ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТАРТЕРНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.31

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТАРТЕРНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Смирнов Дмитрий Андреевич, студент, специальность 23.05.01 Наземные транспортно-технологические средства, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: smir.novda99@gmail.com

Научный руководитель: Пузаков Андрей Владимирович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей, Оренбургский государственный университет, Оренбург

e-mail: and-rew78@yandex.ru

Аннотация. Актуальность проблемы объясняется увеличением числа и мощности потребителей электроэнергии автомобилей и последствиями внезапного выхода из строя стартерной аккумуляторной батареи (АКБ). Целью статьи является анализ существующих методов оценки технического состояния стартерных аккумуляторных батарей. Предложена формула расчета степени работоспособности по напряжению, применимая при эксплуатации АКБ на борту автомобиля. Описан специально разработанный нагрузочный цикл. Приведены результаты испытания стартерных АКБ под нагрузкой при вариации наработки, заряженности и технического состояния. Обработка результатов показала, что степень работоспособности находится в степенной зависимости от напряжения АКБ под нагрузкой. Дальнейшие исследования будут посвящены уточнению численных значений предложенной формулы на основе обследования на автомобилях в широком диапазоне температуры окружающего воздуха.

Ключевые слова: стартерная аккумуляторная батарея, техническое состояние, степень заряженности, степень работоспособности.

Для цитирования: Смирнов Д. А. Оценка технического состояния стартерной аккумуляторной батареи // Шаг в науку. - 2021. - № 4. - С. 68-73.

ASSESSMENT OF THE TECHNICAL CONDITION OF THE STARTER BATTERY

Smirnov Dmitry Andreevich, student, specialty 23.05.01 Ground transport and technological means, Orenburg State University, Orenburg e-mail: smir.novda99@gmail.com

Research advisor: Puzakov Andrey Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Technical Operation and Repair of Cars, Orenburg State University, Orenburg e-mail: and-rew78@yandex.ru

Abstract. The urgency of the problem is explained by the increase in the number and power of electric power consumers of cars and the consequences of a sudden failure of the starter battery. The purpose of the article is to analyze the existing methods for assessing the technical condition of starter batteries. A formula for calculating the state of health by voltage is proposed, which is applicable when operating a battery on board a car. A specially designed load cycle is described. The results of testing starter batteries under load with variations in operating time, charge and technical condition are presented. The processing of the results showed that the state of health is in power-law dependence on the voltage of the battery under load. Further research will be devoted to the refinement of the numerical values of the proposedformula based on a survey on cars in a wide range of ambient temperatures.

Key words: starter battery, technical condition, state of charge, state of health.

Cite as: Smirnov, D. A. (2021) [Assessment of the technical condition of the starter battery]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 4, pp. 68-73.

Ухудшение технического состояния стартерной АКБ в процессе эксплуатации оценивается количественным изменением ее параметров.

Параметры стартерных АКБ можно разделить на структурные, непосредственно изменяющиеся

в процессе эксплуатации (степень изношенности поверхности пластин, целостность межэлементных соединений и др.), выходные, определяемые в процессе испытаний, и расчетные.

К расчетным параметрам стартерных АКБ

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. 68 This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

© Д. А. Смирнов, 2021

by 4.0

можно отнести сеяепеаъзтряжетости (State-of-Charge, SOC) и стептятработоспосоСноари(РШу-of-Heath, SOH) [3, 6].

Целью этой снрньп чвятонятанализРтщастЕую-щих методов оценки теоническоар состояния саач-терной аккумуляторной батареи, а также выведение собственных завксимостей но оснпси тисперимян-тальных данных.

Измерение степени заряженности АКБ по напряжению - сравнительно про стой метод, не лишенный ряда недостатков.Во-первых, напряжение

АКБ(каки плотность электролита) измеютется под воздействием кемаераюрко пкружающеН среды. Во-вторых, и это самое важное, в процессе проведения измеренпавдпо АЬЖдоакш еыалрпзомвснута (не пкекрючена к источникам иаи впсаеЛиснлям). Для получения точных показаний цепь АКБ должна 6)1тьрктомтмугой (юлледв^насов, так как из-за эффнюо вксанонорлкнли, нвиряжение АКБ может не соответствовать ее степени заряженности.

При расчете степени заряженностиобщеприня-тымявляетсяследующее вырщкенее

SOC =

(аи итыВ

(JJmax Umin)

(1)

где

и. - текущее значение нещыжения на выводыт АКБ, В;

и - максимальное значение напряжения, сотах е

ответствующее полностью заряженной АКБ, В (12,61 В);

U . - минимыеняяеысупт'имое налрыжение, В"(12 В).

Степень работоыпосоеныееи АКБ реыыс^тспв отношению текущегосеанеения е^пыыыывв1 вв няееспс

ниы^заявлтыное^ п^еысеов^ы^с^^лем.еатев^£^нь рабо-тоспотсПныыди ПыНСР п пеатево стражает ее

способносрьибеепечитд ы^свн^1:и двнеассня, а также работу других мощных потребителей.

13 оСщым сетяед д^чшие рОН ровнпетношению текрятыго псныметр)з ОКБ ж жекттоеяе заданной величине. В качестве такого параметра может высту-пате внуертнвет сееротивнение АКБ [2],ёмкость, соы ммзоднооо птсссб п е^спр^сжрнпо под нсгрузкой.

SOH = ( 1 -

Вв _ R — Rnew\ V — R )

где

R - текущее значение внутреннего сопротивления АКБ, Ом;

100%

(2)

R - внутреннее сопротивление новой АКБ,

пея j í í 7

Ом.

SOH =

/-•НОМ 20

100%

(3)

где

C - текущее значение ёмкостиАКБ,А^ч;

Г"НОМ ^20

- номинальная ёмкость АКБ, А-ч.

РМсс пысаолску озмснсниы согфстотления и емкости на автомобиле затруднено, то предпочтительным вариантом является измерение напряжения (4). Оноже птлыжено в основу наших исследований

son =

. Оат — О е)

(Оя

0¿

(4)

где

и . - текущее значение напряжения АКБ под нагрузкой, В;

и - максимальное знаоение напыожения под нагрузкой новой АКБ,В;

иг - минимально допустимое напряжение под нагрузкой, В.

По результатам тестирования АКБ было установлено, что для расчета SOH в тестере использует-сн квадыст отношонин текущего тока к тотухолод-ного пуска. Но для измерения тока на автомобиле требуется установка дополнительных датчиков.

SOH

(Irr J

(5)

где

I. - текущее значение силы тока на выводах АКБ, А;

1ССА - номинальное значение силы тока холодного пуска, А.

Для проведения экспериментов был специально еразработан испытательный цикл, имитирующий работу АКБ на борту автомобиля [5]. Каждый режим заканчивается десятиминутным отрезком времени, отведенным для восстановления.

1. Режим прогрева ДВС. Такой режим на автомобиле сопровождается работой большого числа нагревательных устройств (стекол, зеркал, сидений, руля и т. п.). Моделируется работой стартер-ного электродвигателя в режиме холостого хода. Длительность режима: 15 секунд. В этом режиме задействован электродвигатель М1, измерительные устройства А1, А2, РА1, А5.

2. Режим запуска ДВС. Режим моделируется подключением к САКБ нагрузочной вилки (малого электрического сопротивления). Длительность этого режима нагружения составляет 10 секунд. В этом режиме задействована нагрузочная вилка А3, токовые клещи Т1 с мультиметром А2, приборы А1, А5 (рисунок 1).

3. Максимальная нагрузка. Этот режим моделирует электроснабжение стартерного электродвигателя в первые доли секунды, когда ток в цепи достигает максимальных значений. Обеспечивает-

ся заклиниванием шестерни стартера на специализированном стенде. Длительность данного нагрузочного режима не должна превышать 5 секунд. В этом режиме задействован электродвигатель М1, измерительные устройства А1, А2, РА1, А5.

4. Режим аварийной работы. В этом режиме проверяется способность стартерной АКБ снабжать потребители электроэнергией на автомобиле при отказе автомобильного генератора. Нормированное значение силы тока этого режима составляет 25 А, длительность при оценке технического состояния не менее 180 секунд. В этом режиме задействован переносной вольтамперметр КИ-1093 (А4), измерительные устройства А1, А2, А5.

Наиболее информативным является режим полного торможения, в дальнейшем приведены расчеты степени работоспособности на основании результатов именно этого теста.

Общая схема цикла представлена на рисунке 1.

А1 - смартфон; А2 - мультиметр OWON B41t+; A3 - нагрузочная вилка H-2005; A4 - переносной вольтамперметр КИ-1093; А5 - регистратор аналоговых данных HOBO UX120-006M; Т1 - токовые клещи Hantek CC-650; GB1 - стартерная аккумуляторная батарея 6CT-60L; К1 - дистанционный выключатель массы; К2 - тяговое реле стартера; M1 - стартерный электродвигатель 2120-3708010; PA1 - амперметр; PV1 - вольтметр; RS1 - токовый шунт 100 A; SB1 - пусковая кнопка

Рисунок 1. Схема испытательного цикла

На рисунке 2 представлены результаты тестирования нескольких АКБ с разной наработкой [4]. По результатам тестов все батареи имеют различия в характеристиках, пропорциональные их степеням работоспособности. Наиболее показательными являются результаты тестирования батареи с уровнем работоспособности 25%.

Помимо батарей с разной наработкой было проведено исследование влияния неисправности на параметры АКБ, [1, 7]. На данный момент были исследованы снижение степени заряженности и окисление полюсных выводов.

На рисунке 3 представлены результаты тестирования АКБ, разряженных 50 и 25%. Разряд исправной батареи на 50% привел к снижению на-

пряжения всего на 15%.

Подключение последовательно с аккумуляторной батареей резистора (моделирование окисления полюсных выводов) не изменяет параметры нена-груженной батареи. В режиме нагружения в этом случае уменьшается разрядный ток и напряжение на выводах аккумуляторной батареи вследствие падения напряжения на резисторе.

Были проведены тестирования для значений сопротивления 11,5, 20 и 40 мОм (рисунок 4). Увеличение сопротивления до 40 мОм привело к снижению напряжения, следовательно, и пусковых способностей в 3 раза. При такой неисправности запуск двигателя может быть невозможен.

Рисунок 2. Результаты тестирования батарей с различной наработкой

Рисунок 3. Результаты тестирования батарей с разной степенью заряженности

Рисунок 4. Результаты тестирования батарей с окислением полюсных выводов

100% ^ 90%

л:

80%

5 70%

о

Ю 60%

о о о

с

0

1

ш л

а_

Ф 20%

с

41

£ 10%

50% 40% 30%

0%

О Ряд1 □ Ряд2 □ С 7 *

"иная <Ряд1)

в

у = 0.0206Х1 8296 о; - л апп7

1*

о •*

□

□ ■ _^

0123456789 Напряжение на выводах АКБ при эталонной нагрузке О, В

Рисунок 5. Результаты расчета SOH по напряжению

Результаты расчета SOH по напряжению представлены красными и желтыми точками, здесь же для сравнения приведены значения, полученные при помощи тестера АКБ (зеленые маркеры). Подобранное уравнение регрессии представляет собой

степенную функцию, причем почти квадратичную. Следовательно, расчет SOH по величине напряжения становится возможным при эксплуатации АКБ на борту автомобиля и позволяет оперативно оценивать ее техническое состояние.

Литература

1. Волков С. С. [и др.] Моделирование процессов изменения электрических характеристик свинцо-во-кислотного аккумулятора // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. -2020. - № 71. - С. 196-208.

2. Постников А. А. Экспериментальное исследование изменения внутреннего сопротивления свин-цово-кислотного аккумулятора // Известия ТулГУ Технические науки. - 2020. - Вып. 5. - С. 415-422.

3. Пузаков А. В., Калимуллин Р. Ф., Смирнов Д. А. Моделирование параметров технического состояния стартерных аккумуляторных батарей // Технико-технологические проблемы сервиса. - 2021. - № 1. -С. 9-13.

4. Пузаков А. В., Смирнов Д. А. Исследование влияния наработки на выходные параметры стартер-ных аккумуляторных батарей // Прогрессивные технологии в транспортных системах: сборник материалов XV Международной научно-практической конференции. - Оренбург: ОГУ, 2020. - С. 516-524.

5. Пузаков А. В., Смирнов Д. А. Разработка нагрузочного режима стартерной аккумуляторной батареи // Грузовик. - 2020. - № 11. - С. 30-34.

6. Kataoka T., et al. Battery State Estimation System for Automobiles // Sei Technical Review. - 2019. -№ 88. - pp. 55-58.

7. Puzakov A., Smirnov D. Physical simulation of the faults of starter batteries // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. - 2020. - 971. - 052066.

Статья поступила в редакцию: 12.05.2021; принята в печать: 08.11.2021.

Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.