BG2647U1 - Уред за измерване на напрежението и вътрешното съпротивление на батерии - Google Patents

Abstract

Уредът е предназначен за директно измерване на вътрешното съпротивление и напрежението на батерии, както и за провеждане на лабораторни изследвания в областта на физиката и техническите дисциплини. Основните предимства на разработения уред са: мобилност, висока точност на измерването, едновременно определяне на вътрешното съпротивление на батерията и нейното напрежение, възможност за безжична комуникация с персонален компютър, таблет или смартфон. Математическа обработка на получените данни от измерванията, която се извършва чрез специализиран софтуер.

Description

(54) УРЕД ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА НАПРЕЖЕНИЕТО И ВЪТРЕШНОТО СЪПРОТИВЛЕНИЕ НА БАТЕРИИ

BG 2647 UI (57) Уредът е предназначен за директно измерване на вътрешното съпротивление и напрежението на батерии, както и за провеждане на лабораторни изследвания в областта на физиката и техническите дисциплини. Основните предимства на разработения уред са: мобилност, висока точност на измерването, едновременно определяне на вътрешното съпротивление на батерията и нейното напрежение, възможност за безжична комуникация с персонален компютър, таблет или смартфон. Математическа обработка на получените данни от измерванията, която се извършва чрез специализиран софтуер.

претенции, 2 фигури

2647 UI

2647 UI (54) УРЕД ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА НАПРЕЖЕНИЕТО И ВЪТРЕШНОТО СЪПРОТИВЛЕНИЕ НА БАТЕРИИ

Област на техниката

Уредът служи за директно измерване на вътрешното съпротивление и напрежението на батерии за нуждите на физиката и инженерните (техническите) науки.

Предшестващо състояние на техниката

Известни са различни методи за определяне техническото състояние на акумулаторните батерии. Един от най-елементарните начини за тестване на акумулаторните батерии е измерването на тяхното напрежение. При този метод, ако напрежението е под определена стойност, батерията се определя като негодна. Въпреки това, провеждането на подобен тип тест не винаги е удачно решение, защото е необходимо батерията да се зареди преди провеждане на измерването. Ако акумулаторът е изтощен, напрежението ще бъде ниско и реално технически годна батерия може да бъде неправилно окачествена като негодна. Освен това, този метод не дава никаква информация за това какво количество енергия може да се съхрани в батерията. Друг метод за анализ на състоянието на батерии е известен като тест с натоварване. При тестовете с натоварване батерията се разрежда с константен ток. В процеса на разреждане на батерията, нейното напрежение непрекъснато се измерва и получената информация от тези измервания се използва за определяне на техническото й състояние. Недостатъци на този метод са изискването батерията да бъде достатъчно добре заредена, продължителността на измерването е значителна и батерията е изключена от токозахранващата система. Известно е, че вътрешното съпротивление е индикатор за общото състояние на батерията. Вътрешното съпротивление на акумулатора нараства с увеличаване на сулфатизацията на електродите, увеличаване на степента на корозия, както и при изпаряването на електролита в акумулатора. Следователно вътрешното съпротивление на батерията представлява важен показател за нейната ефективност.

Един от съвременните методи за тестване на акумулатори е измерването на вътрешното им съпротивление. За осъществяването на този тип измерване батерията се натоварва с известен постояннотоков консуматор, като се измерва промяната на напрежението между клемите на батерията, вследствие на протичащия през нея ток. Известни са голям брой разработки на подобни специализирани устройства за нуждите на различни индустриални отрасли. Такъв тип устройства намират приложение в автомобилостроенето [1-4]. Принципът им на действие се основава на контролиране на разрядния ток на акумулатора чрез промяна на мощността на захранвания от него товар или чрез промяна на изходния ток на автомобилния алтернатор. Напрежението на акумулатора се измерва при различните стойности на товарния ток и по този начин се определя неговото вътрешно съпротивление. Друг подход за определяне на вътрешното съпротивление на батерии, състоящ се в разреждане на батерията през еталонни резистори за определени интервали от време, е представен в [5], подобен тип устройства могат да бъдат реализирани за работа при големи разрядни токове [6]. Очевидно измерването на вътрешното съпротивление на батериите чрез постояннотокови натоварвания се е превърнало в метод, намиращ все по-голямо приложение. При разработките на уреди за осъществяване на подобен тип измервания през последните години все повече се използват микропроцесорни системи, снабдени с аналогово-цифрови преобразуватели (АЦП) [7,8]. Изчисляването на вътрешното съпротивление на батерията се извършва от микроконтролер на база на получените стойности от АЦП, който измерва тока и напрежението на батерията при определени условия. В някои от съвременните устройства за определяне на вътрешно съпротивление натоварването на батерията се извършва чрез управляем електронен товар, изграден на базата на мощен транзистор, който генерира константен ток в рамките на няколко милисекунди [9]. При изследване на батерии с голямо вътрешно съпротивление разрядният ток в рамките на самото измерване трябва да бъде минимален. Това от своя страна създава трудности свързани с неговото определяне. С цел подобряване точността на измерването и минимизиране на влиянието на свързващите проводници между батерията и измерителното устройство, в някои се използва четирипроводно свързване по метода на Келвин [10-12]. При този метод през двата свързващи

2647 UI проводника се осъществява товарната верига, като обикновено последователно на изследваната батерия се свързва генератор на ток. Другите два се използват за измерване на възникналия пад на напрежение вследствие протичащия ток.

При голяма част от модерните измервателни уреди е предвидена възможност за комуникация с компютър, което разширява сериозно възможностите за тяхното приложение [13]. По този начин се създава възможност за съхранение на голям брой стойности от измервания, както и за математическа обработка на получените резултати. За осъществяване на качествен контрол и мониторинг на батерии в някои от уредите се предвижда възможност за запаметяване на индустриални стандартни стойности, с които да се сравни вътрешното съпротивление на измерваната батерия [14].

В настоящия момент този метод се използва за мониторинг на акумулаторите в автомобилостроенето и се е наложил като особено полезно средство за определяне на техническата годност на батериите, използвани в системите за непрекъснато електрозахранване (UPS) [13,14]. Подробни изследвания на вътрешното съпротивление на акумулаторите и връзката му с техния капацитет са представени в [15,16]. Измерванията са проведени чрез метода на импедансната спектроскопия. За целта е използвана апаратура, състояща се от няколко лабораторни модула. Това създава сериозни затруднения при условие, че измерванията трябва да се провеждат в полеви условия. Съществен недостатък също е високата цена на подобен тип оборудване за анализ, както и необходимостта за отделяне на батерията от системата, която тя захранва, за да могат да се проведат измерванията. Все по-широкото използване на различни методи за определяне на вътрешното съпротивление като средство за анализ на батерии, води до нарастваща нужда за проектиране на импедансни анализатори, имащи ниска себестойност и възможност за работа в полеви условия.

Най-широко използваната стандартна техника за тестване на батерии е известна като тест с променливо натоварване. Този тест се извършва при заредена батерия като се спазват изискванията от сервизната инструкция на батерията.

Въпреки че тестът с натоварване дава полезна информация за състоянието на батерията, той има следните недостатъци:

• Батерията трябва да бъде достатъчно добре заредена, за да може да се отдаде максимална енергия в товара.

• Вследствие на теста батерията се разрежда до известна степен.

• Стандартното оборудване за извършване на тестове с натоварване е обемисто, тежко и трудно преносимо.

• По време на теста е възможно възникване на електрически искри.

• Тестът с натоварване отнема известно време за разреждането на батерията, поради това при извършване на продължителни измервания се налага оборудването да се охлажда, за да не се стигне до прегряване.

• Батериите често се намират при различни температури, което може да доведе до възникване на грешки при анализиране на резултатите.

• Батерията се изключва от оборудването.

При уредите, използващи принципа на кратковременно натоварване на батерията с правотокови импулси основен недостатък е, че може да се измери само вътрешното съпротивление на батерията. Методът не дава възможност за определяне на нивото на заряд и капацитета на батерията. Подобен тип измервания се прилагат когато батерията се използва за захранване на постояннотокови товари.

При по-съвременните методи за тестове на батерии се определя проводимостта на батерията. Батерийните тестери, които определят състоянието на батерията въз основа на нейната динамична проводимост, извършват измерването чрез инжектиране на малък променливотоков сигнал през батерията, като се измерва резултатното променливо напрежение. Голяма част от предлаганите на пазара уреди измерват параметрите на батерията при фиксирана честота на сигнала, което в някои случаи може да се окаже фактор, лимитиращ приложението им.

Методът на импедансната спектроскопия предоставя много подробна информация за техническото състояние на батерията. Съществен недостатък е високата цена на подобен тип оборудване за анализ, както и необходимостта за отделяне на батерията от системата, която тя захранва, за да могат да се проведат необходимите измервания.

2647 UI

Техническа същност на полезния модел

Задачата на полезния модел е да се създаде уред за бързо, точно и директно измерване на вътрешното съпротивление и напрежението на батерии, което има възможност за безжична комуникация с персонален компютър, таблет или смартфон, както и извършване на математическа обработка на получените данни от измерването.

Разработеният уред определя състоянието на батерията въз основа на нейната динамична проводимост (съпротивление). Анализът се извършва чрез инжектиране на слаб променливотоков сигнал през батерията, като се измерва резултатното променливо напрежение. Тъй като тази техника се базира на използване на малки променливотокови сигнали, тя лесно се прилага, не води до разреждане на батерията, относително бърза е и няма предпоставки за възникване на електрически искри. С цел оптимизиране на хардуерната част на уреда в сравнение със съществуващи конструкции, е използван цифров импедансен конвертор в интегрално изпълнение AD5933. Използването на тази специализирана интегрална схема за реализацията на подобен тип уред дава възможност за:

• значително опростяване на хардуерната част на уреда;

• намалява се пътя на измервания аналогов сигнал, което води до подобряване на шумозащитеността на уреда;

• предоставя се възможност за провеждане на измерванията в широк честотен диапазон от 1 Hz - 100 kHz, което дава възможност за получаване на по-информативен анализ на състоянието на батерията;

• реализирани са 4 измерителни обхвата, даващи възможност за измерване на батерии с вътрешно съпротивление от 1 πιΩ - 1 Ω.

За анализ и обработка на получените от измерванията резултати е разработен специализиран софтуер за персонален компютър, таблет и смартфон. По този начин е реализирана възможност за графично и цифрово изобразяване на получения резултат от измерването, както и за създаване на база данни от определен брой измервания. Чрез потребителския интерфейс на софтуера се осъществява лесна и бърза настройка на параметрите на измерването и има възможност за калибриране на уреда ако това е необходимо.

Описание на полезния модел

Полезният модел на уред за бързо, точно и директно измерване на вътрешното съпротивление и напрежението на батерии е показан на фиг. 1, където 1 представлява импедансен конвертор в интегрално изпълнение AD5933. Генерираният сигнал от импедансния конвертор се използва за управление на модул за определяне на разрядния ток през акумулаторната батерия (генератор на ток 5). Големината на амплитудата и честотата на разрядния ток, протичащ през батерията, може да се задава цифрово. Сигналът, получен вследствие на реакцията на изследвания обект (батерия), се усилва от специализиран диференциален усилвател 4. Усиленото напрежение, постъпващо на входа на AD5933, се преобразува в цифров вид от аналогово-цифров преобразувател, интегриран в импедансния конвертор AD5933. След това този сигнал се обработва чрез прилагане на дискретна фурие трансформация (DFT), която се извършва от модула за цифрова обработка на сигналите (DSP), интегриран в интегралната схема AD5933. DFT алгоритъмът дава възможност за получаване на стойностите на реалната (R) и имагинерна (I) компонента на импеданса на изследваната батерия. Управлението на AD5933 се осъществява от интегралната схема 2 микроконтролер (PIC18F2550). Разработен е софтуер за микроконтролера, даващ възможност за задаване и промяна на основните физични параметри при провеждане на измерването, които са: амплитуда на генерирания променливотоков сигнал, чрез който се натоварва батерията, начална честота при провеждане на измерването, стъпка на промяна на честотата, брой стъпки на промяна на честотата. Получените резултати след края на всяко измерване се предават от импедансния конвертор към микроконтролера. Текущата стойност на напрежението на батерията се измерва чрез аналогово-цифров преобразувател 6, който преобразува аналоговата стойност на напрежението в цифров вид. Получената цифрова стойност след преобразуването се предава към микроконтролера 2. Микроконтролерът 2 е свързан и към модул за безжична комуникация 3. Връзката между двете интегрални схеми се осъществява чрез UART интерфейс. Чрез модула за безжична комуникация се осъществява връзка между разработения уред и персонален компютър, таблет или смартфон. За визуализация на получените

2647 UI данни от измерването в графичен и цифров вид е разработен специализиран софтуер, позволяващ математическа обработка на резултатите от измерванията. Разработен е потребителски интерфейс, даващ възможност за избор на основните параметри при провеждането на измерването, запис на получените данни, както и извършване на процедура по калибриране на устройството.

Предимства на уреда

Използване на минимален брой електронни компоненти, чрез което се постига висока надеждност и ниска себестойност. Малки габарити и тегло, даващи възможност за лесно пренасяне на уреда и работа при полеви условия. Възможност за анализ на състоянието на батериите без да се прекъсва тяхната работа като захранващи източници, което разширява приложението на уреда за извършване на сервизна дейност. Наличие на безжичен комуникационен интерфейс за връзка с устройство за визуализиране на резултатите от измерванията. Възможност за интегриране на уреда в други системи и уреди за осъществяване на непрекъснат мониторинг на батериите им.

Примери за изпълнение на полезния модел

Уредът за измерване на вътрешното съпротивление и напрежението на батерии, показан на фиг. 2, се състои от генератор на ток, който е изграден чрез елементите транзистор Q1, операционен усилвател U1 и резисторите R1, R2, R5. Генераторът на ток се управлява от специализирана интегрална схема U7 (цифров импедансен преобразувател) AD 5933, като е свързана за неговия аналогов изход чрез делителя на напрежение R4, R3. Интегралната схема U10 представлява интегрален генератор на правоъгълни импулси, служи за подаване на тактов сигнал към AD5933 и е свързана към неговия тактов вход. Положителният полюс на измерваната батерия е свързан към генератора на ток, а отрицателният й полюс към маса (точка с нулев потенциал). Към същите две точки, чрез кондензаторите С1 и С2, са свързани входовете на измерителен диференциален усилвател, реализиран с резисторите R6, R7, R8, R9, Rll, R12 и операционния усилвател U2. Капацитетите С1 и С2 осигуряват постояннотоково разделяне на усилвателя от измерваната батерия. Коефициентът на усилване на усилвателя се определя от отношението на стойностите на резисторите R7/R6 и R9/R8. Чрез резисторите Rll, R12 е реализиран делител на напрежение, осигуряващ виртуална земя за операционния усилвател, като кондензаторът С6 се използва за филтриране на променливотоковата съставка. Усиленият от диференциалния усилвател сигнал се подава към входа на импедансния преобразувател AD5933 чрез разделителния кондензатор СЗ. Резисторите R10, R16 определят коефициента на усилване на входния операционен усилвател на импедансния преобразувател AD5933. Софтуерното конфигуриране на регистрите, както и цялостното управление на импедансния преобразувател AD5933 се осъществява от микроконтролера U8 PIC18F2550. След края на всяко измерване получената от AD5933 стойност се предава на микроконтролера. Комуникацията между двете интегрални схеми е двупосочна и се реализирана чрез сериен интерфейс I2C. Кондензаторите С13, С14 и кварцовият резонатор XI изграждат тактовия генератор на микроконтролера. След приемането на измерените цифрови стойности от AD5933 микроконтролерът ги предава на модула за безжична комуникация U9. Връзката между двете интегрални схеми е реализирана чрез сериен интерфейс UART. Посредством U9 стойностите от измерването се предават безжично към устройство за визуализация, което може да бъде персонален компютър, таблет или смартфон.

Claims (2)

1. Уред за измерване на вътрешното съпротивление и напрежението на батерии, характеризиращ се с това, че включва генератор на ток (5), свързан с диференциален усилвател (4) и аналогов цифров преобразувател (6), като диференциалният усилвател (4) е еднопосочно свързан с импедансен преобразувател (1), който двупосочно е свързан с микроконтролер (2), като микроконтролерът (2) от своя страна е свързан с безжичен комуникационен модул (3).

2. Уред за измерване на вътрешното съпротивление и напрежението на батерии съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че цифровият импедансен преобразувател (1) е аналогово-цифров конвертор, интегриран в интегрална схема.