CC BY
13
УДК 621.354
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-537-542
РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОРОГОВОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ АККУМУЛЯТОРА ПРИ РАБОТЕ ЗАРЯДНО-ДЕСУЛЬФАТИРУЮЩЕЙ
СТАНЦИИ
М.Б. Маньков, Б.И. Марголис
В статье обоснована актуальность разработки устройств, продлевающих срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов. Предложена стратегия ускоренного заряда и электрической де-сульфатации. Рассмотрена принципиальная схема порогового устройства для контроля напряжения аккумулятора и описана его работа. Приведена имитационная модель блока в составе зарядно-десульфатирующего устройства, разработанная с использованием ЫЛТЬЛБ БтыНпк. Продемонстрированы результаты моделирования работы устройства в режимах десульфатации и подзаряда асимметричным током. Представлены осциллограммы напряжения и тока, полученные в момент срабатывания порогового устройства. Предложена перспектива использования модели на дальнейших этапах разработки и экспериментальных исследований.
Ключевые слова: свинцово-кислотный аккумулятор, асимметричный ток, стратегия заряда, пороговое устройство, имитационная модель.
В настоящее время свинцово-кислотные аккумуляторы остаются наиболее используемым типом из-за их высокой эффективности, надежности, возможности работы в широком диапазоне температур, способности обеспечивать высокие импульсные токи, низкой стоимости и высокой пригодности к переработке [1].
Существенная проблема, которая может возникнуть в свинцово-кислотных аккумуляторах, -сульфатация, появляющаяся по причине неоптимальных режимов заряда и разряда. В связи с этим разработка стратегий заряда, решающих данную проблему, является особенно актуальной.
Существует возможность значительно улучшить эксплуатационные характеристики аккумулятора, совершенствуя его конструкцию, изменяя структуру электродов и состав используемых активных веществ. Тем не менее, данный путь не является единственно возможным. Повышение эффективности эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов и увеличение их ресурса может быть реализовано за счет применения новых технологий заряда и восстановления. В связи с этим в последние годы получили распространение нестационарные режимы заряда.
Применение специальных устройств, продлевающих срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов, позволит уменьшить экологический ущерб, наносимый природе, в результате снижения объемов производства новых и утилизации исчерпавших ресурс аккумуляторов. Одним из возможных путей повышения ресурса аккумуляторов является применение для заряда и десульфатации асимметричного тока.
Из публикаций по исследованию воздействия асимметричного тока на аккумулятор известно, что периодическое изменение направления зарядного тока оказывает влияние на восстановительные реакции [2-4]. Это позволяет управлять изменениями структуры активных масс электродов для получения кристаллов различных размеров и форм с целью увеличения контактной поверхности электролита с активными материалами, что улучшает диффузию и повышает концентрацию электролита в приэлектрод-ном слое.
На основании анализа электрохимических процессов в свинцово-кислотных аккумуляторах, режимов заряда и эксплуатационных характеристик предлагается эффективная стратегия восстановления их работоспособности (рис.1). Использование асимметричного тока обеспечивает: ускоренный заряд, в случае необходимости - проведение десульфатации при многократных зарядно-разрядных циклах и хранение в режиме подзаряда.
Для осуществления заряда и десульфатации свинцово-кислотных аккумуляторов разработано устройство, формирующее импульсы асимметричного тока, содержащее мультивибратор на биполярных транзисторах и коммутатор на основе реле для соединения с зарядной и разрядной цепью. Подробное описание приведено в [5,6].
Выбор наиболее эффективных параметров асимметричного тока осуществлялся на основании результатов имитационного моделирования.
Для этого была выполнена модель разработанного устройства в среде МА^АВ Simulink, которая обеспечивает возможность внедрения новых блоков и изменения параметров схемотехнических элементов зарядно-десульфатирующего устройства, расширения анализируемых характеристик в
зависимости от новых решаемых задач [7].
В осуществлении предложенной стратегии заряда и десульфатации свинцово-кислотных аккумуляторов важное место занимает создание блока порогового устройства, который определяет выбор режимов работы, эффективность десульфатации и использования источников энергии, исключает недо-заряд и перезаряд аккумулятора.
Для решения поставленной задачи необходимо дополнить разработанную ранее имитационную модель новым блоком Threshold (рис. 2). Выполнение реализовано в среде визуального моделирования MATLAB Simulink, одним из главных достоинств которой является сочетание структурного и имитационного методов моделирования.
Дк\пьфатадия СКА аснммгтрршым током
_I_
Провгрка состояния СКА
Поднаряд СКА асимметричным током
Нет
Заряд СКА JL
аси ммегри чн ы м током
Да ^ СКА \ Нет
N ^ Босстановлгн ,
Отбраковка СКА
Рис. 1. Блок-схема стратегии ускоренного заряда и электрической десульфатации свинцово-кислотных аккумуляторов (СКА)
Scopel
Рис. 2. Имитационная модель зарядно-десульфатирующего устройства
Разработано пороговое устройство, предназначенное для независимого изменения верхней и нижней точек срабатывания в широких пределах [8]. Принципиальная схема представлена на рис. 3а.
В среде MATLAB Simulink разработана имитационная модель блока порогового устройства фиксации конечной величины напряжения на аккумуляторе Threshold (рис. 3б). Применение типовых элементов при создании модели позволяет оперативно изменять топологию схемы [9,10].
Система автоматического отключения и возобновления заряда при достижении напряжения заданного уровня выполнена на биполярных транзисторах VT4 и VT5, контролирующих работу электромагнитного реле Relay2, управляющего коммутатором Commutator, связанным с мультивибратором Multivibrator, при заряде аккумулятора Battery (рис.2). Параметрами диодов Зенера (стабилитронов) VD5 и VD6 устанавливаются напряжения включения и выключения зарядно-десульфатирующего устройства. Стабилитрон VD6 открывается при верхнем пороге, а стабилитрон VD5 открывается при нижнем пороге срабатывания.
Пороговое устройство работает следующим образом.
При подключении к зарядному устройству аккумулятора, напряжение на клеммах которого меньше напряжения открывания стабилитрона VD6, на катоде которого поддерживается положительное напряжение, удерживающее транзистор VT4 в закрытом состоянии, реле К2:А, подключенное контактами К2.1 к блоку коммутатора и общему проводу, выключено. При этом транзистор VT4 удерживает транзистор VT5 в закрытом состоянии. Пока реле К2:А выключено, его нормально замкнутые контакты К2.1 поддерживают мультивибратор и коммутатор во включенном состоянии - аккумулятор заряжается и напряжение на его клеммах увеличивается.
Рис. 3. Пороговое устройство: а - принципиальная схема; б - структура подсистемы Threshold
Когда на аккумуляторе устанавливается напряжение достаточное для открывания стабилитрона VD6, что приводит к открыванию транзистора VT4, развивается лавинообразный процесс опрокидывания схемы. Реле К2:А срабатывает, его нормально замкнутые контакты К2.1 останавливают работу коммутатора - аккумулятор начинает разряжаться и напряжение на его клеммах уменьшается.
I L I I I I I J I
ш -
"о <№КОП)1«)К|>№ОП»№ОИО 1(00
а
1 1 — -Р- 1
1 = « 1 1 =
игт- «УЧ1
U
Ч'»- *- -5 -
о
Рис 4. Результаты имитационного моделирования: а - работа устройства в режимах десульфатации и подзаряда; б - моменты срабатывания блока Threshold
В таком состоянии схема будет находиться, пока напряжение на аккумуляторе не уменьшится до величины недостаточной для поддержания стабилитрона VD5 в открытом состоянии. При закрытии стабилитрона VD5 закрывается транзистор VT4, закрывающий транзистор VT5, развивается лавинообразный процесс обратного опрокидывания схемы. Реле К2:А отключится, и контакты К2.1 снова приведут в действие коммутатор и мультивибратор. Процесс повторится.
Диоды VD8 и VD9 служат для защиты от переполюсовки входного напряжения, диод VD10 -для защиты от ЭДС самоиндукции. Резисторы R14, R15 и резисторы R17, R18 определяют рабочие точки транзисторов VT5 и VT4 соответственно. Резисторы R19 и R 20 необходимы для ограничения тока, протекающего через стабилитроны VD5 и VD6 соответственно. Светодиод предназначен для индикации срабатывания реле К2:А, а резистор R22 - для ограничения тока, протекающего через светодиод.
Разработанная имитационная модель Threshold адекватно отображает функционирование реального порогового устройства в различных режимах: в режиме заряда аккумулятора асимметричным током с заданными параметрами; в режиме десульфатации, при наличии обратимой сульфатации; в режиме подзаряда, при достижении напряжения аккумулятора определённого уровня. Результаты имитационного моделирования представлены на рис. 4.
Пороговое устройство осуществляет контроль за состоянием аккумулятора для поддержания напряжения на заданном, обычно максимально допустимом уровне, и, в случае снижения напряжения аккумулятора до нижнего уровня, отключает нагрузку.
Система автоматического слежения за зарядом аккумулятора осу-ществляет контроль напряжения в режиме десульфатации, в случае обратимой сульфатации, и исключает возможность перезаряда аккумулятора (рис.4а). Отключение заряда происходит при достижении верхнего порога напряжения 14,3 В, а заданный порог включения зарядного устройства - 12,6 В. Моменты срабатывания порогового устройства при имитационном моделировании представлены на рис. 4б.
Свинцово-кислотные аккумуляторы, как в процессе хранения, так и при эксплуатации неизбежно подвержены саморазряду, что вызывает необходимость его компенсации. Саморазряд принято считать нормаль-ным, если потеря ёмкости не более 10 % при бездействии аккумулятора в течение 14 суток. Поэтому аккумуляторы, находящиеся на хранении, приходится периодически заряжать.
В связи с этим в разрабатываемом зарядно-десульфатирующем устройстве предусмотрен особый режим подзаряда аккумулятора (рис.4а), при котором достигается компенсация саморазряда при хранении и осуществляется оптимизирующий дозаряд глубинных слоёв активной массы, при этом значительно снижается газовыделения и предотвращается нагрев аккумулятора. Система автоматического отключения заряда срабатывает при достижении напряжения 14,3 В, включение зарядного устройства происходит при 13,3 В.
Таким образом, аккумулятор можно оставлять подключенным к зарядно-десульфатирующему устройству на длительные периоды времени. В случае аварийного отключения электроэнергии, при её появлении заряд аккумулятора продолжится в штатном порядке. Режим актуален для автомобилистов, использующих автомобиль с длительными перерывами, например, только в летнее время.
Заключение. Выполнена имитационная модель порогового устройства в среде MATLAB Simulink, адекватно отражающая работу реального блока, что в дальнейшем позволит использовать её на этапах разработки и экспериментального исследования автоматической станции для заряда и десульфа-тации свинцово-кислотных аккумуляторов, в том числе с целью исключения перезаряда при использовании солнечной батареи.
Блок реализован на двух стабилитронах и двух биполярных транзисторах разного типа проводимости, за счет этого достигнута возможность независимой регулировки значений верхнего и нижнего уровней срабатывания.
Для оценки результативности предложенной стратегии режимов заряда и десульфатации свин-цово-кислотных аккумуляторов асимметричным током необходимо провести цикл экспериментальных исследований с целью апробации и подтверждения эффективности предложенных технологических режимов.
Список литературы
1. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. М.: Изумруд, 2003. 224 с.
2. Таганова A.A. Герметичные химические источники тока: элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации: Справочник / A.A. Таганова, Ю.И. Бубнов, С.Б. Орлов. СПб.: Химиздат, 2005. 264 с.
3. Колосовский В.В. Метод десульфатации пластин аккумуляторов при заряде асимметричным током // Известия СПб ГАУ. 2017. №48. С. 199-204.
4. Каменев Ю.Б., Чунц Н.И. Ускоренный метод заряда свинцово-кислотного аккумулятора. 4. Импульсный заряд асимметричным током, газовыделение и ресурс // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20. № 3. С. 146-156.
5. Патент 2721006 РФ. МПК H02J 7/10. Устройство для заряда и десульфатации аккумуляторов / М.Б. Маньков, К.В. Сидоров. Опубл. 15.05.2020. Бюл. № 14.
6. Маньков М.Б. Разработка автоматического зарядно-десульфатирующего устройства // Сборник трудов XXXII Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы, измерительные устройства и робо-тотехнические комплексы - Биомедсистемы-2019». Рязань: Изд-во ИП Коняхин А.В. (Book Jet), 2019. С. 120-123.
7. Маньков М.Б., Марголис Б.И. Моделирование и исследование режимов работы зарядно-десульфатирующего устройства для аккумуля-торных батарей // Известия Тульского Государственного Университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 69-73.
8. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем: изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1973. 481 с.
9. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, Simulink и SimPowerSystems. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
10. Дьяконов В.П. Simulink 5/6/7: Самоучитель. М.: ДМК Пресс, 2008. 784 с.
Маньков Матвей Борисович, аспирант, dr.mankoff@yandex.ru, Россия, Тверь, Тверской государственный технический университет,
Марголис Борис Иосифович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, borismargolis@yandex.ru, Россия, Тверь, Тверской государственный технический университет
DEVELOPMENT AND SIMULATION OF A THRESHOLD DEVICE FOR BATTERY VOLTAGE CONTROL DURING OPERATION OF A CHARGING-DESULFATE STATION
M.B. Mankov, B.I. Margolis
The article substantiates the relevance of the development of devices that extend the service life of lead-acid batteries. A strategy of accelerated charge and electrical desulfatation is proposed. A schematic diagram of a threshold device for monitoring battery voltage is considered and its operation is described. A simulation model of a block as part of a charging-desulphating device developed using MATLAB Simulink is presented. The results of modeling the operation of the device in the mode of desulfatation and recharging with an asymmetric current are demonstrated. The oscillograms of voltage and current obtained at the moment of triggering the threshold device are presented. The prospect of using the model at further stages of development and experimental research is proposed.
Key words: lead-acid battery, asymmetric current, charging strategy, threshold device, simulation
model.
Mankov Matvey Borisovich, postgraduate, dr.mankoff@yandex. ru, Russia, Tver, Tver State Technical University,
Margolis Boris Iosifovich, doctor of technical sciences, docent, head of chair, borismargo-lis@yandex.ru, Russia, Tver, Tver State Technical University
