The problem of batteries capacity definition has been considered. The analysis of the existing methods has been carried out. The advantages and disadvantages of the above-stated methods from the point of view of diagnostics aspect have been estimated. The main problems and perspective directions of further development have been defined.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету
    Наукова стаття на тему 'Аналіз методів визначення ємності акумуляторних батарей гібридних автомобілів'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз методів визначення ємності акумуляторних батарей гібридних автомобілів»

    ?УДК 629.3 + 504

    АНАЛІЗ МЕТОДІВ ВИЗНАЧЕННЯ ЄМНОСТІ акумуляторних батарей ГІБРИДНИХ АВТОМОБІЛІВ

    В.В. Родзянов, студент, ХНАДУ

    Анотація. Розглянуто проблему визначення ємності акумуляторних батарей. Проведено аналіз існуючих методів, розглянуті їх переваги та недоліки з точки зору діагностики. Визначено основні проблеми та перспективні напрямки подальшого розвитку.

    Ключові слова: ємність акумуляторної батареї, визначення ємності, №-иі акумуляторна батарея.

    Вступ

    На сучасному етапі розвитку автомобільної промисловості для поліпшення економічних, екологічних і тягових якостей автомобіля широко почали застосовувати гібридні установки, т. Е. Двигун внутрішнього згоряння працює спільно з електричним двигуном. Джерелом живлення електродвигуна є акумуляторна батарея (АБ) підвищеної напруги.

    На автомобілі Тоуо1а Рйш застосовується №-МН АБ ємністю 6 А-ч. З огляду на те, що батарея постійно працює в режимі «заряд-розряд», і через обмежений числа циклів заряду-розряду ємність батареї знижується, а ефективність її використання падає. Погіршуються екологічні та економічні показники.

    Аналіз існуючих методів

    Метою роботи є визначення оптимального методу вимірювання ємності батареї і подальше визначення ефективності її використання на борту автомобіля.

    Знання конструкції та принципів роботи дозволить з великим розумінням поставитися до процесу експлуатації №-МН АБ і визначити можливі проблеми і неполадки.

    Відповідно до заяв виробників, максимальна втрата ємності №-МН, пов'язана

    з «ефектом пам'яті», не перевищує 5%, що під час експлуатації помітити вкрай складно. Це видно з графіка, наведеного на рис. 1.

    120%

    40% |

    20% --------,--------,------,--------,--------,

    0 500 1000 1500 2000 2500

    число циклів

    Мал. 1. Зміна ємності при циклічному розряді до 80%

    В сучасних №-МН АБ використовується склад водородоадсорбірующего сплаву. В процесі циклирования відбуваються коливання обсягу негативного електрода до 15 ... 25% від вихідного за рахунок поглинання / виділення водню. В результаті коливань обсягу виникає велика кількість мікротріщин в матеріалі електрода. У утворення мікротріщин є і негативна сторона - збільшується площа поверхні електрода, яка піддається корозії з витрачанням електроліту, що призводить до поступового збільшення внутрішнього опору елемента і знижують ємність.

    Згодом в результаті циклирования зростає і саморозряд АКБ за рахунок появи

    великих пір в матеріалі сепаратора і освіти електричного з'єднання між пластинами електродів. Ця проблема може бути тимчасово вирішена шляхом декількох циклів глибокого розряду акумулятора з наступним повним зарядом.

    На рис. 2 наведені характеристики саморозряду акумулятора, які надає завод-виготовлювач.

    14.0

    13.0

    12.0 11.0 10.0

    9.0 0.0

    0 10 20 30 40 50 у 70 80 90 100

    Глибина розряда (%)

    Мал. 2. Графік саморазряда при різних температурах

    Окремі акумулятори в батареї можуть мати дещо відмінні характеристики. Причиною цього є розкид параметрів при виробництві акумуляторів, нерівномірний розподіл температури всередині батареї при експлуатації і різні темпи старіння окремих акумуляторів. В результаті при зарядці батареї акумулятори з меншою ємністю будуть піддаватися перезарядки. Це викликає подальшу деградацію таких акумуляторів і вихід їх з ладу. З іншого боку, якщо один з акумуляторів в батареї має високий саморозряд або зовсім закорочен, то при спробі повної зарядки такої батареї перезаряду будуть відчувати справні акумулятори.

    Акумулятори з меншою ємністю будуть руйнуватися і в процесі розрядки батареї. Ці акумулятори виявляться вбраними раніше, подальша розрядка батареї може викликати дуже глибокий розряд таких акумуляторів і навіть їх переполюсовку. При цьому температура і тиск усередині АКБ будуть підвищуватися, що може привести до їх руйнування.

    Але на сьогоднішній день відсутні способи і пристрої ефективного визначення та вимірювання ступеня зарядженості, а також наявності кількості електрики (кулонів, ампер-годин) в хімічні джерела струму (ХДС), що визначає мобільність вуст-

    ройств, їх застосовують, а також є важливим моментом з точки зору продовження терміну служби акумуляторних батарей в експлуатації і виробленні гарантованого ресурсу. Для кислотних негерметичних АКБ існує непрямий метод визначення зарядженості по щільності електроліту, але цей метод має дуже багатьма відомими недоліками. Існує ще один непрямий метод визначення зарядженості АКБ за допомогою навантажувальної «вилки», або тестового навантаження (а. С. СРСР № 1619360, БІ № 1, 1991 р). Цей метод не знайшов широкого застосування і він, також, має низку недоліків. Індикатори ємності свинцевих акумуляторів «Кулон» мають похибку до 40% і призначені тільки для кислотних акумуляторів, а також дуже критичні до напруги на вимірюваному ХІТ. У комп'ютерах і мобільних телефонах, також як і в багатьох зарядний пристрій, судять про ступінь розрядженого або зарядженості ХІТ по напрузі на його клемах, але це також непрямий спосіб, а зв'язок ємності і напруги має нелінійну залежність, що дає невизначені результати вимірювання, і однозначно визначити значення Q ХІТ таким чином неможливо, тому що у розрядженого ХІТ, в залежності від навантаження, напруга на його клемах буде змінюватися. Індикатори «Бастіон» та «SKAT-T» мають похибки до 20%, і яка вимірюється ємність обмежена до 80 А-ч. Підприємства-виробники ХІТ для визначення ємності застосовують метод розряду-заряду. Цей спосіб не ефективний. Для визначення ємності деяких типів ХІТ йде до трьох діб. Тому перевірка, а не вимірювання ємності, робиться вибірково. І така перевірка показує, яка ємність була. Таким чином, в даний час взагалі відсутній спосіб і пристрої, що дозволяють ефективно проводити вимірювання електричної ємності ХІТ, а із застосуванням у виробництві ХІТ нанотехнологій проблема вимірювання ємності стане ще гострішою. Як в автомобілі є покажчик рівня палива, так і у всіх пристроях і приладах, живиться від ХІТ, необхідно мати компактний вимірювач (покажчик) зарядженості (залишкової ємності).

    Існують два методи виявлення ємності, захищені патентами РФ № 2172044 (БІ № 24 2001 г.) «Спосіб вимірювання ємності хімічних джерел струму» і

    №2214025, №2248073 «Пристрій для вимірювання ємності хімічних джерел струму», а також патентом України № 70359 (БІ № 10, 2004 р.) Спосіб полягає в порівнянні ємності вимірюваного ХІТ з відомою ємністю зразкового (еталонного) конденсатора. У цьому способі шляхом вимірювання напруги на вимірюваному ХІТ і розряді його на конденсаторну навантаження вимірюють час заряду конденсатора відомої ємності і розраховують електричну ємність вимірюваного хімічного джерела струму за формулою

    а = -

    2 ^ зар • до '

    де 0ел - електрична ємність вимірюваного ХІТ; С - ємність заряджається конденсатора; і - напруга на вимірюваному ХІТ; 4ар - час заряду конденсатора від вимірюваного джерела; до - коефіцієнт, що враховує конструктивні та технологічні особливості вимірюваного хімічного джерела струму.

    Ємність АКБ сильно залежить від величини розрядного струму. Тому єдиний надійний спосіб визначення ємності акумуляторів - це порівняння розрядної характеристики акумулятора з закладеними в пам'ять приладу зразками для кожної моделі. Якщо дана конкретна модель акумулятора в прошивці приладу відсутня, ємність може бути оцінена лише приблизно, після 3 ... 4 циклів заряду-розряду різними струмами.

    Іншим методом є визначення внутрішнього опору АБ. По суті, величина зниження напруги на елементах АБ при протіканні струму визначається внутрішнім опором елементів. Відомо, що ємність АБ пов'язана з її внутрішнім опором і, отримавши дослідним шляхом значення внутрішнього опору, можна оцінити і ємність АБ. Так, якщо внутрішній опір АБ збільшилася в 2 рази, то можна стверджувати, що ємність АБ зменшилася в 2 рази.

    Є досвід діагностики АБ на основі застосування спеціалізованих пристроїв, що вимірюють внутрішній опір АБ на змінному струмі. Їх використання дозволяє своєчасно виявляти дефекти АБ.

    Обстеження АБ проводиться регулярно. Вимірюються і фіксуються в комп'ютерних базах даних напруги і внутрішні опору кожного елемента батареї. Результати поточних вимірювань зіставляються з попередніми результатами вимірювань, і приймаються рішення про необхідність ремонту або заміни акумуляторів. Особливо важливо, що вимірювання робляться без виведення батареї з роботи і на обстеження однієї батареї напругою 220 В потрібно не більше ніж 1,5 години.

    При обстеженні АБ крім внутрішнього опору її елементів вимірюються опору і межелементних з'єднань. Це дозволяє своєчасно виявляти характерні дефекти, обумовлені корозією токовиводов акумуляторів.

    Вимірювання опору АБ на змінному струмі простіше вимірювання опору, що базується на створенні толчкового струму. Перебіг по АБ змінного струму протягом 1,5 годин, необхідних для виміру напруги на всіх її елементах, менш шкідливо, ніж багаторазове протікання толчкового струму, силою сотні ампер.

    Однак вимір внутрішнього опору АБ на змінному струмі має істотний недолік. Виміряний опір містить не тільки активну складову, але і реактивну, як це випливає з схеми заміщення (рис. 3). Отже, опір, отримане одночастотним методом вимірювання на змінному струмі, що не дорівнюватиме цікавить нас активного опору акумулятора, визначеним на постійному струмі. І навіть при наявності частотної залежності (за винятком дуже низьких частот - менш 1.3 Гц) перехід до опору на постійному струмі дуже скрутний в силу специфіки електрохімічних процесів. Отже, такі вимірювання можуть застосовуватися лише для оцінки тенденцій зміни технічного стану акумуляторів.

    Мал. 3. Схема заміщення, що визначає внутрішній опір АКБ

    Другий фактор, що знижує цінність результатів вимірювання внутрішнього опору на змінному струмі, полягає в використанні струму малої амплітуди, що не забезпечує відокремлення від вкрай нелінійного початкового ділянки ВАХ акумулятора.

    висновки

    У статті проведено аналіз стану існуючих методів діагностики АБ і проблеми їх застосування.

    Для визначення економічних і екологічних показників необхідно враховувати спільну роботу ДВС-АКБ.

    література

    1. Бажинов О.В., Смирнов О.П., серш С. А.,

    Гнатів О.В., Колесшков А.В. Пбрідш автомобш. - Харюв: ХНАДУ, 2008. -326 с.

    2. Смирнов О.П. Перспективи розвитку сис-

    тим електроживлення транспортних засобів // Матеріали доповіді в технічному університеті м Варна (Болгарія) на XIV науково-технічної конференції з міжнародною участю на тему: «Транспорт, екологія - стійкий розвиток» 8-10 травня 2008 року, Варна, 2008.- С . 295 - 301.

    Рецензент: А.В. Бажинов, професор, д.т.н. ХНАДУ.

    Стаття надійшла до редакції 27 березня 2009 р.


    Ключові слова: ємність акумуляторної батареї /визначення ємності /ni-mh акумуляторна батарея

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити