Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей



страница1/13
Дата17.10.2016
Размер2,77 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13
ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

На правах рукописи



ЧУПИН Дмитрий Павлович

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Научный руководитель –

кандидат технических наук, доцент

Кобенко Вадим Юрьевич

Омск - 2014



СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….5

Глава 1

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ………………………………

11


1.1

Типы аккумуляторных батарей…………………………………

11

1.2

Диагностические параметры аккумуляторных батарей………

16

1.2.1

Напряжение разомкнутой цепи………………………………….

17

1.2.2

Напряжение под нагрузкой………………………………………

20

1.2.3

Внутреннее сопротивление……………………………………….

21

1.3

Характеристики АБ……………………………………………….

26

1.4

Методы диагностики щелочных АБ…………………………….

28

1.4.1

Оценка качества новых АБ……………………………………….

28

1.4.2

Оценка степени заряженности АБ……………………………….

31

1.4.3

Оценка степени деградации в процессе эксплуатации АБ…….

36

1.5

Методики диагностики свинцово-кислотных АБ………………

38

1.5.1

Оценка качества новых свинцово-кислотных АБ………………

38

1.5.2

Оценка степени заряженности АБ……………………………….

43

1.5.3

Особенности контроля параметров в процессе эксплуатации АБ……………………………………………………………………

46


1.5.4

Оценка степени деградации АБ………………………………….

49

1.6

Методы восстановления АБ………………………………………

52




Выводы по главе…………………………………………………..

56

Глава 2

РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ………………………………

57


2.1

Исследование параметров АБ……………………………………

57

2.1.1

Выбор эквивалентной схемы аккумуляторной батареи………

57

2.1.2

Физическая модель колебательных процессов в растворе электролита…………………………………………………………

68


2.1.3

Добротность эквивалентной схемы АБ…..……………………..

72

2.1.4

Принципы измерения параметров АБ…….…………………….

76

2.1.5

Исследование активного сопротивления АБ……………………

79

2.2

Разработка методов контроля характеристик АБ……………..

84

2.2.1

Метод диагностики по активному сопротивлению АБ…………

84

2.2.2

Метод диагностики по характеристической частоте АБ………

90

2.2.3

Совместное применение активного сопротивления и характеристической частоты………………………………….....

96


2.2.4

Метод вычисления характеристической частоты………………

105




Выводы по главе…………………………………………………..

112

Глава 3

МЕТОД КЛАССИФИКАЦИИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ…………………………………………………………

114


3.1

Классификация АБ по критерию активного сопротивления….

114

3.2

Классификация АБ по параметру характеристической частоты

127

3.3

Классификация АБ по напряжению разомкнутой цепи……….

128

3.4

Классификация АБ внутри типа…………………………………

130




Выводы по главе…………………………………………………..

135

Глава 4

ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ………………………………………………….

136


4.1

Программно-аппаратная реализация «Измерителя параметров АБ»…………………………………………………………………

137


4.1.1

Программная реализация «Измерителя параметров АБ»……

138

4.1.2

Аппаратная реализация измерителя параметров АБ…………

151

4.2

Программная реализация «Анализатора АБ»………………..

154




Выводы по главе………………………………………………….

165

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………...167

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………..169

ПРИЛОЖЕНИЕ 1………………………………………………………………178

ПРИЛОЖЕНИЕ 2……………………………………………………………181

ПРИЛОЖЕНИЕ 3……………………………………………………………182



ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время аккумуляторные батареи (АБ) широко применяются как источники питания портативных устройств, стартерные батареи в автотранспорте, источники бесперебойного питания и как аккумуляторы энергии в альтернативных энергетических установках (солнечные и ветровые электростанции). В каком бы приложении батарея не применялась, ее преждевременный отказ может повлечь последствия разной степени тяжести: от потери информации на персональном компьютере при аварийном отключении электропитания до остановки сложных технологических процессов на производстве. В связи с этим возникает необходимость в получении оперативной и достоверной информации о текущем состоянии АБ для своевременной ее замены.

Основными эксплуатационными характеристиками АБ, является ее емкость (резервная в минутах или номинальная 5-ти, 10-ти или 20-ти часового разряда в ампер-часах). Прямое измерение резервной и номинальной емкости связано с непосредственным разрядом АБ, что занимает много времени и требует отключения АБ от питаемой ею системы.

Методы оперативной оценки состояния АБ основываются на характеристиках, полученных косвенно, в результате анализа параметров, которые можно измерить достаточно быстро. Основой таких методов являются специальные приборы - анализаторы АБ. Принцип их действия основан на измерении параметров батареи (обычно внутреннего сопротивления) на переменном токе всего за 10-20 секунд. Значения измеренных параметров позволяют оценить степень деградации батареи и спрогнозировать значения резервной и номинальной емкости, тока стартерного разряда АБ.

Сведения о таких параметрах и их зависимостях от основных эксплуатационных характеристик встречаются в работах таких авторов как А.А. Таганова, Ю.И. Бубнов, С.Б. Орлов, И.Ф. Дантенко, S. Rodrigues (С. Родригес), S. Cheng (С. Ченг), A. Hammouche (А. Хаммоч), Ю.М. Поваров, В.Н. Митькин, Е.А. Нижниковский, И.Ф. Даниленко. Для правильной интерпретации параметров АБ измеренных на переменном токе необходимо процессов происходящих в электролите. Теория электрохимического импеданса и физика колебательных процессов в растворах электролитов раскрыта в работах таких ученых, как А.Б. Климник, 3.Б. Стойнов, Б.М. Графов, Б. Савова-Стойнова, В.В. Елкин. Проблемы диагностики и неразрушающего контроля так же активно развиваются в работах Ю.М. Вешкурцева, В.Н. Костюкова, В.Ю. Тэттэра, В.В. Клюева.

Качественная диагностика АБ методами косвенной оценки ее характеристик по быстро измеримым электрическим параметрам требует знания электрической эквивалентной схемы АБ. В представленной работе проведен анализ существующих эквивалентных схем АБ, обоснован выбор модели АБ в виде последовательной RLC-цепи. На основании выбранной модели выбран дополнительный диагностический параметр АБ – характеристическая частота.

Объектами исследования выступают аккумуляторные батареи.

Предметом исследования являются параметры и характеристики аккумуляторных батарей.

Идея диссертационной работы заключается в совместном измерении параметров активного сопротивления и характеристической частоты аккумуляторной батареи, представленной в виде последовательной RLC-цепи, с целью повышения достоверности оценки эксплуатационных характеристик АБ.

Цель диссертационной работы – разработка метода контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей с помощью специализированного анализатора, реализующего алгоритм совместного измерения параметров активного сопротивления и характеристической частоты аккумуляторной батареи, представленной в виде последовательной RLC-цепи.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:



  1. Разработка метода контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторной батареи по двум параметрам (активному сопротивлению и характеристической частоте);

  2. Подбор простейшей математической модели аккумуляторной батареи, из известных моделей двухполюсников, адекватно описывающей поведение реальной АБ при эксплуатации и диагностике на переменном токе.

  3. Разработка метода вычисления характеристической частоты аккумуляторной батареи;

  4. Разработка алгоритма автоматической классификации и его адаптация для автоматического определения степени заряженности, типоразмера (номинальной емкости) и классификации аккумуляторных батарей одного типоразмера (номинальной емкости) по их текущему состоянию.

  5. Разработка программного обеспечения (ПО) для определения эксплуатационных характеристик аккумуляторной батареи по нескольким параметрам и автоматического определения степени заряженности, типоразмера (заявленной емкости) и классификации аккумуляторных батарей одного типоразмера (заявленной емкости) по их текущему состоянию.

Методы исследования. При выполнении исследований применялся комплексный подход, основанный на применение теоретических основ электротехники, цифровой обработки сигналов, теории вероятности и математической статистики и методов регрессивного и корреляционного анализа. Обработка экспериментальных данных проводилась на персональном компьютере с помощью программного обеспечения, разработанного в среде LabVIEW, а также с помощью электронных таблиц.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Метод контроля эксплуатационных характеристик АБ по двум параметрам (активному сопротивлению и характеристической частоте эквивалентной RLC-цепи);

  2. Результаты применения метода контроля эксплуатационных характеристик АБ по двум параметрам (активному сопротивлению и характеристической частоте эквивалентной RLC-цепи);

  3. Алгоритм вычисления параметра характеристической частоты аккумуляторной батареи.

  4. Программное обеспечение и алгоритмы, реализующие метод контроля эксплуатационных характеристик АБ по двум параметрам (активному сопротивлению и характеристической частоте эквивалентной RLC-цепи) и адаптированный алгоритм автоматической классификации АБ.

Научная новизна

  1. Метод контроля эксплуатационных характеристик АБ по двум параметрам (активному сопротивлению и характеристической частоте эквивалентной RLC-цепи);

  2. Результаты вычисления эксплуатационных характеристик аккумуляторной батареи по методу, основанному на использование двух параметров (активного сопротивления и характеристической частоты эквивалентной RLC-цепи), что повышает достоверность оценки характеристик аккумуляторной батареи;

  3. Алгоритм вычисления параметра характеристической частоты аккумуляторной батареи.

Практическая ценность работы подтверждается следующими достижениями:

  1. Разработан метод оценки эксплуатационных характеристик аккумуляторной батареи по двум параметрам (активному сопротивлению и характеристической частоте эквивалентной RLC-цепи), которая была испытана и внедрена в работу лаборатории по диагностике и восстановлению аккумуляторных батарей предприятия ОАО «Фирма «Алекто-Электроникс»;

  2. Результаты работы были использованы при выполнении следующих тем:

  • ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы» государственный контракт № 16.516.11.6091 от 08.07.2011 по теме: «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области разработки и создания оборудования для диагностики и эксплуатации энергетического оборудования»;

  • Государственное задание Министерства образования и науки Российской Федерации высшим учебным заведениям на 2012 и на плановый период 2013 и 2014 годов в части проведения научно-исследовательских работ по теме № 7.3785.2011 «Разработка теоретических основ и прикладных аспектов идентификационной алгебры сигналов»;

  • Договор № 13227 от 07.11.2013 о выполнении составной части научно-исследовательской работы по теме «Разработка и натурная отработка методов и алгоритмов обнаружения и классификации малоразмерных объектов, находящихся в водном слое, на дне и захороненных в слое донных осадков (мин и автономных средств подводного наблюдения противника)».

  1. Результаты работы использованы в учебном процессе. Отражено в акте внедрения в учебный процесс подготовки инженеров по специальности 210106 – «Промышленная электроника» на кафедре «Технология электронной аппаратуры» ОмГТУ;

  2. Программное обеспечение для контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторной батареи по двум параметрам (активному сопротивлению и характеристической частоте эквивалентной RLC-цепи) и адаптированный алгоритм автоматической классификации аккумуляторных батарей, подлежащее внедрению в технологический процесс производства АБ, станций технического обслуживания АБ и службы контроля состояния АБ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной 15-летию «ИРСИД» (Омск, 2012); Восьмая международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2012); Международная научная конференция «Молодежь третьего тысячелетия» (Омск, 2012); I Всероссийская конференция «Территория и практика Успеха» (Омск, 2013); II Всероссийская конференция «Территория и практика Успеха» (Омск, 2014).

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 17 научных работах, из них в изданиях входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ – 3, в свидетельствах о регистрации электронных ресурсов – 3, в материалах конференций 11. Лично, без соавторов, выполнено 12.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения, списка литературы из 90 наименований, приложения. Общий объем работы составляет 188 страниц (в том числе 155 страниц основного текста), 77 рисунков, 25 таблиц, 3 приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации изложены имеющиеся на сегодняшний день теоретические и практические разработки в области оценки состояния аккумуляторных батарей косвенным образом по значениям оперативно-измеримых параметров АБ. В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:



  1. Обосновано использование модели АБ в виде последовательной RLC-цепи.

  2. Разработан метод оценки резервной и номинальной емкостей по активному сопротивлению и характеристической частоте, измеряемым на основе предложенной модели RLC-цепи, который позволяет вычислять значение резервной емкости батареи с точностью от 7 до 12 минут, значение номинальной емкости с точностью от 4,5 до 7 Ач для батарей емкостью менее ~80 Ач. Для батарей емкостью более ~80 Ач – от 15 до 160 мин. и 9 Ач соответственно. Использование двух независимых параметров позволяют повысить достоверность оценки эксплуатационных характеристик АБ путем уменьшения стандартной ошибки в раз.

  3. Разработан метод вычисления характеристической частоты АБ, на основе предложенной модели RLC-цепи. Метод позволяет вычислять резонансную частоту всего по 4 точкам частотной зависимости реактивного сопротивления, при этом ошибка вычисления параметра резонансной частоты не превышает 2 Гц.


ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Сложно представить нашу жизнь без носимых электронных устройств (телефонов, плееров, планшетных компьютеров). Именно аккумуляторные батареи (АБ) являются энергетическим сердцем каждого из этих устройств, без которой они становятся практически бесполезны. В настоящее время аккумуляторные батареи применяются во множестве устройств и систем как источники автономного питания. Аккумуляторные батареи окружают человека и их можно встретить практически во всех сферах его жизни.



1.1 Типы аккумуляторных батарей

Среди множества разновидностей аккумуляторных батарей можно выделить наиболее часто используемые. К ним относятся никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, свинцово-кислотные, литий-ионные и литий-полимерные АБ.



Никель-кадмиевые АБ (Ni-Cd) применяются достаточно долго, однако обладают невысокой энергетической плотностью 45-80 Вт/кг. Они имеют длительный срок службы до 1500 циклов разряд/заряд и способны обеспечить высокие пиковые токи разряда до 20С (C – емкость АБ). Батареи такого типа, как правило, применяются в качестве источников питания радиостанций, биологического и медицинского оборудования, профессиональных видеокамер и электроинструмента.

Никель-кадмиевые батареи не критичны к режиму быстрого заряда в течение 1 часа и допускают полный разряд малыми токами. Более того, периодический полный разряд просто необходим батареям этого типа. Иначе на пластинах элементов формируются крупные кристаллы, существенно снижающие их емкость (так называемый «эффект памяти»). Это единственный тип батарей, которые способны работать в самых жестких температурных условиях от –40 до +60 °С.

К недостаткам никель-кадмиевых АБ можно отнести токсичность применяемых при их производстве материалов и относительно высокий саморазряд ~20% емкости в месяц [1-7].

Никель-металлгидридные АБ (Ni-MH) обладают большей энергетическую плотность 80-120 Вт/кг, но и меньший срок службы 300-500 циклов разряд\заряд, который снижается при высоких токах нагрузки. Хотя высокие токи разряда допустимы (до 5С), длительная эксплуатация в таких режимах значительно снижают срок службы батарей. Оптимальным считается ток разряда равный 0,2-0,5С. При эксплуатации батарей этого типа не желательно допускать глубокого разряда.

Батареям этого типа свойственен высокий саморазряд, порядка 30% емкости в месяц. Они значительно меньше подвержены «эффекту памяти», чем никель-кадмиевые. Кроме того они не требуют регулярного контроля при хранении и транспортировке, сохраняют работоспособность при температурах -20 – 60 °С. Никель-металлгидридные батареи содержат только очень слабые токсины и могут быть переработаны вторично.

Недостатками батарей этого типа является необходимость применения сложного алгоритма заряда, поскольку в его процессе выделяется большое количество тепла. Кроме того батареи периодически требуют контрольно-тренировочного цикла (полный разряд/заряд) [1-7].

Свинцово-кислотные АБ имеют наименьшую энергетическую плотностью 30-50 Вт/кг. Пиковый ток нагрузки может достигать 5С. Батареи такого типа сохраняют работоспособность при температурах окружающей среды -20 – 60 °С. Также они обладают довольно низкой скоростью саморазряда, порядка 5% в месяц. Батареи такого типа наиболее удобны для использования в энергоемких приложениях, где их существенные вес и габариты не играют роли. Они считаются самыми надежными, долговечными и не требующими высоких эксплуатационных затрат химическими источниками тока. Чаще всего они применяются в больничном оборудовании, креслах-каталках, в системах аварийного освещения и источниках бесперебойного питания, в автомобильной технике.

В настоящее время активно эксплуатируются три поколения аккумуляторных батарей. Первое поколение – это батареи с жидким электролитом открытого или закрытого типа, с номинальной емкостью от 35 до 5300 Ач и сроком службы 10-20 лет. Батареи открытого типа не имеют крышек, и электролит соприкасается непосредственно с воздухом. Такие батареи нуждаются в частой доливке дистиллированной воды, и должны эксплуатироваться в хорошо вентилируемых помещениях.

Батареи закрытого типа имеют крышку со специальными пробками, обеспечивающими задержку аэрозоли серной кислоты. Эти пробки вывинчиваются при эксплуатации или заливке электролита и добавление воды. АБ закрытого типа могут быть необслуживаемыми, они поставляются залитыми и заряженными. Благодаря конструкции пробок, обеспечивающих удержание паров воды в виде конденсата, такие батареи не нуждаются в доливке воды.

Второе поколение – герметизированные гелевые батареи. Такие батареи содержат гелеобразный электролит, полученный смешиванием серной кислоты с загустителем. Гелевые батареи не нуждаются в обслуживании в течение всего срока эксплуатации. Однако они критичны к стабильности напряжения зарядного устройства. Нестабильность напряжения заряда не должна превышать ±1 %. Превышение максимально допустимого напряжения заряда приводит к обильному газовыделению и образованию полостей незаполненных электролитом на границе с электродом.

Третье поколение часто называют герметизированными AGM-батареями. AGM (Absorbed in Glass Mat) – это технология изготовления батарей, при которой электролит абсорбирован в сепараторах из стекловолокна, размещенных между электродами. Такой сепаратор представляет собой пористую систему, в которой электролит удерживают капиллярные силы. При этом количество электролита дозируется так, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались свободными для циркуляции выделяющихся газов. Не смотря на то, что в батареях такого типа газообразование существенно меньше, они так же критичны к стабильности напряжения заряда (не хуже ±1 %) [1-8].

Литий-ионные АБ (Li-Ion) обладают очень высокой энергетической плотностью 110-160 Вт/кг. Пиковый ток нагрузки может превышать 2С. Батареи такого типа сохраняют работоспособность при температурах окружающей среды -20 – 60 °С. Также они обладают довольно низкой скоростью саморазряда, порядка 10% в месяц. Однако при этом требуют строгого соблюдения правил эксплуатации и техники безопасности. Они наилучшим образом подходят для приложений, в которых необходима высокая емкость батарей и одновременно предъявляются жесткие требования к их весу. Применяются в ноутбуках и мобильных телефонах.

Литий-ионные батареи обладают хорошими нагрузочными характеристиками и нетребовательны к обслуживанию. У них отсутствует «эффект памяти», для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов. Высокое напряжение на элементе батареи (3,7 В) позволяет выпускать аккумуляторные источники питания, состоящие всего лишь из одного элемента. При производстве мощных батарей, состоящих из нескольких элементов, большое преимущество дает очень низкое внутреннее сопротивление элементов. В плане экологической безопасности литий-ионные батареи значительно более безвредные, чем АБ на основе свинца или кадмия.

Однако, такие батареи обладают и недостатками. Они требуют применения схем защиты, которые ограничивают пиковое напряжение на каждом элементе в процессе заряда и предупреждают падение напряжения ниже допустимого значения при разряде. Кроме того большинству типов литий-ионных батарей свойственно старение. Вне зависимости от того, использовалась батарея или нет, емкость батареи снижается уже через год. Через 2-3 года батареи чаще всего выходят из строя [1-6,9,10].

Литий-полимерные АБ представляют более дешевую версию литий-ионных батарей. Они обладают высокой энергетической плотностью 100-130 Вт/кг. Пиковый ток нагрузки может превышать 2С. Батареи такого типа сохраняют работоспособность лишь при положительных температурах окружающей среды (0-60 °С). Также они обладают довольно низкой скоростью саморазряда, порядка 10% в месяц. Они могут иметь тонкий корпус и чаще всего применяются в мобильных телефонах, коммуникаторах и планшетных компьютерах.

Литий-полимерные батареи отличаются от обычных литий-ионных тем, что они используют твердый сухой электролит из полимера, не проводящий электрический ток, но пропускающий через себя ионы. Полимерный электролит заменяет пористый сепаратор, пропитываемый жидким электролитом. Такие АБ оказываются проще в производстве, более безопасны и имеют удобную тонкопрофильную геометрию. Литий-полимерный элемент можно изготовить толщиной всего в 1 мм.

Недостатком литий-полимерных батарей является слишком высокое внутреннее сопротивление, которое не позволяет обеспечивать высокие токи. Большинство батарей, используемых для питания мобильных телефонов, являются гибридными. В таких батареях вместо сепараторов применяется твердый электролит с добавлением гелевого, что улучшает ионообменные процессы и снижается внутреннее сопротивление. Такие батареи правильнее называть - литий-ионные полимерные батареи [1-6,9,10].



Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница