CC BY
75
УДК 621.316
А. П. ПОПОВ В. Ю. СЫСОЛЯТИН О. П. КУРАКИНА
Омский государственный технический университет Омский автобронетанковый инженерный институт
ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ СТАРТЕРНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУПЕРКОНДЕНСАТОРА (ИОНИСТОРА)
В статье рассматривается цифровое устройство, позволяющее определить работоспособность свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых в качестве стартерных батарей на основе анализа результатов измерения значений: внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи, тока короткого замыкания и напряжения холостого хода. При этом измерения проводятся простым способом без значительных затрат времени и демонтажа аккумуляторных батарей со штатного места. Принцип работы устройства заключается в использовании кратковременного разряда АКБ на суперконденсатор (иони-стор). При этом необходимо обеспечить режим работы устройства диагностики близкий к пусковому режиму.
Ключевые слова: кратковременный разряд аккумуляторной батареи, иони-стор, микроконтроллер, цифровая обработка.
Надежный пуск двигателей внутреннего сгорания специальной техники, находящейся как на хранении, так и используемой в повседневной жизнедеятельности, является одним из важных факторов, от которых зависит боевая готовность подразделений и частей ВС РФ.
Электростартерный способ пуска с использованием электрической энергии, которая аккумулируется батареей (АКБ), является наиболее распространенным.
По сравнению с другими типами аккумуляторных батарей свинцово-кислотные (СКА) имеют сравнительно малое внутреннее сопротивление, обеспечивающее получение больших токов (500 —2000) А при кратковременных разрядах в период пуска. Это одно из достоинств, что определяет их широкое применение в качестве стар-терных батарей. На их долю приходится не менее 85 % от общего объема вторичных источников тока. К недостаткам СКА следует отнести изменение внутренних параметров АКБ в процессе эксплуатации и существенный объём регламентных работ по их обслуживанию.
В данной работе рассматривается цифровое устройство, позволяющее определить работоспособность АКБ на основе анализа результатов измерения значений: внутреннего сопротивления АКБ, тока короткого замыкания и напряжения холостого хода. Измерения проводятся простым способом без значительных затрат времени и демонтажа АКБ со штатного места.
Принцип работы устройства заключается в использовании кратковременного разряда АКБ на суперконденсатор (ионистор). При этом необходимо обеспечить режим работы устройства диагностики, близкий к пусковому режиму, т. е. чтобы длительность разряда была соизмерима с длительностью пускового тока (единицы секунд) при пусковом токе не менее тысячи ампер. Это возможно при использовании конденсатора достаточно большой емкости. Для этой цели целесообразно использовать суперконденсаторы (ионисторы). Емкость ио-нистора может составлять несколько тысяч фарад, а внутреннее сопротивление порядка нескольких тысячных долей Ома [1].
Рассмотрим предлагаемую методику определения внутреннего сопротивления аккумулятора, исходя из переходного процесса заряда ионистора, обеспечивая значение зарядного тока ионистора, близкого к току короткого замыкания аккумулятора и ЭДС аккумулятора.
Указанные величины вычисляются с использованием специальной программы, разработанной авторами, при этом применяется микроконтроллер типа А1;теда 16.
Электрическая схема заряда, а также разряда ионистора представлена на рис. 1.
При замыкании силового ключа К ток заряда ионистора (конденсатора), как известно [2], будет определяться выражением:
(?) = ^ г
л
Рис. 1. БДК — ЭДС аккумулятора, К — силовой ключ, СИО — емкость ионистора, ^ — разрядное сопротивление, МК — микроконтроллер
Рис. 2. Изменение тока заряда ионистора и напряжения на и (1) после замыкания ключа К
а напряжение на ионисторе:
«ИО (,) - °А
( _Л
1 - е~п
где т = Яг- СИ
постоянная времени; СИ
Рис. 3. Блок-схема у-тройства: исследуемая АИО, силовой двухпозиционный ключ К, 1 — блок управления, ионисто р СИО, 2 — аналого-цифровой преобразователь, 3 — арифметико-логическое устройство, 4 — ж1И0к окри сталлический индикатор
,(Н -а) = Еси1-е-1) ■
Еак аккумумятсфи и интервал виемени т отсчиты-вается с момент а оамык ан ия о ироо оги олюча (í = 0) с использованиом раз]оабитанной программы (алгоритм работы микрооонтроллер- изможан нрже).
По численному знаиению т и номинальному значению емкостм исио;мзуемого иоииснора С-е рассчитывается внутреннее со т] отивление аккумулятора:
и =о •а
дтг ^тя
а
кость ионистора; — оощее стпротивление цепи.
Общее сопротивление цепи Судет складываться из сопротивлениИ соединиоелнных мронодов, внутреннего сопротивления иотистора и внутреннего сопротивления АКО
Сопротивлением аоединительных проводов можно пренебречь в сл[чае использования провода необходимого поотрочного сечения, выполненного из материала, обладающего низким удельным сопротивлением [3 ]. Сопротивление ионистора также много меньше ЯАК. Таким образом, величина тока короткого замыкания в рассм ,триваемом случае будет зависеть в осаовном оса значения ЛАК.
Максимальное значение тока заряда ионистора (скачок тока) возникает в мом ент времени t = 0 (рис. 2) и опредедаетня сиеаующим образом:
а Со)с°таи°тк .
о) ота
К моменту времени ¡м т т2к в цепи ионистора уменьшится в 2,73 иаза (точта 2, рис. 2) от своего первоначальаого отачения ТиТ0).
¿то (н с а) е-1 с еИо (0) е"
при этом напряжение достигнет значения, равного
Структурная схема устройства представлена на рис. 3.
Коммутация АКБ и ионистора осуществляется силовым ключом К. Соединительные провода должны иметь достаточное поперечное сечение и целесообразно их выполнить из многожильного провода. Контакты ионистора должны обеспечивать подключение силовых цепей.
Для решения этой задачи наиболее рациональным является разработка устройства диагностики на базе 8-разрядного микроконтроллера, обладающего достаточным быстродействием и памятью, а также возможностью изменения кода программы без доработки аппаратной части системы измерения.
Кроме того, микроконтроллер, на который возложена функция обработки аналоговых сигналов, отсчета временных отрезков, должен отвечать следующим требованиям:
— иметь в составе своей периферии двухканаль-ный аналого-цифровой преобразователь и таймер/ счетчик, обладающие достаточными для осуществления измерений разрядностью и частотой преобразований;
— достаточную вычислительную мощность;
— иметь доступные средства отладки.
Принцип работы рассматриваемого цифрового
устройства.
После подачи питания устройство переходит в режим ожидания, в этом режиме определяется ЭДС аккумулятора. При замыкании силового ключа К система автоматически переходит в режим контроля характеристик. Происходит включение таймера и осуществляется отсчет времени. Аналоговый сигнал, пропорциональный иИО, подается на вход АЦП, после чего он подвергается цифровой обработке, в результате которой определяются мгновенные значения напряжения иИО. В момент времени
т
АК
ем-
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема устройства:
1 — разъем для ввода программы в микроконтроллер; 2 — источник питания устройства; 3 — микроконтроллер; 4 — жидкокристаллический индикатор
Рис. 5. Блок-схема алгоритма программы
£ = т, когда напряжение на ионисторе достигает иИО (£ = т), происходит выключение таймера. Измеренное значение временного отрезка т используется в соответствии с алгоритмом программы для определения значения ЯАК. По завершению необходимых вычислений на жидкокристаллическом индикаторе фиксируются значения Еак 7ио (* = т)=1ю.
Принципиальная схема предлагаемого устройства изображена на рис. 4.
К моменту окончания процесса заряда ионисто-ра, ток ионистора становится равным нулю, а напряжение на ионисторе будет равно напряжению аккумулятора. Для обеспечения необходимой точности измерений, частота дискретизации АЦП должна обеспечивать не менее тысячи отсчетов в секунду дискретных значений и на интервале времени [0; т], а значение инкрементирования таймера должно составлять порядка Д£ =0,001 сек.
Управляющая программа микроконтроллера [4] состоит из следующих частей:
1) подключение внешних библиотек и объявление глобальных переменных;
2) инициализация периферийных устройств микроконтроллера;
3) обработчик результатов преобразования АЦП;
4) обработчик прерывания по переполнению 8-битного таймера Т0;
5) основной цикл программы.
Блок-схема алгоритма программы микроконтроллера представлена на рис. 5.
Выводы. Предлагаемое устройство диагностирования позволит существенно снизить трудоемкость работ по техническому обслуживанию АКБ, а также может быть использовано при проведении исследований химических источников энергии в различных условиях.
Библиографический список
1. Кузнецов, В. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы) / В. Кузнецов, О. Панькина, Н. Мачков-ская // Разработка и производство. Компоненты и технологии. - 2005. - Вып. 50. - С. 14-16.
2. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле : учеб. для техн. вузов по направлениям «Электротехника», «Электротехнологии», «Электромеханика», «Электроэнергетика» и «Приборостроение» для бакалавров / Л. А. Бессонов. - 11-е изд. - М. : Юрайт, 2012. -317 с. - 1 эл. опт. диск (DVD-ROM. - ISBN 978-5-9916-1451-1.
3. Прикладная электрохимия / Н. П. Федотьев [и др.]. - Л. : Химия, 1967. - 482 с.
4. ГОСТ 19.701м (ИСО 5807-85). Схемы алгоритмов программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения. - Введ. 1992-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1991. - 3 с.
ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теоретической и общей электротехники Омского государственного технического университета (ОмГТУ). СЫСОЛЯТИН Виктор Юрьевич, кандидат технических наук, преподаватель кафедры электрооборудования и автоматики Омского автобронетанкового инженерного института.
КУРАКИНА Ольга Павловна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры теоретической и общей электротехники ОмГТУ. Адрес для переписки: kop_toe@mail.ru
Статья поступила в редакцию 16.06.2016 г. © А. П. Попов, В. Ю. Сысолятин, О. П. Куракина
