2.Исследование основных характеристик аккумуляторных батарей
Для проведения исследований? были предоставлены АКБ ведущего мирового производителя промышленных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей - марки FIAMM: модель FG20721. Внешний вид данной АКБ представлен на рис. 9. Моноблоки серии FG - герметизированные клапанно-регулируемые необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, электролит которых абсорбирован в стекловолокнистый наполнитель, служащий одновременно сепаратором(технология AGM).
Рис. 9 Внешний вид АБ FIAMM FG20721
Этот вид АКБ был выбран в силу своих отличительных особенностей:
• Экономичность
• Универсальность применения
(буферный и циклический режимы)
• Надежность
• Низкая величина саморазряда
• Способность к восстановлению после глубокого разряда
Основными характеристики АКБ:
Номинальная ёмкость, Ач: 7.2
Номинальное напряжение, В: 12
Диапазон температуры окружающей среды,°С: от -20 до +50
Масса, кг: 2.45
Габариты, мм: 151х65х94
Гарантия: 6 месяцев
Срок службы: 5 лет
Клеммы: Фастон 4.8/6.3
В таблице 1 приведены полные аналоги АБ FIAMM FG20721
Таблица 2.1. Аналоги АБ FIAMM FG20721
Бренд | Наименование | Описание | Напряжение | Емкость |
CSB | GP 1272 F2 | Аккумулятор CSB GP 1В, 7,2Ач (12v, 7,2ah) 151х65х94+6, 2,6 кг. | 12 | 7.2 |
CSB | GPL 1272 | Аккумулятор для буферного режима. Срок службы до 10 лет. | 12 | 7.2 |
CSB Battery Co. | GP 1272 F2 Тайвань | Аккумулятор CSB GP 1В, 7,2Ач 151х65х94+6, 2,6 кг | 12 | 7.2 |
Delta | HR 12-7,2 | Аккумулятор DELTA HR12-7,2 12В, 7,2Ач (12V, 7,2ah) 151х65х100, 2,55кг | 12 | 7.2 |
Исследование АКБ представляет собой измерение таких параметров, как внутреннее сопротивление, резервная ёмкость, напряжение на клеммах и ток стартерного заряда. Рассмотрим методы измерения, применявшиеся в ходе исследования.
2.1.Методы исследования основных параметров АКБ
2.1.1. Метод исследование внутреннего сопротивления
Для определения внутреннего сопротивления АКБ используют «нагрузочную вилку» на рис.10 представлена схема подключения нагрузочной вилки к АКБ.
|
|
Рис.10 Схема подключения нагрузочной вилки к АКБ
"Омическая" технология измерения сопротивления АКБ основана на законе Ома, который выражает отношения между изменениями в напряжении, силе тока и сопротивлении или проводимости в электрической цепи.
Закон Ома может быть выражен следующим образом:
ΔU = I x R или ΔU = I / G,
где ΔU - изменение напряжения в цепи (В), I – сила тока в амперах (A),
R-сопротивление в Омах (Ом), G-проводимость в Сименсах (S)
Таким образом, омическая технология в батареях использует измеренное сопротивление или значение проводимости, чтобы определить характеристики разрядки батареи под нагрузкой. Более низкая проводимость соответствует пониженной способности батареи проводить ток при снижении напряжения батареи. Таким образом, измерение омических факторов может использоваться для оценки характеристик заряда батареи.
В данном исследовании использовался тестер АКБ фирмы S-line MY-99 рис 3.
Схема подключения тестера предоставлена на рис. 11.
Рис. 11 Функциональная схема подключения тестера MY-99 к АКБ
(ИТ - измеритель импульса тока, ИН – измеритель напряжения, СУ – система управления, обработки данных и сравнения с Rк – откалиброванное сопротивление, ВР – вывод результатов на дисплей)
Результатом измерения показывается на дисплее, текущее напряжение, активное, реактивное и комплексное сопротивление на частотах 20,100,500 и 1000Гц. В процессе анализа рекомендовано рассматривать значение комплексного сопротивления на частоте 1000 Гц.
2.1.2 Метод исследования токастартерного заряда и напряжения
Существует несколько основных методик определения тока стартерного разряда, которые регламентированы стандартами SAE J537 (США), DIN 43539, часть 2 (Германия) и EN (страны Европейского экономического сообщества).
1. Немецкий стандарт DIN (Deutsche Industrie Norm). Во время испытаний аккумулятор разряжают при -18°С в течение 30 с до напряжения не ниже 9,0 В.
2. Американский стандарт SAE. Аккумулятор разряжают при -18°С в течение 30 с до напряжения не ниже 7,2 В.
3. Европейский стандарт EN (Europa Norm). В Европе вводится новый единый стандарт EN – 60095-1/93. В нем используется такая методика измерения токастартерного заряда: аккумулятор разряжают при температуре -18°С в течение 10 с до напряжения не ниже 7,5 В.
Компания Interstate Batteries разработала ручной тестер для измерения стартерного тока кислотных АКБ, использующие все перечисленные стандарты. На рисунке 12 представлена схема подключения тестера к АКБ.
Рис.12 Схема подключения тестера Interstate Batteries ED-18 к АКБ
(ИТ - измеритель импульса тока, ИН – измеритель напряжения, СУ – система управления, сравнения и обработки данных с эталоном, ВР – вывод результатов на дисплей)
В качестве результата измерения на дисплее отображает текущее напряжение и ток стартерного заряда.
2.1.3. Метод исследования резервной ёмкости
Для того что бы узнать значение резервной ёмкости АКБ, применялся смешанный метод измерения. Измерения проводились согласно ГОСТ . Раздел 5.2. "Проверка резервной емкости", ГОСТ . Раздел 5.3.1.4 в совокупности с использований номиналов предоставленных производителем АКБ FIAMM. Таким образом для того чтобы измерить резервную ёмкость необходимо разрядить АКБ током 13.9 А, до 10,5 В. Данный способ имеет название «Измерение времени разряда химических источников тока при номинальной постоянной нагрузке». Способ является косвенным и реализуется путем измерения двух других физических величин (тока и времени) и последующего расчета соответствующего значения емкости.
На ряду с другими методами измерения данный метод имеет ряд преимуществ:
- является единственным способом, отражающим суть физической величины - электрическая емкость;
- реализуют рекомендации ГОСТ и МЭК и являются образцовыми
К заряженной АКБ подключается электронная программируемая нагрузка, нагрузка управляется с помощью ПК через интерфейс GPIB. Функциональная схема подключения АКБ к електронной нагрузке (НР 6060А) показана на рисунке 13. General Purpose Interface Bus, GPIB (IEEE-488) – Интерфейсная шина общего назначения шина цифровых измерительных приборов, стандарт IEC-625 (МЭК 625.1)
Рис.13 Схема подключения АБ к нагрузке и ПК
На ПК установлена специальная программа «Discharge», разработанная в -Электроникс», управляющая работой нагрузки. Окно программы представлено на рисунке 14. Задаётся разрядный ток 13.9 А, конечное напряжение 10,5 В. Необходимо убедиться что клеммы присоединены на АКБ и нагрузка включена. С нажатием кнопки «Старт» запускается процесс разряда АКБ. Результат измерения – разрядная ёмкость в А*ч, разрядное время в минутах и графическая разрядная характеристика от начала и до конца измерения. Результат исследования сохраняется в файл на жёсткий диск.
Рис.14 Окно прграммы «Discharge»
2.1.4 Метод выполнения цикла разряд-заряд АКБ
Для заряда АКБ использовался прибор «Реаниматор» разработанный в ООО "Фирма "Алекто-Электроникс". Основное предназначение «Реаниматора» восстанавливать АБ, которые в следствии каких-либо причин изменили свои характеристики в худшую сторону.
На рисунке 14 представлена функциональная схема прибора «Реаниматор» .
Рис. 14 Функциональная схема прибора «Реаниматор»
Улучшение эксплуатационные характеристик аккумуляторов происходит при их заряде реверсивным током, т. е. переменным током с различными амплитудами и длительностями импульсов обоих направлений за каждый период их следования. При этом в каждом периоде аккумулятор заряжается и частично разряжается. «Реаниматор» обеспечивает режим заряда реверсивным током. При определенном соотношении амплитуд и длительности импульсов прямого и обратного тока снижается газовыделение и температура электролита.
Данного прибор обеспечивает соотношение зарядной и разрядной составляющих тока 10:1 и отношение длительностей импульсов этих составляющих 1:2 см рис.15 Этот способ позволяет активизировать поверхности пластин тем самым обращает процесс сульфатации.
Рис. 15 Диаграмма зарядного асимметрического тока
Разряд АКБ выполняется согласно пункту 2.1.3.
2.2. Результаты исследования экспериментальных параметров
Результаты измерений АКБ представлены в таблице 3.
Таблица 3. Экспериментальные значения основных характеристик АКБ
№ АБ | F, Гц | R, мОм | X, мОм | Z, мОм | Angle | U, В | J, А |
1 | 20 | 44.94 | -20.61 | 49.44 | -24.63 | 12.66 | 87 |
100 | 33.69 | -8.544 | 34.76 | -14.22 | |||
500 | 27.81 | -1.007 | 27.83 | -2.073 | |||
1000 | 26.23 | 4.042 | 26.54 | 8.757 | |||
2 | 20 | 48.40 | -21.83 | 53.09 | -24.28 | 12.72 | 78 |
100 | 37.30 | -9.761 | 38.56 | -14.66 | |||
500 | 30.19 | -2.055 | 30.22 | -3.978 | |||
1000 | 28.27 | 2.922 | 28.57 | 5.913 | |||
3 | 20 | 45.61 | -21.35 | 50.36 | -25.09 | 12.66 | 87 |
100 | 33.67 | -8.808 | 34.81 | -14.69 | |||
500 | 27.62 | -0.740 | 27.63 | -1.534 | |||
1000 | 26.00 | 4.716 | 26.42 | 10.28 | |||
4 | 20 | 47.67 | -22.04 | 52.52 | -24.81 | 12.71 | 82 |
100 | 35.36 | -9.497 | 36.62 | -15.03 | |||
500 | 28.80 | -2.428 | 28.90 | -4.818 | |||
1000 | 26.94 | 1.909 | 27.01 | 4.052 |
Продолжение таблицы 3 | ||||||||||||||
5 | 20 | 45.56 | -21.13 | 50.22 | -24.88 | 12.73 | 88 | |||||||
100 | 33.53 | -8.960 | 34.70 | -14.95 | ||||||||||
500 | 27.58 | -1.882 | 27.64 | -3.903 | ||||||||||
1000 | 25.99 | 2.396 | 26.10 | 5.265 | ||||||||||
Продолжение таблицы 3 | ||||||||||||||
6 | 20 | 43.90 | -18.20 | 47.52 | -22.51 | 12.71 | 87 | |||||||
100 | 33.90 | -7.674 | 34.76 | -12.75 | ||||||||||
500 | 28.63 | -1.432 | 28.66 | -2.863 | ||||||||||
1000 | 27.20 | 2.573 | 27.32 | 5.403 | ||||||||||
7 | 20 | 42.99 | -19.91 | 47.38 | -24.85 | 12.71 | 89 | |||||||
100 | 33.11 | -8.010 | 34.07 | -13.59 | ||||||||||
500 | 27.83 | -1.989 | 27.87 | -3.267 | ||||||||||
1000 | 26.39 | 2.376 | 26.50 | 5.143 | ||||||||||
8 | 20 | 44.99 | -20.29 | 49.35 | -24.28 | 12.76 | 86 | |||||||
100 | 34.13 | -8.715 | 35.23 | -14.32 | ||||||||||
500 | 28.08 | -2.164 | 28.17 | -4.405 | ||||||||||
1000 | 26.44 | 1.818 | 26.50 | 3.932 | ||||||||||
9 | 20 | 44.33 | -20.87 | 49.00 | -25.20 | 12.71 | 89 | |||||||
100 | 33.19 | -8.833 | 34.35 | -14.89 | ||||||||||
500 | 27.20 | -2.250 | 27.29 | -4.728 | ||||||||||
1000 | 29.99 | 1.672 | 25.64 | 3.737 | ||||||||||
10 | 20 | 44.38 | -19.92 | 48.34 | -24.34 | 12.75 | 89 | |||||||
100 | 33.27 | -8.556 | 34.35 | -14.72 | ||||||||||
500 | 27.34 | -2.090 | 27.42 | -4.370 | ||||||||||
1000 | 25.75 | 1.862 | 25.82 | 4.135 | ||||||||||
11 | 20 | 44.43 | -18.53 | 48.14 | -22.64 | 12.69 | 85 | |||||||
100 | 34.19 | -7.675 | 35.04 | -12.64 | ||||||||||
500 | 28.74 | -0.527 | 28.74 | -1.05 | ||||||||||
1000 | 27.23 | 4.573 | 27.61 | 9.53 | ||||||||||
12 | 20 | 48.15 | -21.36 | 52.68 | -23.91 | 12.70 | 78 | |||||||
100 | 34.06 | -9.541 | 38.26 | -14.43 | ||||||||||
500 | 30.21 | -1.891 | 30.27 | -3.581 | ||||||||||
1000 | 28.33 | 3.158 | 28.51 | 6.359 | ||||||||||
13 | 20 | 43.10 | -20.47 | 47.71 | -25.40 | 12.76 | 92 | |||||||
100 | 32.32 | -8.213 | 33.35 | -14.25 | ||||||||||
500 | 26.67 | -0.784 | 26.68 | -1.683 | ||||||||||
1000 | 25.11 | 4.368 | 25.48 | 9.867 | ||||||||||
14 | 20 | 46.50 | -20.86 | 50.97 | -24.15 | 12.75 | 82 | |||||||
100 | 35.45 | -8.749 | 36.51 | -13.86 | ||||||||||
500 | 29.27 | -1.270 | 29.30 | -2.48 | ||||||||||
1000 | 27.59 | 3.784 | 27.85 | 7.806 | ||||||||||
15 | 20 | 45.42 | -21.01 | 50.04 | -24.82 | 12.73 | 85 | |||||||
100 | 34.50 | -8.626 | 35.56 | -14.03 | ||||||||||
500 | 28.47 | -1.243 | 28.49 | -2.499 | ||||||||||
1000 | 26.81 | 3.761 | 27.07 | 7.983 | ||||||||||
Продолжение таблицы 3 | |||||||
16 | 20 | 42.31 | -19.47 | 46.57 | -24.71 | 12.76 | 93 |
100 | 31.96 | -7.843 | 32.90 | -13.78 | |||
500 | 26.55 | -0.683 | 26.56 | -1.473 | |||
1000 | 25.09 | 4.248 | 25.44 | 9.608 | |||
17 | 20 | 46.55 | -21.36 | 51.22 | -24.64 | 12.71 | 85 |
100 | 34.61 | -9.104 | 35.79 | -14.73 | |||
500 | 28.24 | -1.420 | 28.27 | -2.878 | |||
1000 | 26.51 | 3.648 | 26.76 | 7.834 | |||
18 | 20 | 48.20 | -21.59 | 52.82 | -24.12 | 12.70 | 78 |
100 | 37.05 | -9.664 | 38.29 | -14.61 | |||
500 | 30.03 | -1.917 | 30.09 | -3.652 | |||
1000 | 28.10 | 3.216 | 28.29 | 6.527 | |||
19 | 20 | 45.22 | -20.87 | 49.80 | -24.78 | 12.75 | 86 |
100 | 33.99 | -8.527 | 35.05 | -14.07 | |||
500 | 28.25 | -0.921 | 38.26 | -1.867 | |||
1000 | 26.71 | 4.088 | 27.02 | 8.700 | |||
20 | 20 | 43.80 | -20.86 | 48.52 | -25.47 | 12.70 | 90 |
100 | 32.75 | -8.272 | 33.78 | -14.17 | |||
500 | 27.20 | -0.586 | 27.21 | -1.233 | |||
1000 | 25.66 | 4.685 | 26.08 | 10.34 |
Таким образом были получены экспериментальные значения параметров АКБ, не бывших в эксплуатации со дня их производства и поступления на склад магазина или напрямую потребителю. На рисунке 9 графически представлены экспериментальные значения основных параметров АКБ.
(А)
(Б)
(В)
(Г)
Рис. 16 Экспериментальные значения основных параметров
(А) Внутреннее сопротивление; (Б) Напряжение; (В) Токстартерного заряда; (Г) Резервная ёмкость
НА рис. 17 приведен графики резервной ёмкости и внутреннего сопротивления, наглядно отображающие отклонение экспериментальных значений от эталонных ( заявленных производителем).
(А)
(Б)
Рис. 17 Отклонение экспериментальных значений (А)- внутренне сопротивление; (Б) резервная ёмкость
Анализируя показатели измеренных параметров и сравнивая их со значениями, заявленными производителем, были обнаружены значительные отклонения характеристик АКБ, которые можно вычислить по формуле
Где δ - отклонение измеряемой величины
Xср – среднее значение измеряемой величины
Xном – номинальное значение измеряемой величины
Отклонение внутреннего сопротивления АКБ составило δR= 9 % , а резервной ёмкости - δС = 42 %
Напряжение АКБ в среднем составило 2,1 В на элемент, что удовлетворяет заявленным данным.
