Метод диагностики авиационных электрохимических аккумуляторных батарей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.7.064.5 Давидов А.О., Жмуров Б.В.

ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт», Москва, Россия

МЕТОД ДИАГНОСТИКИ АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Работа включает в себя исследования по разработке метода диагностики авиационных электрохимических аккумуляторных батарей, разработке экспериментально подтвержденных математических моделей для определения основных характеристик и параметров аккумуляторных батарей, а также разработке метода и устройства для диагностики авиационных электрохимических аккумуляторных батарей.

Ключевые слова:

аккумуляторная батарея, характеристики аккумуляторов, математическая модель, диагностика, разряд .

Введение

В современной авиационной технике все больше внимание уделяется электрохимическим аккумуляторам энергии как аварийных и резервным [1], а в некоторых случаях и как основным [2] источникам энергии. Это связано с тенденцией все более электрификации современных самолетов [3] вплоть до создания полностью электрического самолета [2].

В данный момент для диагностики авиационных электрохимических аккумуляторных батарей применяются методы, которые требуют остановки функционирования летательного аппарата с целью проведения диагностики входящих в его состав аккумуляторных батарей [4]. Существующие методы диагностики аккумуляторных батарей включают проведение специальных мероприятий, которые не могут быть проведены без остановки их функционирования и могут длиться несколько дней.

Разработка метода и устройства диагностики технического состояния авиационных аккумуляторных батарей, имеет прикладное значение и позволяет в короткий период времени оценить ее состояние.

Основная часть

1. Экспериментальные исследования авиационных электрохимических аккумуляторных батарей

Задачей исследования являлась разработка математических моделей для определения основных характеристик и параметров аккумулятора, которые базируются на экспериментальных исследованиях. Целью экспериментальных исследований было получение данных для определения различного состояния никель-кадмиевого аккумулятора (заряжен-ность, емкость, состояние активной массы и др.) .

1.1 Программа проведения экспериментальных исследований

Программа проведения экспериментальных исследований включала в себя 3 основных этапа:

1) снятие вольт-амперной характеристики нового аккумулятора;

2) снятие вольт-амперных характеристик аккумулятора при различном состоянии заряженности;

3) термическое старение аккумулятора;

4) второй и третий этапы повторяются до достижения емкости аккумулятора состояния 30% от номинальной.

В рамках программы эксперимента предусмотрено воздействие на аккумулятор знакопеременных пакетов импульсов тока и разрядных пакетов импульсов тока, а также проведение прямого заряда и прямого разряда постоянным током. Термическое старение аккумулятора при температуре 50 °С.

План проведения эксперимента включал в себя следующие этапы:

а) заряд аккумулятора;

б) разряд аккумулятора для определения емкости;

в) воздействие на аккумулятор знакопеременными пакетами импульсов тока;

г) снятие откликов по напряжению на воздействующие импульсы тока;

д) построение вольт-амперной характеристики аккумулятора;

е) воздействие на аккумулятор разрядных пакетов импульсов тока;

ж) снятие откликов по напряжению на воздействующие на аккумулятор разрядные пакеты импульсов тока;

з) пункты е и ж проводить до полного разряда аккумулятора;

и) построение вольт-амперных характеристик аккумулятора различного состояния заряженности;

к) проведение термического старения аккумулятора при температуре 50 °С;

л) заряд аккумулятора;

м) разряд аккумулятора для определения текущей емкости;

н) циклирование пунктов «е»-«м» проводить до тех пор пока емкость аккумулятора не снизится до

30% Оном.

1.2. Результаты экспериментальных исследований

Для построения вольт-амперной характеристики (ВАХ) аккумулятора, на него воздействовали пакетами прямоугольных переменных импульсов тока, как по величине, так и по знаку представленные и снимались отклики по напряжению этих импульсов тока. В результате были получены ВАХ для нового полностью заряженного аккумулятора.

Для построения математической модели аккумулятора, кроме ВАХ необходимо было провести ряд экспериментов для получения коэффициентов математической модели. Для определения коэффициентов математической модели на полностью заряженный аккумулятор воздействовали одинаковыми пакетами импульсов тока. Каждый такой пакет состоял из восьми различных по величине значений тока. Воздействие одного пакета импульсов тока разряжает аккумулятор на 5%. Количество пакетов тока, которое воздействовало на аккумулятор, зависит от состояния аккумулятора и выбирается такое количество, которое полностью разряжают аккумулятор. Полученные пакеты откликов по напряжению вместе с пакетами тока позволили построить ряд ВАХ для каждого пакета импульсов тока и соответствующей остаточной емкости аккумулятора.

На следующем этапе разряженный аккумулятор помещался в термокамеру при температуре 50 °С на три рабочих дня для термического старения.

После термического старения проводился контрольный заряд аккумулятора номинальным током и контрольный разряд номинальным током для определения емкости аккумулятора после воздействия температуры.

Для построения математической модели необходимо провести несколько циклов термического старения, количество которых определится остаточной емкостью аккумулятора.

После термического старения были проведены зарядно-разрядные циклы аккумулятора.

2 Математическая модель для определения основных характеристик и параметров авиационного никель-кадмиевого аккумулятора.

Математическая модель разработана по методике, приведенной в [5, 6, 7]. Структура математической модели показана на рисунке 1. Блок 1 в структуре математической модели описывает зависимости параметров состояния аккумулятора от формы ВАХ, которая является входным параметром блока 1 математической модели.

Полученные с помощью блока 1 параметры состояния аккумулятора являются выходными параметрами диагностической математической модели и используются в качестве специфических параметров блока 2 модели. Блок 2 в структуре математической модели описывает разрядную характеристику аккумулятора с учетом его состояния.

<0 пз

СР

пз

с

®

л

I

с! О X л

со

Рисунок 1

Зависимости блока 1 были получены эмпирически из проведенных ранее результатов эксперимента. Заряженность аккумулятора можно определить по величине НРЦ с помощью выражения:

к, V,

Структура диагностической математической модели аккумулятора

- напряжение (начала и конца разряда, разо-

д(и0) = -и0 -к2 • е 3

и0ш1п - и0 - и0 шах б(Г) = ^ • гкб + к7 • г + к

-к.

4

е о=

в(г )

чои о)

и(1, г) = Е - Г • I - к •

I • г

кю • а-1 •г

•1+ки

' к10 -бо

-1

(2)

где Е - ЭДС электрохимического аккумулятора, В; Г - постоянная составляющая активного внутреннего сопротивления электрохимического аккумулятора, Ом; I - ток разряда электрохимического аккумулятора, А; б0 - полная емкость электрохи-

мического аккумулятора, А-ч; к9...к12 - эмпирические коэффициенты, характеризующие конструктивные особенности электрохимического аккумулятора.

В конечном счете, диагностическую математическую модель аккумулятора можно записать в виде:

|?(ио) = к1 и, -к2 • ек,и0 + к,

[и0ш1п — и0 — и0 шах

[б(г) = к5 • гкб + к •г + к8

е о=

е(г)

ч{ио) и (I ,г) = Е - г • I - к9

1-г

к10 • бо -

•I + к

11

гбо - 1

(3)

Сравнение зарядной характеристики, полученной с помощью математической модели с зарядной характеристикой, полученной экспериментальным путем показали расхождение не более 7%.

3. Методика диагностики авиационных электрохимических аккумуляторных батарей.

Разработка методики проводилась в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 2.

Выбор параметров состояния. Для описания состояния аккумуляторной батареи необходимо определить следующие основные параметры и характеристики:

- разрядную емкость;

- внутреннее сопротивление;

вольт-амперную характеристику; разрядную характеристику.

где к ...к - эмпирические коэффициенты.

Разрядную характеристику аккумулятора (блок 2 модели) в области токов более хорошо описывает модифицированное уравнение Шеферда [5]:

{ , I •г \

Рисунок 2 - Последовательность действий при

разработке методики диагностики

Определение формы тестового сигнала. Тестовый

сигнал должен обеспечить характеристики отклика энергоустановки достаточные для определения значений основных параметров и построения характеристик данной аккумуляторной батареи.

В качестве тестового сигнала была выбрана последовательность прямоугольных импульсов тока с паузами между импульсами. В состав последовательности импульсов, входящих в тестовый сигнал были включены:

- разрядные импульсы тока - с целью получения данных для определения значений параметров и построения характеристик;

- зарядные импульсы тока - для обеспечения нулевого среднего тока (условие нулевого среднего тока) и деполяризации после разрядного импульса.

Параметры импульсов тока, составляющих тестовый сигнал, выбраны из соображений обеспечения возможности получения необходимых данных и приемлемой длительности экспериментальных работ. Длительность пауз между импульсами обеспечивает завершение процессов деполяризации после импульсов. Общая длительность тестового сигнала - 18 мин.

Определение параметров отклика на тестовый сигнал. Для определения значений параметров состояния аккумуляторов, при условии применения аналитического способа связи параметров отклика на тестовый сигнал и состояния изделия, достаточно измерить напряжение разомкнутой цепи По и амплитуды Пг , П5 , Пд , Пгз отклика на разрядные импульсы тока 15, 1э , 1гэ.

Определение взаимосвязи значений параметров отклика на тестовый сигнал и состояния аккумуляторов. Отклик на тестовый сигнал представляет собой реакцию аккумуляторной батареи на последовательность импульсов тока, то есть фрагменты зарядных и разрядных характеристик при заряде и разряде различными токами. Имеющихся данных достаточно для построения без дополнительных вычислений вольт-амперной характеристики батареи.

Активное внутреннее сопротивление с учетом влияния заряженности электродов равно:

3 (и - иЛ.

я =

и

3

П=1

4 п+Х

11 - I, • „

Г ■ — Г — Г 'шт — ' — 'шах

Г ■ — Г — Г

шт шах

Заряженность изделия определяется с помощью выражения: а =

-и.

1п|и,

д = 1 + -

'13

-я - ^

• 113 + Р - 1п {Р)

Е - из и 2 - и 1з 12 - II

Ре

У{1-Я2) .

1)1 ~

>) 1 - Ч2

(И)

(5)

п Время,

20 0 4 0 10 8 0 10 00 12

—

-20

Рисунок 3 - Форма тестового сигнала для проведения диагностики

Постоянная составляющая активного внутреннего сопротивления равна:

г = Я-„•(1 - Ч'

Остаточная емкость (доступная полная емкость) равна:

вост = во • Ч- <7)

Разрядная емкость определяется, как:

вр = I •

где длительность разряда Ь - время достижения напряжения минимального значения по разрядной характеристике изделия.

Выражения (5), (6) и математическая модель содержат эмпирические коэффициенты а,Р,у , которые остаются постоянными для в диапазоне токов от 0,1 • вн до 0,5 • вн .

Для определения коэффициентов математической модели необходимо определить экспериментально характеристики батареи при различных степенях зараженности, согласно алгоритму, приведенного на рисунке 4.

Величина у определяется из уравнения:

Х-ау - Ьу = Х-1,

и02 - Е

¡9)

где

Х = -

и 01 - Е

,а = {еч1 1),ь = {ед2 1), д,д ф 1.

Зная у , определяем Р и а :

Р =

и02 и01

-уЦ-ч,

■•,Ч ф 1,Ч2 ф 1.

(10)

д ф 1, д ф 0,1з ф 0,^ ф /1

1. Полностью зарядить изделие

2. Подать два разрядных прямоугольных импульса тока и зафиксировать амплитуду откликов по напряжению

Омическая составляющая внутреннего сопротивления

3. Разрядить изделие до

Коэффициент у

4. Измерить НРЦ

5. Подать два разрядных прямоугольных импульса тока и зафиксировать амплитуду откликов по напряжению

Коэффициент р

6. Разрядить изделие до Ц2

Коэффициент а

7. Измерить НРЦ

Рисунок 4 - Последовательность действий при определении коэффициентов математической модели

Заключение

Разработанный метод диагностики авиационных электрохимических аккумуляторных батарей позволяет проводить полную диагностику электрохимических аккумуляторов без вмешательства в их работу за короткое время.

Предлагаемый метод позволяет диагностировать как электрохимические аккумуляторы различных электрохимических систем, так и гальванические элементы.

Метод позволяет без проведения разрядных циклов, без вмешательства в логику работы электрохимических аккумуляторов и используя несколько тестовых параметров, определять их основные параметры (такие, как зарядная характеристика, разрядная характеристика, вольт-амперная характеристика, фактическая емкость, заряженность, внутреннее сопротивление и др.) за короткое время.

Длительность диагностики с помощью предлагаемого метода приблизительно в пять раз меньше продолжительности контрольного разряда и не превышает 1 часа, включая время, затрачиваемое на расчеты.

Диагностика практически не влияет на состояние аккумуляторной батареи, в отличие от контрольного разряда, при котором необходимо прерывать ее эксплуатацию.

Погрешность определения значения параметров состояния с помощью разработанного метода диагностики не превышает 5% с доверительной вероятностью 0,99.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лёвин А.В., Халютин С.П., Жмуров Б.В. Тенденции и перспективы развития авиационного электрооборудования. Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2015. № 213 (3). С. 50-57.

2. Жмуров Б.В., Давидов А.О. Расчет энергетических характеристик полностью электрического самолета. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2016. № 4. С. 406-412.

3. Халютин С.П., Харьков В.П., Лёвин А.В., Жмуров Б.В., Богданов А.А. Электрификация самолётов. Современное состояние и тенденции Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2014. № 1. С. 555-558.

4. Безручко К.В., Василенко А.С., Давидов А.О., Харченко А.А. Методы диагностирования аккумуляторов. Авиационно-космическая техника и технология. 2002. № 31. С. 221.

5. Безручко К.В., Давидов А.О., Синченко С.В., Харченко А.А., Ширинский С.В., Азарнов А.Л.

Диагностика электрохимических аккумуляторов энергоустановок летательных аппаратов. Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». - 2008. - № 48. - С. 138-143.

6. Безручко К.В., Давидов А.О. Метод экспресс-диагностики электрохимических накопителей энергии энергоустановок ракетно-космических объектов. Космическая техника. Ракетное вооружение Сборник научных трудов. Днепропетровск, 2012. С. 140-148.

7. Сиденко С.В., Безручко К.В., Давидов А.О. Диагностирование аккумуляторов энергоустановок летательных аппаратов импульсным током. Вестник Днепропетровского университета. Днепропетровск: ДНУ. 2007. № 9/2. С. 126-132.

у

Ток, А

20

10

с

0