Устройство контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи транспортного средства
Полезная модель относится к приборостроению в области железнодорожного транспорта. Устройство содержит датчик тока, нагрузку, первый дифференциальный усилитель и блок индикации. При этом первый вывод датчика тока подключен к аккумуляторной батарее и неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя, второй вывод подключен к нагрузке и инвертирующему входу первого дифференциального усилителя. Отличие заявляемого устройства заключается в том. что в него введены: резистивный делитель напряжения, первый, второй, третий и четвертый блоки выборки и хранения данных, первый и второй одновибраторы, второй и третий дифференциальные усилители, первый и второй прецизионные выпрямители, процессор, тактовый генератор. Соединения входящих в заявляемое устройство элементов также являются отличиями. Высоковольтный вход резистивного делителя соединен с первым выводом нагрузки, а его низковольтный вход соединен со вторым выводом нагрузки. Сигнальные входы первого и второго блоков выборки хранения данных соединены между собой и подключены к выходу первого дифференциального усилителя. Сигнальные входы третьего и четвертого блоков выборки и хранения данных соединены между собой и подключены к выходу резистивного делителя напряжения. К выходу первого одновибратора подключены входы стробирования первого и третьего блоков выборки и хранения данных. К выходу второго одновибратора подключены входы стробирования второго и четвертого блоков выборки и хранения данных. Неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя соединен с выходом первого блока выборки и хранения данных. Неинвертирующий вход третьего дифференциального усилителя соединен с выходом третьего блока выборки и хранения данных. Вход первого прецизионного выпрямителя подключен к выходу второго дифференциального усилителя. Вход второго прецизионного выпрямителя подключен к выходу третьего дифференциального усилителя. Выход процессора подключен к входу блока индикации. Аналоговые входы процессора соединены - первый вход с выходом первого прецизионного выпрямителя, второй вход с выходом второго блока выборки и хранения данных и с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя, третий вход с выходом второго прецизионного выпрямителя, четвертый вход с выходом четвертого блока выборки и хранения данных и с инвертирующим входом третьего дифференциального усилителя. Выход тактового генератора подключен к импульсному входу процессора и к входам первого и второго одновибраторов. Заявляемое устройство повышает точность и достоверность контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи при высокой надежности без внесения дополнительных промежуточных средств, в первую очередь, коммутирующих устройств. 1 нез. п. ф-лы, 2 фиг., 1 пр.
Полезная модель относится к приборостроению в области железнодорожного транспорта, а именно, его подвижного состава, и может быть использована для осуществления контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи транспортного транспорта.
Известно «Устройство контроля и управления степенью заряженности аккумуляторной батареи транспортного средства» [патент на изобретение RU 
2023338], содержащее датчик скорости транспортного средства, блок компаратора, блок реле, потребитель электроэнергии, источник постоянного тока, блок заряда, аккумуляторную батарею. Кроме того, в устройство введены три ключа, программно-временной блок, два блока тестовых нагрузок, три блока запоминающих устройств, инвертирующий усилитель, суммирующий усилитель, два компаратора с соответствующими связями. Контроль за состоянием заряженности осуществляется путем периодического тестирования аккумуляторной батареи двумя тестовыми нагрузками и определения разности соответствующих напряжений нагруженных батарей.
Недостатками данного устройства являются - необходимость технической доработки существующего электрооборудования транспортного средства, введение режима тестовых нагрузок, переключение аккумуляторной батареи с реальной нагрузки на тестовую в ходе поездки, не достаточно высокая надежность системы контроля.
Известно также устройство контроля емкости аккумуляторной батареи, описанное в заявке на выдачу патента на изобретение 94031602. Устройство включает в себя аккумуляторную батарею, кнопку, разрядное сопротивление, источник опорных напряжений, четыре блоки преобразования, инвертор, сумматор, усилитель, измеритель. Выход аккумуляторной батареи через кнопку подключается к разрядному сопротивлению, входу источника опорных напряжений и к первым входам 4-х блоков преобразования. Первый выход источника опорных напряжений подключен к первому входу сумматора, а остальные четыре к вторым входам соответствующих блоков преобразователей. Выходы первых трех преобразователей подключены к соответствующим входам сумматора через инверторы, а четвертого к пятому входу сумматора непосредственно. Выход сумматора через усилитель подключен к измерителю. В качестве измерителя может быть использован электромагнитный прибор, шкала которого проградуирована в ампер-часах.
Однако данное устройство применимо только в лабораторных условиях и требует наличия постоянной тестовой нагрузки для расчетов, а также дополнительного оборудования.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является «Устройство контроля разряженности аккумуляторной батареи» [патент на изобретение RU 2158455], содержащее блок суммирования, вход которого соединен с клеммами для подключения аккумуляторной батареи, датчик тока в цепи нагрузки, усилитель, выход которого соединен с другим входом блока суммирования, и сигнальный прибор со световым сигнализатором. В него дополнительно введены двухуровневое пороговое устройство, вход которого соединен с выходом блока суммирования, и ключ. Вход усилителя соединен с выходом датчика тока. Ключ включен в цепь нагрузки так, что коммутирует только часть нагрузки аккумуляторной батареи. Сигнальный прибор дополнительно снабжен звуковым сигнализатором. Когда степень разряженности аккумуляторной батареи достигает уровня, при котором становится целесообразным ее повторный заряд, сигнал с одного выхода двухуровневого порогового устройства поступает на вход сигнального прибора. Если производится дальнейшая эксплуатация транспортного средства до достижения предельно допустимой степени разряженности аккумуляторной батареи, сигнал с другого выхода двухуровневого порогового устройства поступает на вход сигнального прибора и одновременно этот же сигнал запирает ключ.
Недостатки наиболее близкого аналога заключаются в следующем.
Падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи задается подбором коэффициента усиления усилителя 3 вручную (см. Фиг.2 описание патента 2158455) при предпусковой настройке системы. Однако в ходе поездки внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи меняется, что приводит к погрешности измерения. Подстройка коэффициента усиления во время поездки не представляется возможной.
В предлагаемом устройстве внутреннее сопротивление измеряется в ходе поездки и для расчетов остаточной емкости аккумуляторной батареи используется его текущее реальное значение.
Другой недостаток наиболее близкого аналога - в устройстве предлагается дополнительное привлечение технических средств с последующим включением их в схему, в которой требуется для этого осуществить разрыв электрической цепи и изменить положения элементов в схеме. Это вмешательство, в первую очередь, требует новой проверки, аттестации оборудования, изменений в документации по эксплуатации.
В предлагаемом устройстве доработок электрооборудования транспортного средства и установка для них коммутационных элементов не требуется.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение точности и достоверности контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи при высокой надежности без внесения дополнительных промежуточных средств, в первую очередь, коммутирующих устройств.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в устройство контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи транспортного средства, содержащее датчик тока, нагрузку, первый дифференциальный усилитель и блок индикации, причем первый вывод датчика тока подключен к аккумуляторной батарее и неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя, второй вывод подключен к нагрузке и инвертирующему входу первого дифференциального усилителя, введены: резистивный делитель напряжения, первый, второй, третий и четвертый блоки выборки и хранения данных, первый и второй одновибраторы, второй и третий дифференциальные усилители, первый и второй прецизионные выпрямители, процессор, тактовый генератор; при этом высоковольтный вход резистивного делителя соединен с первым выводом нагрузки, а его низковольтный вход соединен со вторым выводом нагрузки; сигнальные входы первого и второго блоков выборки хранения данных соединены между собой и подключены к выходу первого дифференциального усилителя, сигнальные входы третьего и четвертого блоков выборки и хранения данных соединены между собой и подключены к выходу резистивного делителя напряжения; к выходу первого одновибратора подключены входы стробирования первого и третьего блоков выборки и хранения данных, к выходу второго одновибратора подключены входы стробирования второго и четвертого блоков выборки и хранения данных; неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя соединен с выходом первого блока выборки и хранения данных, неинвертирующий вход третьего дифференциального усилителя соединен с выходом третьего блока выборки и хранения данных; вход первого прецизионного выпрямителя подключен к выходу второго дифференциального усилителя, вход второго прецизионного выпрямителя подключен к выходу третьего дифференциального усилителя; выход процессора подключен к входу блока индикации, а аналоговые входы процессора соединены - первый вход с выходом первого прецизионного выпрямителя, второй вход с выходом второго блока выборки и хранения данных и с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя, третий вход с выходом второго прецизионного выпрямителя, четвертый вход с выходом четвертого блока выборки и хранения данных и с инвертирующим входом третьего дифференциального усилителя; выход тактового генератора подключен к импульсному входу процессора и к входам первого и второго одновибраторов.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении точности и достоверности контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи путем снижения зависимости этих параметров от изменения параметров аккумуляторной батареи в ходе эксплуатации
Кроме того, повышается надежность работы заявляемого устройства за счет исключения из схемы коммутационных элементов.
Использование заявляемого устройства позволяет снизить трудоемкость оснащения транспортного средства путем исключения необходимости доработки силовой части электрооборудования транспортного средства.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг.1-2, на которых изображено: на Фиг.1 - схематическое изображение контроля остаточной емкости аккумуляторной транспортного средства; на Фиг.2 - временные диаграммы работы устройства контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи транспортного средства. На Фиг.1-2 позициями обозначены:
1 - аккумуляторная батарея;
2 - датчик тока;
3 - нагрузка;
4 - первый дифференциальный усилитель;
5 - блок индикации;
6 - резистивный делитель напряжения;
7 - первый блок выборки и хранения данных;
8 - второй блок выборки и хранения данных;
9 - третий блок выборки и хранения данных;
10 - четвертый блок выборки и хранения данных;
11 - первый одновибратор;
12 - второй одновибратор;
13 - второй дифференциальный усилитель;
14 - третий дифференциальный усилитель;
15 - первый прецизионный выпрямитель;
16 - второй прецизионный выпрямитель;
17 - процессор;
18 - тактовый генератор.
Устройство контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи 1 транспортного средства содержит датчик тока 2, нагрузку 3, первый дифференциальный усилитель 4, блок индикации 5, резистивный делитель напряжения 6, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 блоки выборки и хранения данных, первый 11 и второй 12 одновибраторы, второй 13 и третий 14 дифференциальный усилитель, первый 15 и второй прецизионный выпрямитель 16, процессор 17, тактовый генератор 18.
Аккумуляторная батарея 1 подключена через датчик тока 2 к нагрузке 3. Неинвертирующий вход первого дифференциального усилителя 4 соединен с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи 1 и с первым выводом датчика тока 2, а его инвертирующий вход подключен ко второму выводу датчика тока 2 и к первой клемме нагрузки 3. Вторая клемма нагрузки 3 соединена с минусовой клеммой аккумуляторной батареи 1.
Резистивный делитель напряжения 6 соединен своим высоковольтным входом с первой клеммой нагрузки 3, а низковольтным входом связан со второй клеммой нагрузки 3. Сигнальные входы первого 7 и второго 8 блоков выборки и хранения данных соединены между собой и подключены к выходу первого дифференциального усилителя 4.
Сигнальные входы третьего 9 и четвертого 10 блоков выборки и хранения данных соединены между собой и подключены к выходу резистивного делителя напряжения 6. К выходу первого одновибратора 11 подключены входы стробирования первого 7 и третьего 9 блоков выборки и хранения данных. К выходу второго одновибратора 12 подключены входы стробирования второго 8 и четвертого 10 блоков выборки и хранения данных. Неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя 13 соединен с выходом первого блока выборки и хранения данных 7. Неинвертирующий вход третьего дифференциального усилителя 14 соединен с выходом третьего блока выборки и хранения данных 9. Вход первого прецизионного выпрямителя 15 подключен к выходу второго дифференциального усилителя 13. Вход второго прецизионного выпрямителя 16 подключен к выходу третьего дифференциального усилителя 14. Выход процессора 17 подключен к входу блока индикации 5. Первый аналоговый вход процессора 17 соединен с выходом первого прецизионного выпрямителя 15. Второй аналоговый вход процессора 17 соединен с выходом второго блока выборки и хранения данных 8 и с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя 13. Третий аналоговый вход процессора 17 соединен с выходом второго прецизионного выпрямителя 16. Четвертый аналоговый вход процессора 17 соединен с выходом четвертого блока выборки и хранения данных 10 и с инвертирующим входом третьего дифференциального усилителя 14. Выход тактового генератора 18 подключен к импульсному входу процессора 17 и к входам первого 11 и второго 12 одновибраторов.
Работа устройства основана на измерении в процессе движения транспортного средства перепада тока в нагрузке 
Iнагр. и, соответствующего ему перепада напряжения на нагрузке Uнагр., при скачкообразном изменении сопротивления нагрузки с последующим вычислением внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи 1, ее ЭДС и определения по разрядной характеристике данной аккумуляторной батареи 1 ее остаточной емкости. Перепады напряжения и тока возникают при включении/отключении электропотребителей аккумуляторной батареи 1.
Формирование сигнала, соответствующего Iнагр., и выраженного косвенно в виде напряжения определенной величины, осуществляется следующими узлами, входящими в состав устройства: датчик тока 2, первый дифференциальный усилитель 4, первый блок выборки и хранения данных 7, второй блок выборки и хранения данных 8, первый одновибратор 11, второй одновибратор 12, тактовый генератор 18, второй дифференциальный усилитель 13, первый прецизионный выпрямитель 15.
Формирование сигнала, соответствующего Uнагр., выраженного в виде напряжения определенной величины, осуществляется следующими узлами, входящими в состав устройства: резистивным делителем напряжения 6, третьим блоком выборки и хранения данных 9, четвертым блоком выборки и хранения данных 10, первым одновибратором 11, вторым одновибратором 12, тактовым генератором 18, третьим дифференциальным усилителем 14, вторым прецизионным выпрямителем 16.
Ниже рассмотрена работа узлов, формирующих сигнал Uнагр.
Работа устройства синхронизирована импульсами, вырабатываемыми тактовым генератором 18 (см. Фиг 2). Импульсы с выхода первого одновибратора 11 (эпюра 2) формируются по фронту импульса тактового генератора 18, а импульсы с выхода второго одновибратора 12 (эпюра 3) формируются по спаду импульса тактового генератора 18. Выходные импульсы первого одновибратора 11 инициируют в момент времени Т1 выборку текущего значения сигнала, пропорционального напряжению на выходе аккумуляторной батареи 1 и запоминание этого значения в памяти блока выборки и хранения данных 9, а также выборку текущего значения сигнала, пропорционального току разряда аккумуляторной батареи 1, в виде напряжения на датчике тока 2, и запоминание этого значения в памяти первого блока выборки и хранения данных 7. Выходные импульсы второго одновибратора 12 инициируют в момент времени Т2 выборку текущего значения сигнала, пропорционального напряжению на выходе аккумуляторной батареи 1 и запоминание этого значения в памяти четвертого блока выборки и хранения данных 10, а также выборку текущего значения сигнала, пропорционального току разряда аккумуляторной батареи 1, в виде напряжения на датчике тока 2, и запоминание этого значения в памяти второго блока выборки и хранения данных 8.
В результате этого после окончания выходного импульса второго одновибратора 12 на неинвертирующем входе третьего дифференциального усилителя 14 присутствует значение напряжения на выходе аккумуляторной батареи 1, соответствующее моменту времени Т1, а на инвертирующем входе третьего дифференциального усилителя 14 присутствует значение напряжения на выходе аккумуляторной батареи 1, соответствующее моменту времени Т2.
Аналогично на входах второго дифференциального усилителя 13 присутствуют значения напряжений, соответствующих токам нагрузки 3 для моментов времени Т1 и Т2.
На Фиг.2 показана ситуация, когда напряжение в момент времени Т1 не равно напряжению в момент времени Т2.
В результате этого в момент времени Т2 на входе третьего дифференциального усилителя 14 формируется перепад напряжения. Аналогично происходит на его выходе (эпюра 7) и на выходе второго прецизионного выпрямителя 16. Аналогичные процессы происходят на входах и выходе второго дифференциального усилителя 13, выходе первого прецизионного выпрямителя 15.
С приходом следующего выходного импульса первого одновибратора 11 (момент времени Т3) в память третьего блока выборки и хранения данных 9 записывается низкий уровень сигнала (эпюры 4 и 5).
Это приводит к равенству сигналов на входах третьего дифференциального усилителя 14 и, как следствие этого, к формированию нулевого сигнала на его выходе (эпюра 7).
Далее показана ситуация, когда с приходом выходного импульса второго одновибратора 12 (момент времени Т4) уровни сигналов не меняются, т.к. в интервале времени Т3-Т4 не изменились уровни сигналов на выходе резистивного делителя напряжения 6 (эпюра 6).
В момент времени Т5 показано увеличение напряжения на выходе резистивного делителя напряжения 6. В результате этого на входе третьего дифференциального усилителя 14 формируется перепад напряжения, тоже происходит на его выходе (эпюра 7). Однако, в отличие от момента времени Т2, на выходе третьего дифференциального усилителя 14 формируется сигнал отрицательной полярности. Поскольку процессор 17 может работать только с сигналами положительной полярности, необходим второй прецизионный выпрямитель 16, на выходе которого формируется сигнал положительной полярности.
В момент времени Т6 уровни сигналов на входах третьего дифференциального усилителя 14 выравниваются и на его выходе формируется нулевой уровень (эпюра 7).
Перепад напряжения U и соответствующий ему перепад тока I, контролируются процессором 17 в интервал времени между выходным импульсом второго одновибратора 12 и выходным импульсом первого одновибратора 11, например, между Т2 и Т3, а также между Т4 и Т5. Дальнейшие преобразования осуществляются аппаратными и программными средствами процессора 17, который преобразует входные аналоговые сигналы в цифровую форму и выполняет с ними математические операции в соответствии с приведенными ниже выражениями:
- деление Uнагр./Iнагр. (в результате чего вычисляется внутреннее сопротивление Rвнутр. аккумуляторной батареи 1);
- вычисление падения напряжения на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи 1 по формуле: Uвнутр=I 2×Rвнутр, где I2 - ток на втором аналоговом входе процессора 17;
- вычисление ЭДС аккумуляторной батареи 1 по формуле:
ЭДС=U внутр+U2, где U2 - напряжение на четвертом аналоговом входе процессора 17.
По разрядной кривой для аккумуляторной батареи 1 данной модели, которая хранится в памяти процессора 17, определяют остаточную емкость аккумуляторной батареи 1.
После окончания вычисления процессор 17 передает цифровой эквивалент вычисленного значения по интерфейсу UART на блок индикации 5.
В примере реализации устройства контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи 1 транспортного средства резистивный делитель напряжения 6 предназначен для снижения максимального уровня измеряемого напряжения, которое может достигать значения 140-150 В, до значений 2-3 В, которые являются приемлемыми для входящих в блок контроля электронных компонентов. Мощность резисторов должна быть не менее 2 Вт, номинал верхнего плеча 1 Мом +/-0.5%, нижнего плеча 10 кОм +/-0,5%.
Третий дифференциальный усилитель 14 усиливает сигнал с датчика тока 0-75 мВ до значений 2-3 В. Для этих целей может быть применена микросхема ОР177.
Первый дифференциальный усилитель 4 и второй дифференциальный усилитель 13 могут быть построены также на микросхемах ОР177 (см., например, Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств М., «Додэка-ХХ1» 2007 г. С.116).
В качестве блоков выборки и хранения данных 7, 8, 9, 10 могут быть применены микросхемы LF398 (российский аналог 1100СК2) или SHC5320 в режиме неинвертирующего повторителя (см. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств М., «Додэка-XX1» 2007 г. С.374).
Первый и второй прецизионные выпрямители 15, 16 могут быть построены на операционных усилителях ОР177 и диодах Шоттки 1N5819. При этом должна быть использована схема неинвертирующего двухполупериодного выпрямителя (см. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств М., «Додэка-ХХ1» 2007 г. С.129).
Тактовый генератор 18 может быть построен на микросхеме NE555 (отечественный аналог 1006 ВИ1) по схеме автоколебательного режима с независимой установкой длительности и частоты импульсов (см., например, Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств М., «Додэка-ХХ1» 2007 г. С.214).
Первый 11 и второй 12 одновибраторы могут быть построены также на микросхеме NE555 по схеме ждущего режима (см. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств М., «Додэка-ХХ1» 2007 г. С.212).
Процессор 17 может быть построен на PIC-процессоре PIC24FJ64GA004-I/PT (см приложение).
Устройство контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи транспортного средства, содержащее датчик тока, нагрузку, первый дифференциальный усилитель и блок индикации, причем первый вывод датчика тока подключен к аккумуляторной батарее и неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя, второй вывод подключен к нагрузке и инвертирующему входу первого дифференциального усилителя, отличающееся тем, что в него введены: резистивный делитель напряжения, первый, второй, третий и четвертый блоки выборки и хранения данных, первый и второй одновибраторы, второй и третий дифференциальные усилители, первый и второй прецизионные выпрямители, процессор, тактовый генератор; при этом высоковольтный вход резистивного делителя соединен с первым выводом нагрузки, а его низковольтный вход соединен со вторым выводом нагрузки; сигнальные входы первого и второго блоков выборки хранения данных соединены между собой и подключены к выходу первого дифференциального усилителя, сигнальные входы третьего и четвертого блоков выборки и хранения данных соединены между собой и подключены к выходу резистивного делителя напряжения; к выходу первого одновибратора подключены входы стробирования первого и третьего блоков выборки и хранения данных, к выходу второго одновибратора подключены входы стробирования второго и четвертого блоков выборки и хранения данных; неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя соединен с выходом первого блока выборки и хранения данных, неинвертирующий вход третьего дифференциального усилителя соединен с выходом третьего блока выборки и хранения данных; вход первого прецизионного выпрямителя подключен к выходу второго дифференциального усилителя, вход второго прецизионного выпрямителя подключен к выходу третьего дифференциального усилителя; выход процессора подключен к входу блока индикации, а аналоговые входы процессора соединены - первый вход с выходом первого прецизионного выпрямителя, второй вход с выходом второго блока выборки и хранения данных и с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя, третий вход с выходом второго прецизионного выпрямителя, четвертый вход с выходом четвертого блока выборки и хранения данных и с инвертирующим входом третьего дифференциального усилителя; выход тактового генератора подключен к импульсному входу процессора и к входам первого и второго одновибраторов.
