Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей



страница6/13
Дата17.10.2016
Размер2.77 Mb.
ТипДиссертация
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

2.1.4 Принципы измерения параметров АБ

Для измерения параметров АБ использовался анализатор электрохимических источников питания AEA30V [71, 72] (рис. 2.13), разработанный ООО «Фирма «Алекто-Электроникс». Это устройство позволяет за одну операцию измерения получить значения активного R0, реактивного X, комплексного Z сопротивлений, а также разности фаз A напряжения тестового сигнала и тока протекающего через исследуемый элемент.



_igp7172

Рис. 2.13. Анализатор электрохимических источников питания AEA30V.

Измерения производятся по четырехпроводной схеме измерения сопротивления (рис. 2.14), на переменном токе возбуждения.

Рис. 2.14. Функциональная схема измерения сопротивления; Z – исследуемый элемент (аккумуляторная батарея); Rоп – опорное сопротивление; G – генератор тестового сигнала; V1 и V2 – вольтметры.

Принцип измерения в целом можно описать так. Напряжение тестового сигнала U1, поступающего с генератора G, измеряется вольтметром V1. Вольтметр V2 измеряет падение напряжения U2 на опорном резисторе Rоп [73].

Согласно второму закону Кирхгофа, алгебраическая сумма падений напряжений по замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура. В данном случае ЭДС, действующая вдоль контура GZRоп, создается генератором G и ее значение UG можно выразить



(2.16)

где UG – напряжение тестового сигнала, UG = U1; UZ – падение напряжения на исследуемом элементе; URоп – падение напряжения на опорном резисторе, URоп = U2.

По закону Ома, сила тока в цепи обратно пропорциональна её сопротивлению

(2. 16)

где I – ток в цепи; Z – полное сопротивление исследуемого элемента; Rоп – сопротивление опорного резистора.

Падение напряжения на исследуемом элементе

(2. 18),

Подставим выражения (2.17) и (2.18) в (2.16) и выразим полное сопротивление исследуемого элемента



(2. 19),

То есть для определения полного сопротивления исследуемого элемента Z достаточно знания текущих показаний вольтметров V1 и V2 и номинала опорного резистора Ron.

Для вычисления активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления анализатор измеряет разность фаз A напряжений U1 и U2.

Из известных соотношений полного сопротивления и его реальной и мнимой составляющих можно составить систему уравнений



(2. 20)

где, A – разность фаз напряжений U1 и U2, в градусах; X – реактивное сопротивление, Ом; R – активное сопротивление, Ом.

Решив систему (2.20) получим выражения активной R и реактивной X составляющих полного сопротивления Z

(2.21)

Согласно основным тригонометрическим тождествам выражения (2.21) можно упростить до выражений



(2.22)

Выражения (2.22) полностью соответствуют правилам перевода из координат точки полярной системы, каковыми являются значения полного сопротивления Z и фазы А, в координаты декартовой системы координат – активная и реактивная составляющие сопротивления Z [73].

Анализатор позволяет получить значения R, X, Z и A на 4х различных частотах за одно измерение. Частота тестового сигнала варьируется от 20 до 1000 Гц с дискретностью 1Гц.

Диапазон измерения активного R, реактивного X и полного Z сопротивлений находится в пределах от 0,006 до 6 Ом. Погрешность измерения сопротивления ± 5% от измеряемой величины. Диапазон измерения угла A разности фаз лежит в пределах от – 90° до + 90° с дискретностью 0,01°.

Также анализатор позволяет измерять напряжение разомкнутой цепи. Диапазон измерений лежит в пределах от 0,3 до 30 В. Погрешность измерения напряжения составляет ± 0,5 % от измеряемой величины [72].

В анализаторе существует функция сохранения полученных измерений. Данные сохраняются в txt-файле в виде таблицы. Считать файл с данными можно через USB порт, подключив анализатор к персональному компьютеру.

Все вышеупомянутые характеристики подтверждены декларацией о соответствии № РОСС RU.ME72.Д00137 и сертификатом соответствия № РОСС RU.ME72.H01021.

2.1.5 Исследование активного сопротивления АБ

Активное сопротивление R аккумуляторной батареи определяется омическим сопротивлением активных масс электродов и сопротивлением электролита. Именно этот параметр определяет падение напряжения на клеммах батареи при больших токах нагрузки. Кроме того, как уже упоминалось, внутреннее сопротивление АБ хорошо коррелирует с ее основными характеристиками – резервной емкостью и емкостью 20-часового разряда.

Активное сопротивление по своему определению не зависит от частоты. Изменять свои значения в зависимости от протекающего через них тока – удел реактивных элементов. Однако сопротивление R, вычисленное способом, представленным в разделе 2.1.4, изменяется с ростом частоты. При рассмотрении частотной характеристики активного сопротивления R видна некоторая закономерность (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Частотная характеристика активного сопротивления R.

На рис. 2.15 приведены значения сопротивления R батареи Panasonic 5524 напряжением 12 В, номинальной емкостью С20 = 45 Ач с порядковым номером 41. Вероятно на малых частотах от 20 до ~200 Гц на измеряемое значение R оказывают влияние паразитные параметры измерительной схемы. На более высоких частотах от ~500 Гц до конца измерительного диапазона влияние значительно снижается, и значение сопротивления уменьшается плавно. Очевидно, что с дальнейшим ростом частоты значение R достигнет установившегося состояния. На этих частотах влияние реактивных параметров сведется к нулю, и установившееся значение будет максимально приближено к реальному значению сопротивления АБ. В диапазоне частот 20-1000 Гц ближайшим к установившемуся будет значение, полученное при частоте тестового сигнала 1000 Гц. Очевидно, поэтому государственный стандарт [15-19] регламентирует измерять активное сопротивление АБ на частоте 1000 Гц. Опираясь на выдвинутые предположения и на регламент государственного стандарта [15-19] в дальнейшем за значение активного сопротивления аккумуляторной батареи будем принимать, значение, полученное на частоте 1000 Гц.

Значение активного сопротивления R коррелирует со многими критериями состояния АБ. К ним относятся степень заряженности или резервная емкость, емкость 20-ти часового разряда, пусковой ток или ток холодной прокрутки, некоторые конструктивные особенности АБ.

Зависимость частотных характеристик активного сопротивления АБ от степени заряженности можно видеть на рис. 2.16. Характеристики получены на батарее Panasonic 5524 напряжением 12 В, номинальной емкостью С20 = 45 Ач, номинальной резервной емкостью CR = 80 минут и порядковым номером 42.

Рис. 2.16.Частотные характеристики активного сопротивления АБ в разных состояниях

Максимальное сопротивление R1000 = 10,010 мОм (верхняя характеристика) соответствует разряженной аккумуляторной батарее. Процесс разряда проходил в режиме измерения резервной емкости согласно ГОСТ Р 53165-2008 [75]. Батарея разряжалась током 25 А до предельного напряжения 10,5 В. Дальнейший разряд не рекомендован, так как может привести к необратимым изменениям в АБ (потеря емкости, деформация пластин электродов). Условно такое состояние можно считать минимальной степенью заряженности (0%).

Минимальное сопротивление R1000 = 5,517 мОм соответствует заряженной батарее. Заряд проводился реверсивным методом на оборудовании разработанном ООО «Фирма «Алекто-Электроникс». Стабилизированный ток заряда, ступенчато изменялся по достижению предельного напряжения. Напряжение подбирается по типу батареи, таким образом, чтобы не допустить «кипение» электролита (образование водорода и кислорода). Время заряда составляло 16-20 часов до переключения на последнюю ступень подзарядки минимальным током (порядка 0,2-0,3 А). Батарея Panasonic 5524 № 42 получила заряд Q = 55,162 Ач при ее номинальной емкости 45 Ач. Такое состояние условно можно считать максимальной степенью заряженности (100%).

Средняя характеристика со значением R1000 = 6,531 мОм соответствует батарее после длительного срока хранения. Батарея Panasonic 5524 № 42 с момента ее выпуска до момента измерения параметров провела на складе 465 суток (1 год 3 месяца и 7 дней). В течение этого времени протекали процессы саморазряда и соответственно привели к пассивации электродов, изменению химического состава и концентрации веществ электролита. Это отразилось на значении активного сопротивления R, и оно возросло. Будем называть такие батареи частично разряженными.

Очевидно, что наблюдается отрицательная корреляция активного сопротивления со степенью заряженности батареи. Резервная емкость CR батареи Panasonic 5524 № 42 после хранения составила 42,56 минут. Учитывая, что номинальная резервная емкость этой батареи CR = 80 мин. выходит, что через 465 суток хранения в батарее сохранилось 53,20 % заряда (примерно половина). Из рис. 2.18 видно, что разница сопротивлений заряженной и частично разряженной АБ (~1 мОм) меньше разницы сопротивлений частично разряженной и разряженной АБ (~4,5 мОм), что говорит о нелинейной зависимости резервной емкости АБ от ее активного сопротивления. Для сопоставления этих параметров выразим их в процентах относительно значений соответствующих заряженной батареи. Каждое значение сопротивления умножим на -1 и вычтем значение R разряженной батареи равное 10,010 мОм. Тем самым мы нормируем значения сопротивлений. Нормированное сопротивление RN разряженной батареи стало равным нулю, сопротивление частично разряженной батареи RN = 3,479 мОм, а сопротивление заряженной батареи RN = 4,493 мОм. Выразим нормированные сопротивления в процентах, для чего примем сопротивление RN заряженной АБ за 100%. Тогда сопротивление частично разряженной батареи составит 77,43% (табл. 2.3).

Таблица 2.4


Состояние АБ

Разряженная

Частично разряженная

Заряженная

Резервная емкость CR, мин.

0

42,56

80

Относительная резервная емкость CR (степень заряженности), %.

0

53,20

100

Активное сопротивление R, мОм

10,010

6,531

5,517

Нормированное сопротивление RN, мОм

0

3,479

4,493

Нормированное сопротивление, %

0

77,43

100

Изменение степени заряженности на 46,80 % соответствует изменению сопротивления на 22,57%, что подтверждает нелинейность зависимости. Если рассмотреть данные полученные на батареях одного типа мы увидим, что характер зависимости сохраняется. На рис. 2.17 приведен график распределения 15-ти батарей в зависимости от степени заряженности и резервной емкости CR. Все значения получены на свинцово-кислотных батареях Panasonic типа 5524 напряжением 12 В, номинальной емкостью С20 = 45 Ач, номинальной резервной емкостью CR = 80 минут и порядковыми номерами 42, 43, 44, 45, 52, 53, 54, 60, 62, 63, 81, 82, 83, 84, 85.



Рис. 2.17. Зависимость сопротивления R от резервной емкости CR (или степени заряженности CR, %)

Как видно из рис. 2.17 АБ в частично разряженном состоянии довольно хорошо сгруппировались. Стандартное отклонение SR для сопротивления составило всего 0,096 мОм, а для значений резервной емкости SCR = 0,680 мин. Такая плотность значений позволяет предположить, что используя значения активного сопротивления можно с высокой степенью точности прогнозировать остаточную (резервную) емкость АБ. Необходимо только определить корреляционную функцию этих двух параметров.

2.2 Разработка методов контроля характеристик АБ

2.2.1 Метод диагностики по активному сопротивлению АБ

Чтобы полностью охарактеризовать зависимость сопротивления от резервной емкости рассмотрим значения этих параметров, полученные на батареях различных типов. На рис. 2.18 представлен график распределения свинцово-кислотных батарей напряжением 12 В типа FIAMM 20720 номинальной емкостью C20 = 7,2 Ач, типа Panasonic 38B19 C20 = 35 Ач, Panasonic 55B24 C20 = 45 Ач, Panasonic 75D23 C20 = 65 Ач, Panasonic 105D30 C20 = 90 Ач, FIAMM 12UMTB160 C20 =160 Ач.



Рис. 2.18. Зависимость резервной емкости CR от активного сопротивления R для АБ различного типа

Согласно рис. 2.18, распределение батарей по этим параметрам явно подчиняется некоторой функции. Методом наименьших квадратов была подобрана функция, максимально точно описывающая это распределение. Аппроксимация зависимости проводилась при помощи программы TabeCurve 2D v.5.01 разработки © SYSTAT Software Inc. Уравнение подобранной функции имеет вид

(2.23)

где R – активное сопротивление АБ; CR – резервная емкость; a1 = -0,2285 и b1 = 0,0998 – коэффициенты алгебраического уравнения (2.23).

График функции (2.23) приведен на рис. 2.18 (аппроксимирующая функция). Статистическая ошибка подбора составила 1,581 мОм.

Как можно видеть из графика на рис. 2.20 для батарей с внутренним сопротивлением выше ~10 мОм кривая функции практически параллельна оси абсцисс (R, мОм). Для сопротивлений меньше ~4 мОм функция практически параллельна оси ординат (CR, мин.). Такие особенности функции затрудняют определение резервной емкости АБ, превышающей 120 мин., по ее активному сопротивлению. Обусловлено это высокой «чувствительностью» функции к изменениям значений сопротивления R при СR больше 120 мин. То есть сравнительно небольшие изменения сопротивления R сопровождаются довольно большими изменениями резервной емкости СR. Это повышает требовательность к точности измерения активного сопротивления. При вычислении значений емкости в диапазоне 120-150 мин. для ошибки ∆СR = 30 мин. достаточно ошибки ∆R = 0,37 мОм, а в диапазоне 240-300 мин. для той же ошибки ∆СR достаточно ошибки ∆R = 0,13 мОм. Наименее критичным к точности измерения сопротивления R можно считать диапазон емкостей до 25 минут. В этом диапазоне «чувствительность» функции минимальна и ошибка, допущенная при измерении сопротивления, не приводит к значительным отклонениям значения резервной емкости. Диапазон емкостей 25-100 мин. соответствует относительно равномерному изменению сопротивления и емкости.

Точность вычисления резервной емкости по выражению (2.23) можно оценить по данным в табл. 2.4. Минимальная ошибка вычисления ∆CRсред = 0,510 мин. (∆CRсред = CRизмCRвыч) соответствует батареям малой емкости типа FIAMM 20720 (C20 = 7,2 Ач). Стандартное отклонение этой ошибки SCr = 0,326 мин.

Для батарей типа Panasonic 10530 (C20 = 90 Ач) ошибка ∆CRсред составила 15,314 мин. Значения резервной емкости этого типа батарей приближается к 100 мин. Максимальная ошибка, полученная на батареях большой емкости типа FIAMM 12UMTB160 (C20 =160 Ач), составила -75,248 мин, что подтверждает выше сказанное. Стандартное отклонение этой ошибки SCr = 101,714 мин (табл. 2.5).



Таблица 2.5

Тип АБ

№ AB

Измеренная резервная емкость CRизм, мин.

Вычисленная резервная емкость CRвыч, мин.

Ошибка ∆CR, мин.

Среднее значение ошибки ∆CRсред, мин.

Стандартное отклонение SCr, мин.

20720

12

13,800

13,684

0,116

0,510

0,326

20720

13

15,000

14,154

0,846

20720

14

14,200

13,745

0,455

20720

15

14,700

13,863

0,837

20720

16

14,500

14,205

0,295

3819

16

30,160

36,107

-5,947

-6,801

2,632

3819

19

27,290

32,481

-5,191

3819

20

27,310

32,040

-4,730

3819

21

28,210

35,062

-6,852

3819

22

17,110

28,394

-11,284

5524

52

42,480

43,639

-1,159

-1,371

0,808

5524

53

43,050

44,568

-1,518

5524

54

43,060

45,727

-2,667

5524

60

43,390

43,917

-0,527

5524

62

43,440

44,423

-0,983

7523

13

67,040

59,050

7,990

6,409

1,766

7523

15

65,240

59,019

6,221

7523

17

65,420

58,068

7,352

7523

19

64,040

57,019

7,021

7523

21

64,200

60,737

3,463

10530

12

94,380

80,785

13,595

15,314

14,848

10530

13

132,100

90,784

41,316

10530

14

117,350

112,071

5,279

10530

15

78,440

70,793

7,647

10530

20

120,240

111,506

8,734

12160

1

300,490

464,590

-164,100

-75,248

101,714

12160

2

282,070

416,226

-134,156

12160

98

363,260

298,462

64,798

12160

99

241,120

308,653

-67,533

Промежуточные типы батарей имеют ошибки от 1,4 до 7 минут, что можно считать вполне допустимым.

Таким образом, корреляция активного внутреннего сопротивления АБ с ее резервной емкостью подтверждена. Уравнение (2.23) позволяет прогнозировать резервную емкость батарей различных типов по значению их активного сопротивления. Однако на применение этого выражения необходимо наложить ограничения. Оно не позволяет точно оценить емкость CR превышающую 100 мин. поскольку начиная с этого значения, увеличивается степень влияния погрешности измерения активного сопротивления на результат вычисления резервной емкости.

Проанализируем зависимость активного сопротивления АБ от номинальной емкости. Согласно [75] номинальная емкость С20 представляет собой электрический заряд в ампер-часах, который способна отдать батарея при разряде током



до конечного напряжения 10,5 В. Однако, в нашем случае номинальная емкость не результат измерения. Емкость С20 – это значение характеризующее батарею заявленное производителем. При этом считается, что новая, качественная, полностью заряженная батарея способна отдать заряд С20 при разряде током In. Часто значение номинальной емкости тесно связано с конструктивными особенностями батареи. Поэтому в нашем случае номинальная емкость определяет принадлежность к тому или иному типу батарей.

Построим график распределения свинцово-кислотных батарей напряжением 12 В (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Зависимость номинальной емкости C20 от активного сопротивления R для АБ разного типа

Значения сопротивления измерены на батареях типа FIAMM 20720 номинальной емкостью C20 = 7,2 Ач, типа Panasonic 3819 C20 = 35 Ач, Panasonic 5524 C20 = 45 Ач, Panasonic 7523 C20 = 65 Ач, Panasonic 10530 C20 = 90 Ач и FIAMM 12UMTB160 C20 =160 Ач в заряженном состоянии. Именно в этом состоянии батарея содержит заряд величиной С20.

Соответственно имеем 6 типов батарей, каждому соответствует значение номинальной емкости. Как можно видеть распределение батарей на рис. 2.19 подчиняется некоторой функции. Методом наименьших квадратов было подобрано уравнение этой функции



(2.24)

где a2 = 2,2106, b2 = 169,8701 и с2 = -1,0213 – коэффициенты алгебраического уравнения (2.24).

График функции (2.24) приведен на рис. 2.19 (аппроксимирующая функция). Статистическая ошибка подбора составила 0,386 мОм.

Графики на рис. 2.18 и 2.19 схожи по своему характеру. В диапазоне сопротивлений ~15-30 мОм аппроксимирующая функция на рис. 2.19 изменяется медленно. Сравнительно небольшому изменению емкости ∆С20 = 10 Ач (от 5 до 15 Ач) соответствует довольно большое изменение активного сопротивления ∆R = 22,146 мОм. В диапазоне сопротивлений 2-5 мОм аппроксимирующая функция быстро убывает. Здесь такому же изменению емкости ∆C20 = 10 Ач (от 60 до 70 Ач) соответствует небольшое изменение сопротивления ∆R = 0,378 мОм. Для емкостей более 100 Ач изменение ∆C20 = 10 Ач (от 100 до 110 Ач) соответствует изменению ∆R = 0,143 мОм. Таким образом, при вычислении номинальной емкости С20, превышающей 60 Ач, погрешности, допущенные при измерении сопротивления R, усиливаются в несколько раз и отражаются на результатах вычисления С20. Для АБ типа FIAMM 12UMTB160 (C20 =160 Ач) среднее значение ошибки ∆C20сред составило -9,640 Ач при стандартном отклонении SC20 = 28,013 Ач (табл. 2.6). При вычислении емкости С20, попадающей в диапазон до 15 Ач, погрешности измерения сопротивления R ослабляются и вносят минимальные ошибки в результат вычисления. Для АБ типа FIAMM 20720 (C20 = 7,2 Ач) среднее значение ошибки ∆C20сред = -0,014 Ач, а стандартное отклонение SC20 = 0,349 Ач (табл. 2.6).



Таблица 2.6

Тип АБ

№ AB

Заявленная номинальная емкость

C20, Ач

Вычисленная номинальная емкость

C20выч, Ач

Ошибка ∆C20, Ач

Среднее значение ошибки ∆C20сред, Ач

Стандартное отклонение SC20, Ач

20720

12

7,200

6,871

0,329

-0,014

0,349

20720

13

7,200

7,366

-0,166

20720

14

7,200

6,921

0,279

20720

15

7,200

7,187

0,013

20720

16

7,200

7,724

-0,524

3819

16

35,000

35,251

-0,251

1,089

1,674

3819

17

35,000

32,920

2,080

3819

19

35,000

31,978

3,022

3819

21

35,000

36,014

-1,014

3819

22

35,000

33,392

1,608

5524

41

45,000

47,023

-2,023

-0,734

1,109

5524

43

45,000

45,893

-0,893

5524

45

45,000

44,006

0,994

5524

53

45,000

45,550

-0,550

5524

60

45,000

46,199

-1,199

7523

12

65,000

61,265

3,735

4,341

2,078

7523

17

65,000

57,921

7,079

7523

19

65,000

59,109

5,891

7523

21

65,000

62,843

2,157

7523

24

65,000

62,156

2,844

10530

9

90,000

97,876

-7,876

-9,184

9,303

10530

12

90,000

86,116

3,884

10530

14

90,000

96,441

-6,441

10530

20

90,000

104,603

-14,603

10530

21

90,000

110,882

-20,882

12160

98

160,000

149,831

10,169

-9,640

28,013

12160

99

160,000

189,448

-29,448

В промежуточном диапазоне емкостей 15-60 Ач функция (2.24) изменяется сравнительно равномерно. Результаты вычисления C20 для батарей в этом диапазоне емкостей имеют небольшие значения ошибок. Это подтверждают данные табл. 2.6 для АБ типов Panasonic 3819 (C20 = 35 Ач) и Panasonic 5524 (C20 = 45 Ач). ∆C20сред для них составляет 1,089 и 0,734 Ач соответственно. А для батарей типа Panasonic 7523, значение номинальной емкости которых превышает 60 Ач (C20_7523 = 65 Ач), эта ошибка принимает несколько большее значение. ∆C20сред для них составляет 4,341 Ач (табл. 2.6).

Таким образом подтверждена зависимость номинальной емкости от активного сопротивления батареи. Уравнение (2.24) позволяет прогнозировать номинальную емкость батарей различных типов по значению их активного сопротивления. Однако необходимо учитывать тот факт, что при использовании этого выражения для диагностирования батарей с емкостью превышающей 100 Ач точность определения C20 снижается.


Каталог: scientific activities
scientific activities -> Результаты участия в Межрегиональном (с международным участием) конкурсе научно-исследовательских работ студентов – будущих учителей начальных классов и воспитателей доу
scientific activities -> Учебно-методическое пособие по подготовке к сдаче кандидатского минимума
scientific activities -> Структурно-семантические особенности формирования бронетанковой терминологии в английском языке
scientific activities -> Д т. н., доц. А. В. Косых 15 декабря 2012 г
scientific activities -> Учебно-методическое пособие по подготовке к сдаче кандидатского минимума
scientific activities -> Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности
scientific activities -> Научная школа-направление
scientific activities -> Отчет по результатам работ по Государственному контракту №112 от 20. 08. 2009 г. «Развитие человеческого капитала для региона инноваций»
scientific activities -> Постчеловеческое время
scientific activities -> Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности


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


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал