RU2096868C1

RU2096868C1 - Measurement method designed to determine electrical characteristics of one cell or some combination of sells in process of their charging and device intended for its realization

Info

Publication number: RU2096868C1
Application number: RU9595118246A
Authority: RU
Inventors: Александр Зисевич Шехтман
Original assignee: Александр Зисевич Шехтман
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: voltages are measured across cells in process of changing the latter. process of changing of one cell or some combination of cells is divided into sequential charge-pause cycles for every cell, and several measurements of voltages are made across every cell charged at certain moments of time in every cycle, in process of charging. EFFECT: higher measurement results. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использовано в электротехнической промышленности для исследования и контроля качества электротехнических аккумуляторов при их разработке и производстве. The invention relates to the field of measuring equipment and automation and can be used in the electrical industry for research and quality control of electrical batteries in their development and production.

Известны способы исследования и контроля состояния аккумуляторов, основанные на измерении напряжения на них как в процессе заряжения, так и в процессе разряда [1-4]
Известны также и устройства, позволяющие осуществлять такие исследования [2-5]
Однако все указанные способы и устройства для их реализации не предназначены для проведения одновременно заряжения и всестороннего исследования резистивных и релаксационных характеристик аккумуляторов и самого процесса заряжений. В то же время, как показывают результаты исследований, совместное изучение разрядных (резистивных) и релаксационных характеристик источника тока (последних после прекращения соответствующего разряда) позволяет получить более полную информацию относительно свойств источников тока. А исследование самого процесса заряжения должно содействовать выбору наиболее оптимального режима заряжения. Патенты США 4460870 и 4514694 [3, 4] защищают метод и устройство для определения состояния заряжения аккумулятора. Последнее определяется по величине напряжения на аккумуляторе через некоторое время после прерывания тока х3] либо по двум измерениям напряжения на аккумуляторе через некоторый промежуток времени после прерывания тока. Патент США 4295097 [2] защищает метод и устройство для измерения емкости заряда электрохимической ячейки в процессе заряжения ее в режиме ступенчатого изменения приложенного напряжения. На каждой ступени напряжения измеряется временная зависимость тока, проходящего через ячейку. Причем, емкость определяется по результатам измерений в моменты времени, когда ток заряжения достигает некоторой малой величины на очередной ступени напряжения.Known methods for the study and control of the state of the batteries, based on measuring the voltage on them both during charging and during discharge [1-4]
Also known are devices that allow such studies to be carried out [2-5]
However, all these methods and devices for their implementation are not intended to simultaneously charge and comprehensively study the resistive and relaxation characteristics of the batteries and the charging process itself. At the same time, as the research results show, a joint study of the discharge (resistive) and relaxation characteristics of the current source (the latter after the cessation of the corresponding discharge) allows us to obtain more complete information regarding the properties of current sources. A study of the charging process itself should facilitate the selection of the most optimal charging mode. US patents 4460870 and 4514694 [3, 4] protect a method and device for determining the state of charge of a battery. The latter is determined by the voltage on the battery some time after the interruption of the current x3] or by two measurements of the voltage on the battery after a certain period of time after the interruption of the current. US patent 4295097 [2] protects a method and device for measuring the charge capacity of an electrochemical cell in the process of charging it in the mode of stepwise change in the applied voltage. At each voltage stage, the time dependence of the current passing through the cell is measured. Moreover, the capacitance is determined by the measurement results at times when the charging current reaches a certain small value at the next voltage stage.

Наиболее близкий к заявляемому способ одновременно заряжения и исследования аккумулятора защищает патент США 4947124 [1] В этом способе процесс заряжения разбит на циклы, каждый из которых заканчивается коротким промежутком измерений напряжения на аккумуляторе в процессе его заряжения и разряжения. Далее проводят вычисления внутреннего сопротивления аккумулятора в различных состояниях заряжения и разряжения, на основании которых делают выводы о состоянии аккумулятора. Однако, в цитируемом способе-прототипе измерения проводятся в процессе реализации циклограммы, которая очень усложнена и слишком специализирована и не предназначена для исследования самого процесса заряжения. В то же самое время, исследования показывают эффективность изучения резистивных и релаксационных свойств источников тока на простых циклограммах, в режиме кратковременных циклов ток-пауза. К тому же, более простые циклограммы заряжений-исследований технически проще реализуемы и более естественным образом включают возможность автоматизации процесса заряжения-исследования. The closest to the claimed method of simultaneously charging and researching the battery protects US patent 4947124 [1] In this method, the charging process is divided into cycles, each of which ends with a short period of measuring voltage on the battery during charging and discharging. Next, the internal resistance of the battery is calculated in various states of charging and discharging, based on which conclusions are drawn about the state of the battery. However, in the cited prototype method, measurements are carried out during the implementation of the cyclogram, which is very complicated and too specialized and is not intended to study the charging process itself. At the same time, studies show the effectiveness of studying the resistive and relaxation properties of current sources in simple cyclograms, in the mode of short current-pause cycles. In addition, simpler loading-research cyclograms are technically easier to implement and more naturally include the ability to automate the charging-research process.

Существуют устройства, на которых мог бы принципиально быть реализован способ, например компьютеризированный комплекс фирмы Арбин [5] для проведения различных исследований и испытаний источников тока. Однако, это - универсальный и достаточно дорогостоящий испытательный комплекс. В то же самое время, отсутствуют простые, не столь дорогие и многофункциональные устройства, которые позволяли бы реализовать заявленный способ. В качестве прототипа для заявленного устройства использовано устройство, защищенное патентом США 4295027 [2]
Целью изобретения является создание эффективного и технически просто реализуемого способа измерений для возможности более всестороннего исследования электрических характеристик одного или некоторой совокупности аккумуляторов в процессе из заряжения и исследования самого процесса заряжения, а также создание устройства заряжения аккумуляторов, позволяющего реализовать заявленный способ наиболее экономным образом.There are devices on which the method could in principle be implemented, for example, a computerized complex of the Arbin company [5] for conducting various studies and testing of current sources. However, this is a versatile and rather expensive test complex. At the same time, there are no simple, not so expensive and multifunctional devices that would allow to implement the claimed method. As a prototype for the claimed device used a device protected by US patent 4295027 [2]
The aim of the invention is the creation of an effective and technically simple method of measurement to allow a more comprehensive study of the electrical characteristics of one or some combination of batteries in the process of charging and researching the charging process, as well as creating a battery charging device that allows you to implement the claimed method in the most economical way.

Поставленная цель достигается следующим образом. The goal is achieved as follows.

Заявленный в пункте 1 формулы изобретений способ заключается в измерении напряжений на аккумуляторах в процессе заряжения и отличается тем, что при проведении процесса заряжения одного или некоторой совокупности аккумуляторов последний разбивается на последовательные циклы заряжение-пауза для каждого аккумулятора (при паузе ток через аккумулятор не пропускается) и проводится некоторое количество измерений напряжений на каждом из заряжаемых аккумуляторов в некоторые моменты времени в каждом цикле как в процессе собственно заряжения, так и в процессе паузы. Заявленный в пункте 1 формулы изобретения способ в отличие от способа-прототипа позволяет проводить одновременно заряжение некоторой совокупности аккумуляторов от одного источника тока и всестороннее исследование резистивных и релаксационных характеристик аккумуляторов и самого процесса заряжения на простых циклограммах ток-пауза. Stated in paragraph 1 of the claims, the method consists in measuring the voltage on the batteries during charging and differs in that when the process of charging one or some combination of batteries last is broken into successive charge-pause cycles for each battery (when paused, current is not passed through the battery) and a number of voltage measurements are taken on each of the rechargeable batteries at some points in time in each cycle, as in the process of charging itself , and during the pause. The method claimed in paragraph 1 of the claims, in contrast to the prototype method, allows simultaneous charging of a set of batteries from one current source and a comprehensive study of the resistive and relaxation characteristics of the batteries and the charging process itself in simple current-pause sequences.

Заявленное в пункте 2 формулы изобретения устройство содержит блок заряжающего источника тока (БИТ), блок схем коммутации токовых и измерительных цепей (БСК), позволяющих осуществлять электрические подсоединения каждого заряженного аккумулятора к измерительному выходу (ИВ) заявленного устройства для измерения напряжений на аккумуляторах, шину управления для подачи команд управления к схемам БСК и заряжающему источнику тока, связанную с блоком автономного автоматизированного управления или компьютером, и отличается тем, что схемы коммутации БСК выполнены с возможностью осуществления выбранной циклограммы последовательных во времени электрических подсоединений и отсоединений каждого отдельного аккумулятора в электрическую цепь одного и того же заряжающего источника БИТ последовательно к последнему и подсоединений каждого аккумулятора к измерительному выходу устройства во время отсоединенного состояния аккумулятора. The device claimed in paragraph 2 of the claims contains a charging current source unit (BIT), a block of switching circuits for current and measuring circuits (BSK), which allow electrical connections of each charged battery to the measuring output (II) of the claimed device for measuring voltage on batteries, a control bus for submitting control commands to the BSK circuits and the charging current source associated with the autonomous automated control unit or computer, and differs in that the comm circuit The BSK utilities are configured to implement the selected sequence of time-wise electrical connections and disconnections of each individual battery into the electric circuit of the same BIT charging source in series with the last one and the connections of each battery to the measurement output of the device during the disconnected state of the battery.

Заявленное в пункте 2 формулы изобретений устройство в отличии от устройства-прототипа позволяет проводить одновременно заряжение некоторой совокупности аккумуляторов и реализацию заявленного способа. Причем, в отличие от аналогов заявленное устройство позволяет делать это наиболее экономным путем, с единым заряжающим источником тока и единым измерительным каналом. The device claimed in paragraph 2 of the claims, in contrast to the prototype device, allows for simultaneous charging of a certain set of batteries and the implementation of the claimed method. Moreover, unlike analogs, the claimed device allows you to do this in the most economical way, with a single charging current source and a single measuring channel.

На чертеже изображен один из возможных вариантов заявленного устройства. The drawing shows one of the possible variants of the claimed device.

Цифрой 1 на чертеже обозначен блок заряжаемых аккумуляторов (БЗА). Цифрой 2 блок заряжающего источника тока (БИТ), 3 измерительный выход (ИВ) заявленного устройства. Схемы коммутации блока схем коммутации (БСК), обозначенные на чертеже цифрами 4, 5, 6, 7 осуществляют коммутации в соответствии с командами управления, поступающими к ним по шине управления 8. Схема коммутации 4 осуществляет электрическое подсоединение каждого заряжаемого аккумулятора из БЗА к ИВ для измерения напряжения на нем. Схема коммутации 5 осуществляет последовательное во времени электрическое подсоединение каждого отдельного заряжаемого аккумулятора из БЗА в электрическую цепь заряжающего источника тока БИТ (2) последовательно к последнему. С помощью схемы коммутации 6 и набора резисторов 9 осуществляется согласование возможного диапазона изменений внутренних сопротивлений и э.д.с. аккумуляторов в процессе заряжения с возможным диапазоном изменений параметров БИТ для поддержания заданного тока заряжения, а с помощью схемы коммутации 7 осуществляется электрическое подсоединение заряжающего источника тока 2 к измерительному выходу ИВ заявленного устройства для контроля заданной величины тока заряжения. The number 1 in the drawing indicates the block of rechargeable batteries (BZA). Numeral 2 block of the charging current source (BIT), 3 measuring output (II) of the claimed device. The switching circuits of the block of switching circuits (BSC), indicated on the drawing by the numbers 4, 5, 6, 7, carry out switching in accordance with the control commands received by the control bus 8. Switching circuit 4 makes an electrical connection of each rechargeable battery from the BZA to the power supply for measuring voltage on it. Switching circuit 5 carries out a time-wise electrical connection of each individual rechargeable battery from the BZA to the electric circuit of the charging current source BIT (2) sequentially to the last. Using the switching circuit 6 and a set of resistors 9, the possible range of changes in the internal resistances and the emf is coordinated. batteries in the charging process with a possible range of changes in the BIT parameters to maintain a given charging current, and using a switching circuit 7, the charging current source 2 is electrically connected to the measuring output IV of the claimed device to control a given value of the charging current.

Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. Заряжаемые аккумуляторы электрически подключают к заявленному устройству. Устанавливают в блоке автономного автоматизированного управления или вводят в компьютер временные и токовые параметры циклограммы процесса заряжения, нормальные и аварийные критерии прекращения заряжения. Указывают моменты измерения напряжения на аккумуляторах в течение каждого цикла заряжение-пауза в зависимости от конкретных целей исследования и указывают тип обработки результатов измерений и характер представления результатов исследования, как в процессе заряжения-исследования, так и по завершении последнего. В процессе работы устройства при последовательных по времени циклах заряжение-пауза каждого заряжаемого аккумулятора автоматизировано поддерживается заданный ток заряжения в периоды собственно заряжения и проводятся измерения напряжений на заряжаемых аккумуляторах в заданные моменты времени в течение каждого цикла. А также выводятся результаты исследования в выбранной форме на монитор или некоторое иное устройство. The operation of the claimed device is as follows. Rechargeable batteries are electrically connected to the claimed device. They install in the autonomous automated control unit or enter into the computer the time and current parameters of the cyclogram of the charging process, normal and emergency criteria for stopping charging. Indicate the moments of measuring the voltage on the batteries during each charge-pause cycle, depending on the specific objectives of the study and indicate the type of processing of the measurement results and the nature of the presentation of the research results, both during charging-research and upon completion of the latter. In the process of operation of the device with successive charge-pause cycles of each rechargeable battery, the set charging current is automatically maintained during the periods of actual charging and voltage measurements on the rechargeable batteries are carried out at predetermined times during each cycle. And also the results of the study in the selected form are displayed on a monitor or some other device.

Claims

1. A measurement method for determining the electrical characteristics of one or some combination of batteries during their charging and at the same time investigating the charging process itself, which consists in measuring the voltages of the charged batteries, characterized in that during the charging process the battery breaks into successive charging cycles (pause ( when paused, the current is not passed through the battery) and a number of voltage measurements are made on each of the charged batteries in ome time points in every cycle as the actual charging process, and during the pause.

2. A device for making measurements when determining the electrical characteristics of one or some combination of rechargeable batteries in the process of charging them and simultaneously studying the charging process itself, containing a block of a charging current source, a block of switching circuits for current and measuring circuits, which allows electrical connections of each rechargeable battery to a measuring one the output of the device for measuring voltages on rechargeable batteries, a control bus for issuing control commands to switching circuits and a charging current source associated with an autonomous automated control unit or computer, characterized in that the switching circuits are configured to implement a selected sequence of time-wise electrical connections and disconnections of each individual battery into an electric circuit of the same charging current source sequentially to the last and connections of each battery to the measuring output of the device during the disconnected state Nia battery.