Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей



страница1/12
Дата11.02.2019
Размер2.73 Mb.
ТипДиссертация
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

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………………………………

14


1.1

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

14

1.2

Диагностические параметры аккумуляторных батарей………

18

1.2.1

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

19

1.2.2

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

22

1.2.3

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

23

1.3

Характеристики АБ……………………………………………….

28

1.4

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

30

1.4.1

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

30

1.4.2

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

33

1.4.3

Оценка степени деградации в процессе эксплуатации АБ…….

38

1.5

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

40

1.5.1

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

40

1.5.2

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

45

1.5.3

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

48


1.5.4

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

51

1.6

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

54




Выводы по главе…………………………………………………..

58

Глава 2

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

59


2.1

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

59

2.1.1

Выбор эквивалентной схемы аккумуляторной батареи………

59

2.1.2

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

70


2.1.3

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

73

2.1.4

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

78

2.1.5

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

81

2.2

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

86

2.2.1

Метод диагностики по активному сопротивлению АБ…………

86

2.2.2

Метод диагностики по характеристической частоте АБ………

92

2.2.3

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

99


2.2.4

Метод вычисления характеристической частоты………………

108




Выводы по главе…………………………………………………..

115

Глава 3

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

117


3.1

Классификация АБ по критерию активного сопротивления….

117

3.2

Классификация АБ по параметру характеристической частоты

129

3.3

Классификация АБ по напряжению разомкнутой цепи……….

131

3.4

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

133




Выводы по главе…………………………………………………..

137

Глава 4

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

139


4.1

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

140


4.1.1

Программная реализация «Измерителя параметров АБ»……

141

4.1.2

Аппаратная реализация измерителя параметров АБ…………

154

4.2

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

157




Выводы по главе………………………………………………….

168

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………...170

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………..172

ПРИЛОЖЕНИЕ 1………………………………………………………………181

ПРИЛОЖЕНИЕ 2……………………………………………………………183

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 сопротивлении) 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. Тэтора.

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 89 наименований, приложения. Общий объем работы составляет 186 страниц (в том числе 163 страниц основного текста), 50 рисунков, 20 таблиц, 2 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.


Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

  1. Чупин, Д.П. Исследование методов диагностики аккумуляторных батарей / Д.П. Чупин // Омский научный вестник. – № 1 (117) – 2013. – С. 253-257.

  2. Чупин, Д.П. Исследование мотора Бедини в качестве зарядного устройства для аккумуляторных батарей / Д.П. Чупин // Омский научный вестник. – № 2 (130) – 2014. – С. 200-203.

  3. Чупин, Д.П. Способ лингвистической интерполяции результатов измерения / Ю.Н. Кликушин, В.Ю. Кобенко, Д.П. Чупин // Омский научный вестник. – № 2 (130) – 2014. – С. 191-194.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

  1. Чупин, Д.П. Метод диагностики аккумуляторных батарей / Ю.Н. Кликушин, В.Ю. Кобенко, Д.П. Чупин. – М.: ИНИПИ ОФЭРНиО, 2012. – рег. № 50201250384.

  2. Чупин, Д.П. Параметры аккумуляторных батарей. База данных / Д.П. Чупин. – М.: ИНИПИ ОФЭРНиО, 2014. – рег. № 50201450511.

  3. Чупин, Д.П. Алгоритм сегментации изображений подводных объектов / Ю.Н. Кликушин, В.Ю. Кобенко – М : ИНИПИ ОФЭРНиО, 2012. – № 50201450559.



Материалы конференций

  1. Чупин, Д.П. Резонансный метод измерения внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей / Д.П. Чупин // Электроэнергетика и приборостроение: современное состояние, перспективы развития и подготовка кадров : материалы международной науч.-практ. конф. Т. 1. – Петропавловск: СКГУ им. М. Козыбаева, 2011. – С. 61-63.

  2. Чупин, Д.П. Методы диагностики аккумуляторных батарей / Д.П. Чупин // Измерение, контроль, информатизация: Материалы Тринадцатой Международной науч.-техн. конф. Т. 1. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. – С.164-168.

  3. Чупин, Д.П. Метод оперативной оценки емкости аккумуляторных батарей / Ю.Н. Кликушин, Д.П. Чупин // Измерение, контроль, информатизация: Материалы Тринадцатой Международной науч.-техн. конф. Т. 1. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. – С.158-161.

  4. Чупин, Д.П. Метод оценки параметров аккумуляторных батарей / Д.П. Чупин // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышлености и связи, посвященной 15-летию ИРСИД. – Омск: Изд-во КАН, 2012. – С.205-207.

  5. Чупин, Д.П. Метод определения емкости аккумуляторных батарей / Д.П. Чупин // Динамика систем, механизмов и машин : материалы VIII Междунар. науч.-техн. конф. (Омск, 13-15 ноября 2012 г.) : в 5 кн. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012: Кн. 1. – С.342-345.

  6. Чупин, Д.П. Система диагностики аккумуляторных батарей на базе звуковой карты ПК / Д.П. Чупин, А.А. Чепель // Измерение, контроль, информатизация: Материалы XIV Международной науч.-техн. конф. Т. 1./ под. ред. Л.И. Сучковой. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2013. – С.128-130.

  7. Чупин, Д.П. Динамическая компенсация погрешностей в системе оперативной диагностики аккумуляторных батарей / Д.П. Чупин // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио. – Омск: Изд-во «Полиграфический центр КАН», 2013. – С.199-202.

  8. Чупин, Д.П. Влияние измерительных щупов на результаты измерений внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей / Д.П. Чупин // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность! : материалы V Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием : в 3 кн. / [отв. ред. А.В. Косых]. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. – С.247-250.

  9. Чупин, Д.П. Система оперативной диагностики аккумуляторных батарей / Д.П. Чупин // Тезисы I Всероссийской конференции "Территория и практика Успеха". – Омск, 2013. – С.151-152.

  10. Чупин, Д.П. Проведение экспериментальных исследований с использованием анализатора аккумуляторных батарей AEA30V / Д.П. Чупин // Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона (Омскресурс-3-2013) : Материалы III Межвуз. науч. конф. студ. и аспир. (Омск, 11-12 дек. 2013 г.) / ОмГТУ ; [отв. ред. Т.П. Ковтун, А.А. Начвина]. – Омск : Изд-до ОмГТУ, 2013. – С.133-135.

  11. Чупин, Д.П. Система автоматической диагностики аккумуляторных батарей / Д.П. Чупин // Тезисы II Всероссийской конференции "Территория и практика Успеха". – Омск, 2014. – С.145-146.




Каталог: scientific activities -> dissertatsionnye sovety -> obyavleniya o zashchite dissertatsiy i dokumenty k nim -> chopin-d-p
chopin-d-p -> Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей
chopin-d-p -> Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей
chopin-d-p -> Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей
scientific activities -> Н. А. Шумилов; Упр по делам архивов Арханг обл., Гос арх. Арханг обл. Архангельск : Правда Севера, 2010. c ил
scientific activities -> 1 Теоретические основы информационно-измерительной техники
obyavleniya o zashchite dissertatsiy i dokumenty k nim -> Исследование рабочих процессов и создание конструкции газожидкостного агрегатА с гладким и профилированным поршневым бесконтактным уплотнением
scientific activities -> Технология повышения качества рабочей поверхности коллекторов электрических машин постоянного тока при ее механической обработке
scientific activities -> Научно-представительские мероприятия академии фсин россии «визитные карточки кафедр»
scientific activities -> Повышение ресурса коллекторно-щеточного узла электрических машин постоянного тока


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


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

    Главная страница