УДК 621.431

МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАРТЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Францев Сергей Михайлович1, Кавторев Александр Юрьевич2
1Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кандидат технических наук, доцент кафедры
2Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, студент

Аннотация
Предлагается зарядное устройство, позволяющее автоматически формировать оптимальные параметры заряда и в зависимости от внешних условий и степени изношенности подключенной батареи.

Ключевые слова: автомобиль, автомобильное зарядное устройство, АКБ, заряд, защита от переполюсовки, преобразователь напряжения


AUTOMOTIVE BATTERIES CHARGER

Frantsev Sergey Mihailovich1, Kavtorev Aleksandr Urevich2
1Penza State University of Architecture and Construction, PhD in Technical Science, associate Professor
2Penza State University of Architecture and Construction, Student

Abstract
Based on the analysis of patent literature synthesized charger that automatically generate parameters charge and discharge pulses depending on the external conditions and the degree of wear of the connected battery.

Keywords: automotive battery charger, charging, reverse polarity protection, storage battery, vehicle, voltage transformer


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Францев С.М., Кавторев А.Ю. Микропроцессорное зарядное устройство для стартерных аккумуляторных батарей // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/49745 (дата обращения: 29.09.2017).

Стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) предназначена для снабжения стартера и других потребителей электроэнергией при запуске двигателя автотранспортного средства, гашения пульсаций напряжения в бортовой сети, электроснабжения потребителей электроэнергии при неработающем генераторе или недостатке его мощности.

Нормативный срок службы АКБ индивидуального легкового автомобиля составляет 4 года [1]. Однако, глубокие разряды или постоянный недозаряд АКБ резко уменьшают срок службы, что увеличивает затраты на эксплуатацию автотранспортных средств.

Постоянный недозаряд АКБ обусловлен необходимостью постоянного использования фар ближнего света при движении автомобиля. Недозаряд увеличивается при низкой частоте вращения коленчатого вала двигателя при движении автомобиля в городском цикле из-за нехватки мощности генератора.

В зимних условиях эксплуатации автотранспортных средств недозаряд усиливается, т.к. АКБ принимает заряд в сильной зависимости от температуры электролита [2]. Холодный запуск зимой, редкие непродолжительные поездки на протяжении рабочего дня не дают прогреться электролиту и, следовательно, зарядиться АКБ.

В условиях постоянного недозаряда АКБ следует периодически подзаряжать зарядным устройством (ЗУ), обеспечивающим максимально полный заряд АКБ и выравнивание плотности электролита в ее банках. В противном случае АКБ выйдет из строя гораздо раньше нормативного срока вследствие явления сульфатации (при которой поверхности пластин покрываются слоем слаборастворимого сульфата свинца, который постепенно кристаллизуется и слабо участвует в химических реакциях, и площадь и объем активной массы, участвующей в химических реакциях, уменьшается), что вызывает снижение остаточной емкости АКБ, рост ее внутреннего сопротивления, снижение максимального тока, отдаваемого стартеру при пуске двигателя, АКБ «не держит заряд» и быстро разряжается [3, 4, 5].

В нередких случаях водитель может забыть выключить свет фар или другие потребители энергии при неработающем двигателе, что вызовет глубокий разряд АКБ.

При глубоких разрядах АКБ разряжается до 6-8 и менее Вольт и возникает необходимость в использовании ЗУ, позволяющего заряжать сильно разряженные АКБ с ограничением тока заряда на номинальном уровне.

Следующей причиной преждевременного выхода из строя АКБ является ее перезаряд, что вызывает выкипание воды в банках. Это происходит при неисправном регуляторе напряжения генератора или при заряде АКБ от нерегулируемого ЗУ, напряжение холостого хода на клеммах которого достигает 15-16 В.

Большинство предлагаемых на рынке ЗУ не допускают перенапряжения за счет ограничения напряжения холостого хода на клеммах ЗУ на уровне 15-16 В, что, однако, не всегда позволяет предотвратить кипение электролита и обеспечить максимально полный заряд АКБ и выравнивание плотности электролита в ее банках.

Известны ЗУ, описанные в [6, 7]. Недостатками их являются отсутствие защиты от неправильного подключения аккумуляторной батареи и отсутствие индикации неправильного подключения.

В ЗУ, описанном в [8], отсутствует возможность автоматического регулирования параметров заряда в зависимости от внешних условий и степени изношенности подключенной АКБ.

В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства разработано ЗУ [9], лишенное указанных недостатков, и позволяющее программными средствами, на основе микроконтроллера, задавать оптимальные параметры заряда в зависимости от внешних условий и степени изношенности подключенной АКБ, что позволит продлить срок ее службы. Блок-схема ЗУ приведена на рисунке.

Зарядное устройство для аккумуляторных батарей: 1 – сетевой фильтр, 2 – выпрямитель, 3, 5 – сглаживающие фильтры, 4 – преобразователь напряжения, 6, 8 – делители напряжения, 7 – узел защиты, 9 – узел разряда, 10 – заряжаемая аккумуляторная батарея, 11 – датчик тока, 12 – узел гальванической развязки, 13 – узел стабилизации, 14 – узел согласования и управления, 15 – узел индикации

Зарядное устройство для АКБ работает следующим образом.

Напряжение питания от сети переменного тока 220 В поступает через сетевой фильтр 1 на выпрямитель 2. С выхода выпрямителя 2 напряжение сглаживается при помощи первого сглаживающего фильтра 3, и поступает на вход преобразователя напряжения 4. На выходе преобразователя имеется напряжение постоянного тока низкого уровня, которое сглаживается при помощи второго сглаживающего фильтра 5. Зарядный ток с выхода второго сглаживающего фильтра 5 подается на заряжаемую АКБ через узел защиты 7 и резистивный датчик тока 11, которые включены последовательно с заряжаемой АКБ 10.

При отсутствии заряжаемой АКБ узел согласования и управления 14, анализируя напряжение U на втором делителе напряжения 8 (например, фиксируемое напряжение U<1 В), формирует запрещающий сигнал на узел защиты 7, удерживая его в закрытом состоянии.

При подключении АКБ к клеммам ЗУ узел согласования и управления 14 анализирует напряжение на втором делителе напряжения 8 (например, фиксируемое напряжение 1<U<16 В) и формирует разрешающий сигнал на узел защиты 7, электронный ключ в узле защиты 7 открывается и начинается процесс заряда.

В случае неправильного подключения АКБ к ЗУ (неверная полярность) узел согласования и управления 14 анализируя напряжение на втором делителе напряжения 8 (например, U<1 В) формирует запрещающий сигнал на узел защиты 7, удерживая его в закрытом состоянии.

При коротком замыкании выходных контактов ЗУ узел согласования и управления 14 также анализирует напряжение на втором делителе напряжения 8 (например, U<1 В) и формирует запрещающий сигнал на узел защиты 7, удерживая его в закрытом состоянии.

При коротком замыкании выхода ЗУ в процессе заряда АКБ, когда ключ в узле защиты 7 был открыт, узел согласования и управления 14 анализирует напряжение на втором делителе напряжения 8 (например, U<1 В) и формирует запрещающий сигнал на узел защиты 7, электронный ключ в узле защиты 7 закрывается и разрывает цепь заряда АКБ от ЗУ.

Узел индикации 15 индицирует наличие режима короткого замыкания и неправильного подключения АКБ, величину напряжения подключенной АКБ, а при заряде – величину тока заряда.

Стабилизация выходного напряжения преобразователя напряжения осуществляется путем подачи на первый и второй входы узла стабилизации 13 напряжения, снимаемого с первого делителя напряжения 6.

Узел стабилизации 13 через узел гальванической развязки 12 изменяет режим работы преобразователя 4 таким образом, чтобы автоматически происходила стабилизация зарядного тока или напряжения в зависимости от степени заряженности АКБ, что позволяет заряжать полностью разряженные АКБ.

В начале процесса заряда АКБ происходит стабилизация зарядного тока, который пропорционален напряжению, снимаемому с резистивного датчика тока 11, и подаваемому на второй и третий входы узла стабилизации 13. В конце процесса заряда происходит увеличение напряжения на АКБ 10, узел согласования и управления 14 анализирует напряжение на втором делителе напряжения 8 (например, U≥14,5 В) и подает посредством широтно-импульсного модулятора управляющее напряжение на узел стабилизации 13, который в свою очередь уменьшает ток, и зарядное устройство переходит в режим стабилизации напряжения на заданном уровне (например, 14,5 В), а через, например, 2 часа закрывает узел защиты 7, прекращая процесс заряда АКБ.

Узел стабилизации может быть выполнен на базе микросхемы ШИМ-контроллера. В качестве узла согласования и управления может быть применен микроконтроллер, содержащий аналого-цифровой преобразователь и широтно-импульсный модулятор.

Дополнительной функцией ЗУ является заряд реверсивным током, позволяющим несколько снизить степень сульфатации пластин [10]. При заряде реверсивным током, узел согласования и управления 14 поочередно открывает ключи в узлах защиты 7 и разряда 9, в соответствии с управляющей программой.

В разработанном ЗУ достигаются следующие технические результаты: разработано зарядное устройство на базе микроконтроллера, способное автоматически формировать оптимальные параметры зарядного импульсов в зависимости от внешних условий и степени изношенности подключенной АКБ, позволяет заряжать полностью разряженные АКБ и не допускать перенапряжения при заряде, имеет электронную защиту от перегрузок и неправильного подключения.


Библиографический список
  1. Нормы сроков службы стартерных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей автотранспортных средств и автопогрузчиков: РД-3112199-1089-02.
  2. Соснин, Д.А. Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей / Учебное пособие. М.: СОЛОН-Р. – 2000. – 272 с.
  3. Ютт, В.Е Электрооборудование автомобилей. Учебник для вузов. – 4-е узд., перераб. и доп. – М.: Горячая линия, 2006. – 440 с.
  4. Акимов, С.В., Чижов Ю.П. Электрооборудование автомобилей. Учебник для вузов. – М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004 – 384 с.
  5. Электрооборудование автомобилей: Справочник /А.В. Акимов, О.А. Акимов, С.В. Акимов и др.; Под ред. Ю.П. Чижкова. М.: Транспорт. 1993. – 223 с.
  6. Патент на полезную модель 97880 Российская Федерация, МПК7 H02J 7/10. Малогабаритное зарядное устройство / Доманов В.И., Доманов А.В., Мишин А.В.; №2010114696/07; заявл. 13.04.2010; опубл. 20.09.2010, Бюл. № 26.
  7. Патент на полезную модель 81854 Российская Федерация, МПК7 H02J 7/10. Зарядное устройство для аккумуляторных батарей / Шибаев В.И.; №2008149264/22; заявл. 16.12.2008; опубл. 27.03.2009, Бюл. № 9.
  8. Патент на полезную модель 110561 Российская Федерация, МПК7 H02J 7/00. Зарядное устройство для аккумуляторных батарей / Нефедьев А.И.; №2011124489/07; заявл. 16.06.2011; опубл. 20.11.2011, Бюл. № 32.
  9. Патент на полезную модель 133985 Российская Федерация,  МПК7 H02J 7/00. Зарядное устройство для аккумуляторных батарей / Шаманов Р.С., Францев С.М., Викулов В.И.; №2013107265/07; заявл. 19.02.2013; опубл. 27.10.2013, Бюл. № 30.
  10. Францев, С.М. Проблемы эксплуатации автомобильных аккумуляторных батарей / С.М. Францев, Р.С. Шаманов, С.С. Солнцев // Актуальные вопросы современной науки: Материалы V международной научной конференции 6-7 февраля 2013 года, г. Санкт-Петербург. – Петрозаводск: ПетроПресс, 2013. -  100 с.


Все статьи автора «Францев Сергей Михайлович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: