CC BY
863
УДК 621.355.2
Д. П. ЧУПИН
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Проведены исследования внутреннего сопротивления и резонансной частоты аккумуляторных батарей. Результаты исследования представлены в виде графиков, к ним подобраны аппроксимирующие кривые. Подтверждены гипотезы о возможности применения в качестве диагностических параметров внутреннего сопротивления и резонансной частоты.
Ключевые слова: аккумуляторная батарея, оперативная диагностика, внутреннее сопротивление, резонансная частота, емкость.
Введение. В настоящее время аккумуляторы и аккумуляторные батареи (АБ) широко применяются в различных сферах нашей жизни. Источники питания портативных устройств, стартерные батареи в автотранспорте, источники бесперебойного питания. В любой сфере применения АБ немаловажно иметь оперативную информацию о ее состоянии.
Основным эксплуатационным показателем АБ является ее резервная емкость (время разряда аккумулятора до определенного напряжения, фиксированным током; для автомобильных 12 В АБ до 10,5 В при токе нагрузки 25 А). Сегодня единственный способ определения резервной емкости — это разряд батареи. Однако эта процедура занимает много времени (от 30 до 300 мин в зависимости от емкости АБ), и требует отключения объекта диагностики от цепей, которые он питает.
Для оперативной же диагностики аккумуляторов и аккумуляторных батарей используются специальные приборы, которые называются анализаторами АБ. Принцип действия большинства современных анализаторов основан на измерении внутреннего сопротивления АБ на переменном токе (чаще всего на частоте 1000 Гц). При этом считается, что внутреннее сопротивление является диагностическим параметром, который хорошо коррелируется с резервной емкостью АБ и который может быть быстро (всего за 10 — 20 с) измерен.
В ходе исследований также было предложено применение другого параметра АБ — резонансной частоты. Предполагается, что диагностика будет основана на совместном использовании значений внутреннего сопротивления и резонансной частоты АБ, что будет способствовать более достоверному прогнозированию ее емкости.
Методика эксперимента. В ходе исследований были произведены измерения активного Ща) и реактивного Щх) сопротивлений батарей различных типов. Измерения проводились анализатором электрохимических источников питания AEA-30V, разработанным ООО «Фирма «Алекто-Электроникс».
Измерения производились переменным током, для исключения искажения результатов измерения поляризацией аккумуляторных батарей. Анализатор позволяет получить значения Rа и Rx на 4х различных частотах за одно измерение. Диапазон частот тестового сигнала 20—1000Гц. К измеряемой батарее анализатор подключается по 4-проводной схеме. Измерительные щупы анализатора экранированы.
Исследования проводились на свинцово-кислотных аккумуляторных батареях напряжением 12 В с различными заявленными емкостями С:ю (режим 20-часового разряда). Из них 6 АБ типоразмера 38В19 ^ и R-полярности) с заявленной емкостью С20=35 Ач (резервная емкость RC = 52 мин); 16 АБ типоразмера 55В24 ^/Щ, С20 = 45 Ач ^с=80 мин); 17 АБ - 80D26 ^/Щ, С20 =65 Ач ^с=133 мин); 8 АБ - 105В31 ^/Щ, С00 = 90 Ач ^с=165 мин); 5 АБ-FG20722, С20 = 7,2 Ач; 4 АБ-12иМТВ160, С20= 160 Ач. Все выбранные батареи поступали со склада, после хранения.
Измерения проводились на частотах двух диапазонов: 20-250 Гц с шагом 5 Гц и 500-1000 Гц с шагом 50 Гц. Все батареи измерялись на обоих диапазонах по очереди после хранения, после разряда и после заряда на оборудовании «Реаниматор» ООО «Фирма «Алекто-Электроникс». В ходе разряда измерялась резервная емкость Rс АБ. Для чего каждую батарею разряжали постоянным током 25 А и измеряли время, за которое напряжение батареи упадет до 10,5 В.
Из полученных данных о реактивном сопротивлении определены резонансные частоты АБ, путем соотношения значений сопротивления с частотами, на которых они были измерены. Частота, соответствующая нулевому значению реактивного сопротивления, — резонансная.
Экспериментальные результаты и их обсуждение. Для качественной диагностики аккумуляторной батареи необходимо знание ее электрической эквивалентной схемы.
В [1] был предложен вариант эквивалентной схемы АБ (рис. 1).
Она содержит: Е0 — э.д.с. АБ; R0 — активное сопротивление АБ; С0 — собственная емкость АБ; RS — сопротивление проводников и контактов; Ry — сопротивление утечки; Ск — выходная емкость АБ (емкость между полюсами); L0 — индуктивность, учитывающая свойства электрохимической системы и соединительных шин АБ; Б1, Б2 — выводы АБ.
Так как влияние элементов RS, Ry и Ск пренебрежимо мало, эквивалентную схему (рис. 1) можно упростить до схемы, соответствующей последовательному колебательному контуру (рис. 2).
Как известно, резонансная частота последовательного контура равна
-/£■00)
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
*
Рис. 1. Электрическая эквивалентная схема АБ
Рис. 2. Упрощенная эквивалентная схема АБ
Ргег(С20)
ІЧапк 13 Едп 54 у~1=а+Ьх05 г2=0.98073125 йР Асі] г2=0.98071699 РИЭМЕгг=21.047457 Рєіаі=137626.84 а=-0.00083292825 Ь=0.00084322394
С20, АЬ
Рис. 3. Аппроксимация зависимости резонансной частоты от емкости АБ уравнением (1)
где L0 и С0 — соответственно индуктивность и емкость контура. Что соответствует алгебраическому уравнению
где а1 = 0; Ь =^Ъ0 = сопя1 .
Согласно выражению (1), резонансная частота FIz зависит от значения собственной емкости С0 АБ. Как показали исследования, этому уравнению подчиняется и зависимость частоты Frez от емкости С20. Аппроксимация этой зависимости представлена на рис. 3.
Видно, что полученные данные в целом подчиняются уравнению (1). Это подтверждает возможность упрощения эквивалентной схемы АБ до схемы, соответствующей последовательному колебательному контуру (рис. 2), а также то, что заявленная емкость С00 АБ коррелирует с собственной емкостью С0 эквивалентной схемы. Это не случайно, ведь оба параметра определяются конструкцией батареи (размерами и количеством электродов, особенностями электрохимической системы).
Исследования внутреннего сопротивления АБ подтвердили гипотезу о его корреляции с емкостью. Путем сопоставления значений сопротивления и заявленной емкости С20 АБ и их последующей аппроксимации была получена зависимость (рис. 4).
Уравнение этой зависимости имеет вид
*а=а2 + г£-, (2)
1П^20
где Ra — внутреннее сопротивление АБ; а2 и Ь2 — коэффициенты алгебраического уравнения (2).
Сопоставление и аппроксимация значений внутреннего сопротивления с резервной емкостью Rc АБ представлена на рис. 5.
Уравнение этой зависимости имеет вид
«3)
где а3 и Ъ3 — коэффициенты алгебраического уравнения (3); Rc — резервная емкость АБ.
Из представленных выше данных можно сделать вывод о том, что внутреннее сопротивление АБ позволяет с некоторой точностью прогнозировать ее емкость. При этом значение номинальной емкости С20 несет информацию о потенциальной емкости (заряженной батареи), конструктивных особенностях и возможных дефектах АБ. Резервная же емкость Rc позволяет спрогнозировать текущий остаточный запас энергии, которым обладает батарея [2].
Опираясь на вышеизложенные результаты исследований, было предложено рассмотреть совместное распределение активного сопротивления и резонансной частоты АБ с целью выявления их корреляции с емкостями С20. По результатам исследований получена зависимость сопротивления от частоты (рис. 6).
Обработка этой зависимости показала, что ближайшим простым ее описанием является линейное уравнение
R = a4 + b■F , (4)
а 4 4 rez '
где а4 и Ь4 — коэффициенты алгебраического уравнения (4).
Физический смысл полученной зависимости (рис. 6) состоит в том, что она характеризует рас-
30
25
20
Е О Е 15
со
СП
10
Ка(С20)
1Чапк 1 Едп 14 у=а+Ь/1пх
г2=0.92779558 Ас1] г2=0.92773772 FitStdElT=0.70158654 Рз1а1=32085.37 а=-10.677837 Ь=70.231418
1-.|.
1 —
0 50 100 150
30
25
20
Е О 15 Е
СО IГ.
10
5
О
С20, АЬ
Рис. 4. Аппроксимация зависимости внутреннего сопротивления АБ от емкости C20
Р^а(Кс)
Капк 3 Едп 15 у=а+Ь/х0-5
г2=0.87183928 ОР Ас!] г2=0 87173122 Рй31с1Е|Т=0.63542155 Рб1а1=16142.814 а=0.77970426 Ь=43.550409
151
12.5-..
Е 10
О
Е
И -7 С
а: 7.5
2.5 ^
'I 3 н.
1 V Ц|: ?
^— — п
0 1С ю 200 зс 0 40
15
12.5
О
Е
гтш
Рис. 5. Аппроксимация зависимости внутреннего сопротивления АБ от резервной емкости Rc
Ка(Ргег)
Капк 2 Едп 1 у=а+Ьх
г2=0.95605303 РР Ас1] г2=0.95602051 РШс1Е|Т=1 .4670695 Рб1а1=58824.695 а=-1.2710335 Ь=0.045128857
.
.. • ■ 1
- - ^
0 200 400 600 800
Ргег, Нг
Рис. 6. Зависимость внутреннего сопротивления от резонансной частоты АБ
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
*
Ра(Ргег)
Капк 2 Едп 1 у=а+Ьх г2=0.96787304 РР А(1] г2=0.96784495 РйЭМЕгМ.385125 Рз(а1=68929.452 а=-0.59030771 Ь=0.04426122
45
35 30
25 О 20 со 15 10
5 0
0 200 400 600 800
Frez1 Нг
Рис. 7. Зависимость внутреннего сопротивления от резонансной частоты АБ
Рис. 8. Значения частот и сопротивлений АБ в разных состояниях
пределение батарей по величине их емкостей С20. Так, в левом нижнем углу графика располагаются АБ с наибольшей емкостью (160 Ач), в правом верхнем — АБ с наименьшей емкостью (7,2 Ач). Между крайними значениями расположились батареи с промежуточными емкостями по убыванию слева на право. Для каждого значения емкости можно выделить определенный отрезок кривой, которому будут соответствовать определенные диапазоны частоты и внутреннего сопротивления [3].
Физический смысл зависимости (рис. 6) подтверждается данными полученными при измерении сопротивлений и резонансных частот тех же АБ после цикла заряда на оборудовании «Реаниматор» ООО «Фирма «Алекто-Электроникс» (рис. 7).
Зависимости (рис. 7) и (рис. 6) подчиняются линейному уравнению и имеют одинаковый наклон к оси абсцисс ((рис. 6) Ь4 = 0,45; (рис. 7) Ь4 =0,44). Однако распределение точек по этим зависимостям несколько различно. Так, на рис. 6 (АБ после хранения) основная группа АБ (область слева внизу) находится в диапазоне резонансных частот 80 — 260 Гц и реактивных сопротивлений 4—12 мОм. А на рис. 7 (АБ после заряда) та же группа батарей уже занимает диапазон частот 80— 190 Гц и сопротивлений — 3 — 7 мОм, то есть сместилась влево-вниз. Это обусловлено тем, что особый алгоритм заряда оборудования «Реаниматор» позволяет избавиться от сульфатации (образований на электродах батарей крупных кристаллов диэлектрика — сульфата свинца).
В процессе хранения батарея подвержена саморазряду и сульфатации, что изменяет свойства ее электрохимической системы (увеличивается внутреннее сопротивление, снижается собственная емкость). Заряд же восстанавливает собственную емкость АБ и уменьшает внутреннее сопротивление.
Соотношения значений резонансной частоты и внутреннего сопротивления различных типов АБ после хранения, разряда и заряда представлены на рис. 8.
Вышеизложенные данные позволяют сделать вывод о том, что внутреннее сопротивление и резонансная частота могут служить диагностическими параметрами АБ. Применяя различные функции обработки значений Ra и FIz можно получить информацию о конструктивных особенностях, возможных дефектах АБ и спрогнозировать остаточный запас энергии батареи.
Материалы исследования получены в рамках выполнения государственного контракта № 16.516.11.6091 по теме: «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области разработки и создания оборудования для диагностики и эксплуатации энергетического оборудования».
Библиографический список
1. Чупин, Д. П. Резонансный метод измерения внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей / Д. П. Чупин // Электроэнергетика и приборостроение: современное состояние, перспективы развития и подготовка кадров : материалы
Междунар. науч.-практ. конф. Т. 1. — Петропавловск : СКГУ им. М. Козыбаева, 2011. — С. 61 — 63.
2. Чупин, Д. П. Методы диагностики аккумуляторных батарей / Д. П. Чупин // Измерение, контроль, информатизация : материалы Тринадцатой междунар. науч.-техн. конф. Т. 1. — Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2012. — С. 164— 168.
3. Кликушин, Ю. Н. Метод оперативной оценки емкости аккумуляторных батарей / Ю. Н. Кликушин, Д. П. Чупин // Измерение, контроль, информатизация : материалы Тринадцатой междунар. науч.-техн. конф. Т. 1. — Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2012. - С. 158-161.
4. Атабеков, Г. И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи. В 2 ч. Ч. 1 / Г. И. Атабеков. — 5-е изд. — М. : Энергия, 1978. — 522 с.
Информация
621.396.6/Г61
Головицына, М. В. Проектирование радиоэлектронных средств на основе современных информационных технологий [Текст] : учеб. пособие для вузов по специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств», направления 210200 «Проектирование и технология электронных средств» / М. В. Головицына. - М. : БИНОМ. Лаб. знаний ; М. : Интернет-Ун-т информ. технологий, 2011. - 502, [1] с. : рис., табл. - (Основы информационных технологий).
В учебном пособии рассмотрены общие принципы и методология информационных технологий применительно ко всем этапам жизненного цикла радиоэлектронных средств.
621.382/В19
Васильев, А. Г. СВЧ-транзисторы на широкозонных полупроводниках [Текст] : учеб. пособие для вузов по направлению подгот. 210100 «Электроника и наноэлектроника» / А. Г. Васильев, Ю. В. Колковский, Ю. А. Концевой. - М. : Техносфера, 2011. - 253 с.
Книга представляет собой учебное пособие по физическим основам и технологии транзисторов на широкозонных полупроводниках. Рассмотрены свойства двумерного электронного газа и физика гетеропереходов, в основном типа AIGaN/GaN. Дан обзор структур транзисторов на основе широкозонного полупроводника GaN. Рассмотрены структуры транзисторов на алмазе и карбиде кремния. Рассмотрены свойства подложек из сапфира, карбида кремния и других материалов, применяющихся для создания гетероструктур. Детально проанализированы методы изготовления гетеропереходов при использовании эпитаксии из металло-орга-нических соединений и молекулярно-лучевой эпитаксии. Рассмотрены требования к оммическим контактам и барьерам Шоттки, при использовании которых создаются гетероэпитаксиальные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов в канале (НЕМТ). Рассмотрена технология транзисторов на алмазе. Дан детальный обзор методов контроля технологических процессов, применяющихся при изготовлении транзисторов. Рассмотрены методы измерения основных параметров СВЧ-транзисторов и методы контроля надежности транзисторов.
621.38/К96
Куэй, Р. Электроника на основе нитрида галлия [Текст] / Р. Куэй ; под ред. А. Г. Васильева ; пер. с англ. Ю. А. Концевого, Е. А. Митрофанова. - М. : Техносфера, 2011. - 587 с. : рис., табл. - (Мир радиоэлектроники).
В издании представлен широкий круг вопросов, связанных с выбором подложек для гетероэпитаксии, с методами изготовления гетероэпитаксиальных структур, с технологией транзисторов на этих структурах. Рассмотрены материалы, приборы, много типов транзисторов, способных работать в различных диапазонах сверхвысоких частот. Рассматриваются схемы, создаваемые на этих транзисторах. Особое внимание уделяется вопросам надежности СВЧ-транзисторов на основе нитрида галлия. Книга представляет интерес для студентов, аспирантов, инженеров, разработчиков приборов и аппаратуры.
5. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. В 2 ч. Ч. 1 / Л. А. Бессонов. — 9-е изд. — М. : Высшая школа, 1996. — 638 с.
ЧУПИН Дмитрий Павлович, аспирант кафедры «Технология электронной аппаратуры».
Адрес для переписки: chupindp@gmaiI.com
Статья поступила в редакцию 17.09.2012 г.
© Д. П. Чупин
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
