствие герметичности таких батарей определение состояния заряженности также представляет определенную проблему. Поэтому со стороны изготовителей предпринимаются попытки облегчить потребителю эксплуатацию таких батарей, для чего в корпус аккумуляторных батарей монтируются различные электронные устройства мониторинга степени заряженности, которые на основе определенных признаков могут управлять режимами работы или сигнализировать об их состоянии. Разработкой таких устройств («интеллектуальных») занимаются ведущие фирмы по производству аккумуляторных батарей. Фирма «MOTOROLA» выпустила ряд специализированных микросхем для контроля состояния батарей в процессе заряда и разряда [1]. Фирма «PHILIPS» разработала специализированную микросхему, которая следит за степенью заряженности батареи, а при подключении датчика температуры может отслеживать и температуру батареи [2]. В Украине также ведутся работы в этом направлении как на исследовательском, так и на производственном уровнях. Так, Харьковский аккумуляторный завод выпустил новый тип батарей с вмонтированным цифровым датчиком, собранном на основе микропроцессора, который позволяет измерять напряжения на клеммах батареи, контролировать правильность работы генератора для подзаряда батареи во время движения автомобиля, измерять количество запусков двигателя. Устройство

контроля состояния батареи было запатентовано работниками ИТСТ HAH Украины «Трансмаг» [3].

Однако все вышеперечисленные разработки имеют ограниченные функциональные возможности: они осуществляют либо контроль состояния батареи, либо сигнализируют о состоянии батареи, но никак не управляют самим процессом заряда. Отсюда следует необходимость в разработке такого устройства, которое совмещало бы в себе функциональные возможности и тех, и других устройств.

В данной работе предложена конкретная схемотехническая реализация устройства, которое осуществляет как контроль степени заряженности батареи с одновременной световой индикацией, так и при необходимости в автоматическом режиме подзарядку аккумуляторной батареи от внешнего источника напряжения.

1 МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ УСТРОЙСТВА

Как известно, о степени заряженности батареи принято судить по величине ее внутреннего сопротивления [4], которое представляет собой сумму целого ряда сопротивлений:

пер

(1)

где гэл - сопротивление электролита; га и гк - сопротивление положительного (анода) и отрицательного (катода) электродов; гсеп - сопротивление сепараторов; гпер -переходное сопротивление между электролитом и электродами; гпол - сопротивление поляризации. Однако основной вклад в величину внутреннего сопротивления аккумулятора вносит сопротивление электролита. Поэтому при оценке степени заряженности батареи по величине ее внутреннего сопротивления с достаточной степенью точности можно ограничиться первым слагаемым в выражении (1). В свою очередь сопротивление электролита является функцией температуры и плотности. При фиксированном значении плотности (например, 1,30 • 10-3кг/м3) изменение температуры от значения, соответствующего минимальному сопротивлению электролита, до минус 30 °С приводит к росту сопротивления электролита в девять раз. Зависимость сопротивления электролита от плотности носит экспоненциальный характер, приближаясь к своему минимальному значению при плотности 1,22 • 10-3кг/м3

r = r

вн эл

А. Ю. Подчасов, Л. М. Погорелая: ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И ПОДЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

(при фиксированной температуре 15 °С), рис. 1. К концу нормального разряда, то есть 100 %-го разряда первоначально полностью заряженной батареи, происходит увеличение внутреннего сопротивления батареи примерно в два раза.

r, Ом

2 х10-

0,9 xir

1,180 1,190 1,200 1,210 1,220 р, кг/м

Рисунок 1 - Зависимость сопротивления электролита от плотности электролита

Поскольку внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи имеет малую величину, порядка нескольких тысячных долей ома, и, кроме того, батарея герметична, прямое измерение внутреннего сопротивления связано с определенными трудностями, и поэтому его значение определяют расчетным путем.

Полное внутреннее сопротивление аккумулятора при разряде Гр и заряде гз в соответствии с законом Ома можно определить по формулам:

r —

р

eo-UP,

U - En

(2)

(3)

где Ео - равновесная ЭДС (Ео = (0, 84 + рэ) х п [5]; рэ - плотность электролита; п - количество аккумуляторов в батарее); Из, Ир - напряжение на полюсных выводах батареи соответственно при заряде и разряде; Iз , 1р - соответственно зарядный и разрядный токи.

В результате заряда увеличивается электропроводность активных масс и электролита, вследствие чего внутреннее омическое сопротивление аккумулятора уменьшается, при разряде, наоборот сопротивление активных масс и электролита возрастает, а следовательно, возрастает полное внутреннее сопротивление батареи. При фиксированной температуре зависимость степени заряженности батареи от величины ее внутреннего сопротивления с достаточной точностью повторяет зависимость внутреннего сопротивления от величины плотности электролита, то есть является экспоненциальной.

2 ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ

«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ» БАТАРЕИ

Изложенный подход лег в основу разработки и изготовления устройства, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.

Особенностью разработанного нами устройства является то, что заряд батареи осуществляется пульсирующим током в две ступени, а в промежутках между импульсами заряда на батарею подается разрядный импульс. Такая последовательность импульсов нужна для того, чтобы адекватно судить о внутреннем сопротивлении (электропроводности) аккумуляторной батареи, а следовательно, и о степени заряженности. Как следует из выражения (2), по падению напряжения на выводах батареи при разряде можно судить о степени заряженности батареи. Чем меньше падение напряжения на выводах батареи при одном и том же токе разряда, тем меньше внутреннее сопротивление батареи, то есть выше степень ее заряженности.

Устройство имеет четыре внешних вывода: два вывода для подключения к полюсным выводам батареи и два вывода для подключения к внешнему источнику питания. Контроль состояния батареи осуществляется, когда устройство постоянно подключено к клеммам батареи. Каждая ступень заряда и состояние батареи характеризуется своей световой индикацией (различный цвет и разная частота мигания). Если устройство отключено от внешнего источника питания, частота мигания светового индикатора соответствует 10 Гц, если подключено - частота мигания снижается до 1 Гц. За смену частоты мигания индикатора отвечают два мультивибратора, собранные на микросхемах DD5, DD6. Силовая часть устройства, через которую протекает зарядный ток, собрана на параллельно включенных транзисторах VT2, VT3, в цепи эмиттеров этих транзисторов включены резисторы, ограничивающие зарядный ток. Разрядная часть собрана на транзисторе VT5, в цепь коллектора которого также включен ограничивающий ток резистор.

Измерение напряжения происходит в конце импульса разряда. В этот момент напряжение на клеммах батареи сравнивается с опорным напряжением. И в зависимости от величины напряжения на клеммах изменяется состояние компараторов, собранных на микросхеме DA1. Соответствующее состояние компаратора по переднему фронту импульса заряда переписывается в триггер DD3. Дальнейшая работа устройства зависит от записи, сделанной в триггеры: батарея будет включена на заряд то ли на одну ступень, то ли на две.

Все возможные режимы работы устройства приведены на рис. 3.

Если напряжение на батарее под нагрузкой снизилось ниже 12,0 В, компараторы DA1 (выходы 7, 8) устанавливаются в «единичное» состояние. По первому

3

I

p

гз -

Рисунок 2 - Принципиальная схема устройства оценки состояния и подзарядки батарей

импульсу в триггер ББ3.1 записывается первая «единица», по второму импульсу в триггер ББ3.2 записывается вторая «единица». Переход триггеров в единичное состояние вызывает включение максимального тока заряда, рис. 3 (ж, з). Этот режим характеризуется мигающим красным светом индикатора УБ2. Заряд максимальным током продолжается до тех пор, пока под нагрузкой напряжение на клеммах батареи не достигнет величины 12,0 В.

По достижении напряжения на нагруженной батарее 12,0 В в триггер ББ3.1 запишется «ноль», и такое состояние триггера вызовет переключение тока заряда - он уменьшится в два раза. При этом цвет мигания сменится с красного на оранжевый за счет поочередного включения красного и зеленого индикаторов У01, У02.

Весь процесс заряда заканчивается после того, как напряжение на батарее под нагрузкой установится на уровне не ниже 12,8 В, о чем проинформирует мигание зеленым цветом индикатора УБ1. Процесс заряда будет автоматически возобновляться, как только напряжение на батарее вновь снизится ниже 12,8 В, при условии подключения устройства к внешнему источнику питания.

Состоянием триггеров ББ3, ББ4 управляет дешифратор ББ2, на выходе которого поочередно появляются импульсы управления, рис. 3 (б-е). Импульсы управления дешифратора ББ2 с выходов 3 и 14 включают ток заряда, с выхода 6 выключает тока заряда, с выходов 4 и 9 включают и выключают ток разряда. Все интервалы времени, в том числе времена заряда и разряда, определяются задающим генератором, собранным на операционном усилителе БА 1.4. Конструктивно данное устройство может быть вмонтировано в крышку моноблока батареи (рис. 4, а) в соответствии со схемой, приведенной на рис. 4, б.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, разработанное импульсное зарядное устройство позволяет по измеренным значениям тока и напряжения на клеммах батареи при каждом импульсе разряда оценивать величину полного внутреннего сопротивления батареи гвн, а следовательно, состояние батареи и в соответствии с текущим состоянием при необходимости автоматически производить подзаряд батареи.

А. Ю. Подчасов, Л. М. Погорелая: ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И ПОДЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

БЛ1 вых 14

и, В

а)

ББ2 вых 3 И, В Л

п

ББ2 вых И, В Л

14

в)

ББ2 вых 1 И, В Д

л

л

г)

ББ2 вых 6

И, В

а

д)

ББ2 вых 9 И, В / |

п

е)

ББ3 вых 1 И, В Д

заряд

заряд

ж)

ББ3 вых 13 И, В

заряд

з)

ББ4

вых 2

разряд

разряд

и)

I, Л

_Н

К

к)

Рисунок 3 - Схема режимов работы импульсного зарядного устройства

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Устройство контроля и

д Л подзаряда батареи

а)

1 - полюсные выводы батареи «+» и «-», 2 - аккумуляторная батарея, 3 - устройство контроля режимов работы и подзаряда батареи, 4 - выводы для подключения к внешнему источнику питания

б)

Рисунок 4 - Схема подключения импульсного зарядного устройства к аккумуляторной батарее

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Иванов В. С., Панфилов Д. И. Компоненты силовой электроники фирмы «MOTOROLA». - М.: ДОДЭКА, 1998. - 144 с.

2. Голутвин В. Зарядное устройство для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов на микросхеме ТЕА 1101. - Радио. -№ 6. - 2003. - С. 25-26.

3. Пат. УкраТни № 57983 МПК H01M10/44, H02J7/16. Пристрш для обмеження розрядки i тдзарядки акуму-ляторноТ батареТ / В. О. Дзензерський, i. i. Соколовсь-кий, С. В. Плаксш, Ю. В. Шкiль. - БИ № 7. -15.07.2003.

4. Вайлов А. М., Эйгель Ф. И. Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей. М.: Связь, 1975. - 152 с.

5. Дасоян М. А., Курзунов Н. И., Тютрюмов О. С., Ягня-тинский В. М. Стартерные аккумуляторные батареи: Устройство, эксплуатация и ремонт. - М.: Транспорт, 1991. - 255 с.

Надшшла 15.09.04 Шсля доробки 26.04.05

Розроблений npucmpiu, що дозволяе контролювати стутнъ заpядженоcmi батареЧ i вiдобpажаmи iнфоpмацiю про 'i'i стан на свтловому iндикаmоpi. npu тдключент npucmpою до зовтшнъого джеpела живлення можливий конmpолъ npоцесу заpяду.

The device allowing to control the degree of charging of battery and represent information about its state on a light indicator is developed. At connecting of device to the outsourcing of supply the control of process of charge is possible.

УДК 621.396.96.01

В. П. Прокофьев

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЛС НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ СТОХАСТИЧЕСКОЙ АППРОКСИМАЦИИ

Предложено новое решение задачи технико-экономического проектирования РЛС на основе теории стохастической аппроксимации, ранее не применявшейся в подобной постановке. Показано, что прямые вероятностные методы стохастического программирования эффективны в решении практических задач технико-экономического проектирования РЛС. Получены алгоритмы, на основе методов конечно-разностной аппроксимации и невыпуклого стохастического программирования, позволяющие перейти к решению конкретных задач проектирования сложных радиолокационных систем.

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей в вопросе построения РЛС различных классов является обеспечение тактико-тех-

нических требований, заданных заказчиком. При этом выбор конкретных решений в существенной степени зависит от опыта разработчиков, таланта и интуиции главного конструктора, т. е. достаточно субъективных факторов.

Анализ ситуации, сложившейся в вопросах проектирования РЛС, показывает, что при проектировании еще в недостаточной степени используются возможности оптимизационных методов. Особенно остро этот недостаток проявляется на этапах системного проектирования. Именно они имеют ключевое значение для формирования структуры РЛС, особенно таких сложных как РЛС противоракетной обороны, РЛС проти-вокосмической обороны, загоризонтные РЛС и, в конечном счете, для достижения требуемых тактико-