Модуль Аккумуляторы и топливные элементы. Моделирование аккумулятора


Программное обеспечение для аккумуляторов и топливных элементов –– моделирование работы топливных элементов и аккумуляторов

Дополнительные изображения с примерами:
Температурное поле в литий-ионном аккумуляторном блоке для применения в двигателях внутреннего сгорания. Показаны изоповерхности температур и температурный профиль потока жидкости в каналах системы охлаждения. Распределение концентраций кислорода и топлива в каналах и газодиффузионные электроды топливного элемента с протонообменной мембраной. Расход и перепад давления в батарее топливных элементов. Концентрация электролитической соли во время разрядки свинцово-кислотного аккумулятора при 20 °С. Функция интеркалатных материалов в интерфейсе литий-ионных аккумуляторов используется здесь для описания двух разных интеркалатных материалов в отрицательном электроде. Исследуются эксплуатационные характеристики аккумулятора во время разрядки на предмет различных смешанных фракций двух интеркалатных материалов в отрицательном электроде. Исследование электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС) полностью смоделированного трехмерного твердооксидного топливного элемента. Кривые возрастают при увеличении разницы между двумя показателями плотности обменного тока.
Усложнение моделей аккумуляторов и топливных элементов

Начнем с простого

При создании модели нового объекта с нуля или даже модели аккумулятора или топливного элемента, которые уже были развернуты в вашем приложении, необходимо начать с простого, а затем постепенно усложнять процесс моделирования. Обычно это означает изучение характеристик устройства с помощью модели первичного распределения тока. Такая модель позволяет упростить электрохимическую реакцию, рассматривать электролит и другие компоненты в качестве проводников с сопротивлением и применять к ним закон Ома. Модели первичного распределения тока обеспечивают отличную обратную связь по геометрии вашего устройства и могут быть использованы для получения показаний по терморегуляции и даже структурной целостности с учетом теплового расширения.

Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит специализированные интерфейсы в составе графического пользовательского интерфейса COMSOL Desktop® для целого ряда физических формул. Интерфейс первичного распределения тока, также известный как физический интерфейс, содержит соответствующие поля для определения свойств материала, например, удельной проводимости электродов и электролита, для разных компонентов конструкции вашего аккумулятора или топливного элемента. Кроме того, он легко объединяется с физическими интерфейсами, описывающими другие характеристики, например, Джоулев нагрев или анализ тепловых напряжений, которые могут находиться в этом модуле, в пакете COMSOL Multiphysics или в одном из других модулей, основанных на физических процессах.

Исследование электрохимических характеристик системы

При повышении уровня сложности вашего исследования, кинетические характеристики электрохимических реакций в значительной мере зависят от микроструктуры электродов, материала электрокатализатора и состава электролита. Существует совсем немного баз данных материалов, в которых перечислены кинетические параметры электрохимических реакций, поэтому электрохимики проводят опыты, чтобы найти эти параметры конкретно для своего устройства. Проведение тщательных и контролируемых опытов в закрытых системах, таких как аккумуляторы и топливные элементы, представляет сложность, особенно с учетом целого ряда различных физических параметров, которые могут влиять на электрохимический процесс. Чтобы получить точные описания этих кинетических параметров, зачастую нужно сравнивать свои опыты с моделями такого же экспериментального процесса и уделять максимум внимания фактическим значениям этих параметров. Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит физические интерфейсы, которые имитируют эти опыты, например, циклическую вольтамперометрию и электрохимическую импедансную спектроскопию (ЭИС или переменнотоковый импеданс), а также инструменты для импорта данных, нанесения их на график и даже выполнения оценки их параметров (для этого требуется модуль оптимизации (Optimization Module))

После определения электрохимических кинетических характеристик можно использовать их в исследовании аккумуляторов и топливных элементов с помощью моделей вторичного распределения тока. В этих моделях на электрохимические реакции непосредственно влияет механизм переноса заряда и активационных перенапряжений. Такие модели обеспечивают лучшие показания рабочего напряжения и тока вашей системы и полезны при выборе материалов для электрода и электрокатализатора, при этом они позволяют включать потери, вызванные активационным перенапряжением, в любое термическое исследование, которое может быть проведено.

Кроме того, интерфейс вторичного распределения тока может быть полностью связан с интерфейсами переноса химических частиц, описывающими перенос частиц в газовых порах, например, в газодиффузионных электродах. В описании газодиффузионных электродов перенос растворенных газов в пористом электролите и их перенос на активные участки может объясняться с помощью моделей с агломератом или тонкопленочных моделей. Тогда перенос газа в порах также объединяется с переносом и потоком в газовом канале, например, в биполярных пластинах топливного элемента.

Гомогенные реакции можно объяснить с помощью кинетических выражений в интерфейсе массообмена модуля аккумуляторов и топливных элементов, где можно определить произвольные элементы поглотителя и источника. Либо же их можно определить в физических интерфейсах модуля разработки химических реакций (Chemical Reaction Engineering Module) и связать с вашей моделью аккумулятора или топливного элемента.

Полное представление всего процесса

Предыдущие типы моделей допускают, что концентрация является постоянной во всем электролите, и что текущий перенос происходит только из-за миграции ионов, что явно не соответствует действительности. Одним из важных факторов, запускающих электрохимическую реакцию, является состав электролита вблизи реагирующих участков. Чтобы действительно изучить электрохимические характеристики аккумулятора и топливного элемента, может потребоваться исследование третичного распределения тока. Это позволяет учесть изменения концентрации и включает качественное описание балансов материалов и перенос в электролите.

Что касается третичного распределения тока, состав электролита и пористого электролита может быть полностью связан с балансами материалов в газовой фазе и в газовых порах в пористых электродах и газодиффузионных электродах. Используются модели с агломератами или тонкопленочные модели для описания переноса частиц через пористый электролит. В случае с аккумуляторами также используются специальные интеркалатные уравнения для объяснения переноса частиц электрода.

Материалы в сепараторах и электродах могут также вступать в гомогенные реакции, в результате чего может наблюдаться ухудшение производительности. Интерфейсы переноса химических частиц позволяют моделировать химические реакции этих материалов для оценки того воздействия, которое может оказывать старение материалов элементов на производительность аккумуляторов и топливных элементов.

Проводимость электрического тока в электродах и в токосъемниках описывается законом Ома и уравнениями сохранения тока. Здесь учитываются омические потери в электронных проводниках, таких как токосъемники и питатели, электроды, пористые электроды и газодиффузионные электроды. Токосъемники и питатели можно также моделировать с помощью тонких проводящих слоев, называемых иначе оболочками, что позволит избежать построения сетки вдоль толщины этих тонких слоев. Балансы токов в электронных проводниках можно связать с балансами токов в электролите и пористом электролите посредством реакций переноса заряда с помощью специальных электродных интерфейсов.

Интеграция моделей аккумуляторов и топливных элементов с другими физическими интерфейсами

Модели, созданные в модуле аккумуляторов и топливных элементов, можно интегрировать в физические интерфейсы любых других модулей пакета COMSOL. Такая интеграция позволяет обнаружить важную информацию, касающуюся разработки и работы токосъемников и питателей, систем охлаждения, оптимизации электродов, сепараторов и мембран, а также терморегуляции относительно эксплуатационных характеристик и износа компонентов из-за старения.

Интерфейсы потока текучей среды из модуля вычислительной гидродинамики (CFD Module) или модуля теплопередачи (Heat Transfer Module), которые поддерживают имитацию турбулентного потока, могут быть использованы в моделировании систем нагрева и охлаждения литий-ионных аккумуляторов или высокотемпературных топливных элементов, например, топливных элементов на расплаве карбонатов и твердооксидных топливных элементов. Для них могут потребоваться формулы для излучения «от поверхности к поверхности», которое поддерживается модулем теплопередачи. Оценку параметров после электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС или спектроскопии переменнотокового импеданса), вольтамперометрии, экспериментов и имитаций отключения тока можно выполнить в сочетании с модулем оптимизации (Optimization Module). Интересным дополнением для моделирования старения электродов послужит добавление структурных напряжений, вызванных изменениями в плотности во время зарядки и разрядки электродов. Эти напряжения можно использовать для оценки размера микротрещин в частицах электрода, которые приводят к потере электрической проводимости, что ухудшает эксплуатационные характеристики электрода.

Интерфейсы физик для моделирования всего многообразия электрохимических свойств

Модуль аккумуляторов и топливных элементов - это единственное программное обеспечение, которое можно использовать для моделирования всех типов топливных элементов и аккумуляторов, с самыми надежными функциями для имитации всех видов электрохимических свойств. В этом продукте содержится ряд физических интерфейсов, которые моделируют либо сами электрохимические процессы, либо окружающие процессы, воздействующие на них.

Перенос химических частиц

Реагирующие частицы аккумуляторов и топливных элементов могут переходить во множество разных состояний и фаз. Сюда входит состояние в виде газов, жидкостей и твердых тел, существование в концентрированных или разведенных электролитах, смесях и твердых растворах. Интерфейсы модуля аккумуляторов и топливных элементов для переноса материалов моделируют перенос химических частиц через множество несвязанных и пористых сред. Сюда относятся диффузия, конвекция и миграция в разведенных и концентрированных растворах и смесях, в плоских, пористых электродах и газодиффузионных электродах.

Термин «миграция» используется во всех физических интерфейсах и учитывается в интерфейсе третичного распределения тока с помощью интерфейса уравнений Нернста-Планка. Перенос материалов в физических интерфейсах моделирования литий-ионных, свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторов с бинарным электролитом также описан определенными способами, в зависимости от типа аккумуляторов. Имеется также специальный интерфейс реагирующего потока для моделирования переноса химических частиц, непосредственно связанного с потоком и химическими реакциями.

Кинетика электрохимических реакций

Как и во всех модулях пакета COMSOL, любое уравнение можно определить в полях редактирования физических интерфейсов и сделать их зависимыми от любой переменной в смоделированной вами системе. Если это выполняется для электрохимических реакций переноса заряда, кинетические выражения могут быть произвольными функциями концентрации и температуры химических частиц, а также локальными электродными и элекролитными потенциалами на границе электрод-электролит.

Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит предопределенные физические интерфейсы, которые помогают определять эти кинетические выражения. Сюда входят интерфейсы электроанализа, которые особенно полезны, например, для моделировании переменнотокового импеданса. В интерфейсах вторичного и третичного распределения тока имеются поля редактирования для электродных кинетических параметров равновесного потенциала, анодного и катодного коэффициентов переноса заряда, плотности обменного тока, фактора симметрии и стехиометрии. Имеются также предопределенные выражения для выражений Батлера-Фольмера и Тафеля. В интерфейсе третичного распределения тока локальная концентрация электроактивных частиц входит в выражения реакции благодаря использованию переменных для концентрации. Эти физические интерфейсы также подходят для пористых и газодиффузионных электродов, так как в них можно определить эффективную проводимость электролитов и электродов, а также анизотропные свойства.

Балансы токов в электролитах и электродах

Практическое назначение аккумуляторов и топливных элементов заключается в упрощении преобразования химической энергии в электрическую, и наоборот (в случае аккумуляторов). Потери при этом преобразовании должны быть наименьшими, а старение должно быть сведено к минимуму. Имитации, которые будут использованы для разработки и оптимизации, зачастую должны включать в себя эффекты переноса ионов в электролите, мембранах и пористых электродах и электронную проводимость в электродах, все это в сочетании с сохранением тока и заряда.

Интерфейсы первичного и вторичного распределения тока допускают, что ионы перемещаются только при воздействии электрического поля, без учета диффузии, хотя они все же могут включать в себя приближенные аналитические выражения для концентрационных перенапряжений в пористых электродах. Интерфейс вторичного распределения плотности тока при использовании уравнения Максвелла-Стефана также может быть полностью связан с газофазным переносом в порах газодиффузионных электродов. Используются модели с агломератами или тонкопленочные модели для диффузии растворенных частиц в пористом электролите между газовыми порами и активными участками.

В интерфейсе третичного распределения тока учитывается перенос ионов под воздействием всех трех процессов переноса материалов: диффузии, конвекции и миграции по уравнениям Нернста-Планка. Поэтому все эти процессы включены в формулы, описывающие плотность тока, хотя конвекция обычно уравновешивается электронейтральностью. Эта формула также связана с реакциями переноса заряда на границе электрод-электролит и дает результаты для напряжения элемента, поскольку оно соотносится с током элемента для анализа стационарных и переходных процессов и частотного анализа.

Прохождение электрического тока в электродах и в токосъемниках описывается с помощью закона Ома в сочетании с уравнениями сохранения тока, включая электропроводность в пористых и газодиффузионных электродах. Интерфейс, упрощающий моделирование электропроводности в тонких токосъемниках и питателях при использовании тонких слоев (оболочек) без построения на них сетки, также включен в модуль аккумуляторов и топливных элементов. Кроме того, в топливном элементе могут содержаться электронные проводящие частицы или волокна для моделирования эффектов короткого замыкания и теплового пробоя в аккумуляторах.

Интерфейсы аккумуляторов

В модуль аккумуляторов и топливных элементов входят специальные физические интерфейсы для моделирования литий-ионных аккумуляторов. В них содержатся дополнительные условия и формулы для описания внутренней диффузии частиц (интеркаляция) и границы электролит - твердое тело (SEI), которая имеет толщину и используется как переменная модели. Увеличение границы твердое тело - электролит во время работы и при различных рабочих условиях может быть смоделировано для имитации старения. Также имеется интерфейс свинцово-кислотных аккумуляторов, где дополнительно учитываются изменения пористости в электродах из-за зарядки и разрядки аккумулятора и средняя приведенная скорость электролита, вызванная этими изменениями пористости. Аккумуляторы с бинарным электролитом лучше всего моделируются в специальном физическом интерфейсе, в котором рассматриваются концентрированные электролиты и ограничения, которые накладывает электронейтральность на перенос ионов в таких системах, а также интеркаляция частиц в элементах, образующих пористые электроды. Этот физический интерфейс полезен для моделирования никель-металл-гидридных и никель-кадмиевых аккумуляторов.

Поток текучей среды

Ламинарный поток и поток жидкости в пористой среде рассматриваются в модуле аккумуляторов и топливных элементов в физических интерфейсах, где решаются уравнения Навье-Стокса, закона Дарси и Бринкмана. Можно учесть турбулентный и двухфазный поток, включив в имитацию интерфейсы потока текучей среды из модуля вычислительной гидродинамики (CFD Module).

Теплопередача

Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит физические интерфейсы для моделирования теплопередачи посредством конвекции, теплопроводности и тепловой диффузии вследствие воздействия миграции ионов. Существует специальный интерфейс Джоулева нагрева, включающий в себя влияние активационных потерь, а также интерфейс для моделирования теплопередачи в пористой среде. Он учитывает различные проводимости в твердой и жидкой фазах, вместе с конвективным рассеиванием тепла, происходящим в среде такого типа. Излучение «от поверхности к поверхности» может приниматься в расчет в высокотемпературных системах посредством связи ваших моделей с физическими интерфейсами в модуле теплопередачи (Heat Transfer Module).

www.comsol.ru

RCView

В последнее время все недорогие радиоуправляемые модели стали оснащаться Ni-Cd АКБ (никель-кадмиевые аккумуляторные батареи), а точнее сборками этих батарей .  Аккумуляторы этого типа  имеют низкую рыночную стоимость , и на это есть ряд причин .

·         Относительно простая и дешевая технология изготовления

·         Обладают эффектом памяти

·         Малое число перезарядов

·         Малая удельная ёмкость

Рано или поздно любимая игрушка перестает включаться , АКБ приходит в негодное состояние , и встает вопрос где найти новый . Но вот где найти нужный по размерам , а главное с таким же типом разъема АКБ?!

Искать ничего не придется , если у вас есть паяльник , пара проводов , термоусадочная трубка , и 30 минут свободного времени.

Итак , допустим у вас есть игрушка питающаяся Ni-Mh или Ni-Cd аккумуляторной батареей на 7.2 В , емкостью  400 ma/h .  Естественно мы хотим не только вернуть игрушку к жизни, но и продлить  время игры на одном заряде . Поэтому увеличим емкость новых АКБ  в несколько  раз!

Повертев в руках старый аккумулятор и разрезав его оболочку  вы легко можете убедиться в том , что собран он из обычных пальчиковых аккумуляторных батарей класса АА , методом последовательного соединения.

Поэтому нам потребуется ,в нашем примере – это:

 

·         6 аккумуляторных батарей Ni-Mh класса АА , каждая батарея 1.2В , соответственно для получения 7.2В = 1.2В*6 , Одинаковой Ёмкости!

·         Термоусадочная трубка

·         Инвентарь для пайки : паяльник, флюс, припой

·         Надфиль/шкурка

·         Медный многожильный провод около

 

Вы могли заметить , что батареи в старом АКБ соединены не пайкой.  И это сделано не зря , т.к при сильном нагреве можно повредить АКБ, но ,как говорится "все хорошо в меру" .  Мы будем соединять батареи пайкой , но по определенной технологии.

Для того, чтобы припой быстро «прилип» к контактной поверхности АКБ  , предварительно зачистим поверхность надфилем . При обработке надфилем также создаются неровности и царапины которые создадут условия для надежного контакта .

Лично я использую обычную канифоль или паяльный жир в качестве флюса , и обычный оловянно-свинцовый  припой , температура паяльника  450 градусов .

Залудим контактную площадку .  Если припой не «прилипает» не стоит долго нагревать площадку АКБ , это может привести к выходу его из строя . В таком случае следует добавить флюса и припоя и повторить попытку.

Не советую использовать провода с изоляцией для соединения АКБ , т.к они сильно изменят размер АКБ , в отдельных случаях это очень важный фактор.  Поэтому я обычно снимаю изоляцию и методом лужения оголенного провода делаю своеобразные  плоские соединительные пластины.

Т.к контактные площадки АКБ мы заблаговременно залудили , то припаять соединительную пластинку  у нас ни составит никакого труда .

Соединяем  АКБ последовательно , то есть "+"  одного АКБ соединяется к "–" другого , и так далее . Плюсовой контакт первого и минусовой контакт последнего  соответственно будут   давать суммарное выходное напряжение равное 7.2 Вольта .

Присоединив все необходимые провода , включая разъем под зарядку , вкладываем сборку в термоусадочную трубку и  нагреваем (можно обычным феном для волос) .

Подведем итоги.  Вы были обладателем слабенького АКБ с напряжением питания  7.2В ,ёмкостью  400ma/h , в основе которого лежали 6 аккумуляторных Ni-Cd . Взяв со старого "мертвого" АКБ разъем и проделав всю выше описанную работу мы получили: аккумулятор ёмкостью 1800 ma/h , питающее напряжение 7.2 вольта , Ni-Mh без эфекта памяти . 

Удачи )

 

Была ли полезна для Вас статья?

 

 

Обсудить на форуме

 

 

rcview.ru

Учитываем нагрев в проектировании литий-ионных аккумуляторов

Управление температурным режимом — важная часть в работе литий-ионных аккумуляторов, которую необходимо учитывать. Посредством имитационного моделирования вы можете проанализировать как теплота перемещается внутри источника энергии и тем самым процесс проектировки.

Повод для беспокойства

Несмотря на то, слышите вы или нет название постоянно, литий-ионные аккумуляторы определённо играют активную роль в поддержании вашего ежедневного общения. Эти лёгкие, перезаряжаемые аккумуляторы обычно используются в разнообразной потребительской электронике, в том числе ноутбуках и сотовых телефонах. С их высокой плотностью энергии, литий-ионные аккумуляторы стали даже использовать в промышленности и транспортировке.

Lithium ion battery from cell phone 300x218 Учитываем нагрев в проектировании литий ионных аккумуляторовЛитий-ионный аккумулятор из сотового телефона. (“NOKIA® Battery” автор Kristoferb. Лицензия Creative Commons Атрибуция — На тех же условиях 3.0 через Викисклад.)

По мере того как растёт использование этих устройств, увеличивается и беспокойство по поводу их безопасности. Как упоминалось в предыдущей статье блога, самовозгорание литий-ионного аккумулятора на борту нового Boeing 787 Dreamliner, вызванное перегревом, привело к отстранению от полётов всех самолётов Dreamliner. В прошлом году Design News сообщили о перегреве литий-ионных аккумуляторов внутри автомобилей Мицубиси (прочитать об этом можно здесь).

Два разных заголовка затрагивают одну общую проблему — влияние нагрева на безопасность и долговечность литий-ионных аккумуляторов.

Как нагрев воздействует на литий-ионные аккумуляторы?

Чтобы решить эту проблему, важно понять ее предпосылки.

Давайте начнём с конструкции аккумулятора. Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов и неводного электролита, который позволяет ионам перемещаться. Во время зарядки, ионы лития двигаются с катода по электролиту и затем их захватывает кристаллическая структура анода на основе углерода. Когда аккумулятор разряжен, происходит процесс обратный описанному и эти ионы перетекают назад, приводя к противоположному потоку электрического тока. Кроме того они приводят и схему устройства в действие.

Согласно этому процессу, который похож на течение электрического тока по проводу, появляется внутреннее сопротивление в электролите, что приводит к Джоулеву нагреву. В проектировании литий-ионного аккумулятора важно то, что это тепло достаточно быстро распространяется, так что ячейка не нагревается настолько сильно, чтобы распадаться. Как отмечено в этом отчёте о моделировании литий-ионного аккумулятора, реакция распада является экзотермической. Это значит, что когда процесс начинается, температура будет продолжать расти и питать реакцию распада – явление известно как тепловой разгон аккумулятора. Это распространение тепла может быть потенциальным источником пожарной опасности.

Усовершенствование конструкции литий-ионного аккумулятора посредством имитационного моделирования

С помощью пакета COMSOL Multiphysics вы можете визуализировать и лучше разобраться в распределение температуры внутри литий-ионного аккумулятора. Модель Тепловое моделирования цилиндрического литий-ионного аккумулятора из модуля Аккумуляторы и топливные элементы объединяет теплопередачу с химией литий-ионного аккумулятора и потоком ионов. Интерфейс Сопряжённой теплопередачи используется для исследования охлаждения воздуха этой трехмерной тепловой модели литий-ионного аккумулятора.

Geometry of Li ion Battery Учитываем нагрев в проектировании литий ионных аккумуляторовСоставляющие термальной модели.

Модель ниже показывает температуру аккумулятора и направления потока после 1500 секунд зарядки. Наивысшая температура сосредоточена в активном веществе аккумулятора около торца, который является термически изолированным. Таким образом, эта область ячейки более склонна к старению и деградации.

Temperature and Flow in Li ion battery Учитываем нагрев в проектировании литий ионных аккумуляторовРаспределение температуры внутри литий-ионного аккумулятора.

Заключительные мысли — теперь ваша очередь

Имитационное моделирование является полезным инструментом в оптимизации проектирования литий-ионных аккумуляторов. По мере анализа того как тепло распространяется во время работы аккумулятора, исследователи и производители могут улучшить характеристики аккумулятора и найти путь к более безопасной и долговечной технологии.

Скачайте файлы модели моделируйте сами: Тепловое моделирование цилиндрического литий-ионного аккумулятора в трёхмерном пространстве

www.comsol.ru

Устройство для моделирования аккумуляторной батареи

 

Союз Соаетсккк

Соцкалнстмческнк

Респубпнк

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

G06 (7/63

Госудврстввнный комитет (23) Приоритет—

Опубликовано 15.05.80. Бюллетень М 18 (53 ) УД К 681.333 (088.8) па деном изобрвтеиий н открытий

Дата опубликования описания 20.05.80 (72) Авторы изобретения

C. К. Земан, A. B, Кобзев и Ю. М. Шпак

Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления н адноэлект оннки (7l) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

АККУМУЛЯТОРНОЙ Б АТ АРЕИ

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к аналоговым вычислительным машинам для специальных электрических устройств, и может быть использовано дпя имнтацнн вольтамперчасовых характеристик химических источников тока (ХИТ) прн проведении комплексных испытаний систем электропитания и электрооборудования обьекта, Известно устройство для моделирования аккумулятора 1), содержащее инвертор, блок задания коэффициентов, функциональный преобразователь, блок деления, интегратор, сумматоры и контакты, позволяющее моделировать переходные процессы в аккумуляторе н зависимость установившегося значения ЭДС поляризация от величины н знака тока в аккумуляторе, Однако данное устройство не позволяет имитировать вольтамперчасэвые характеристнкн ХИТ в реальном масштабе напряжений и токов кроме того, прн моделировании не учитываются

2 изменения внутреннего сопротивления н ЭДС полярнзацнн в зависимости от текущего значення емкости и температуры окружающей среды моделируемой аккумуляторной батареи. Наличие перекпюBQ10JgHxcB контактов, необходнмых дпя моделирования перехода аккумуляторной батареи нз одного режнма в друго 4 не позволяет использовать устройство при моделировании буферного режима работы

ХИТ, Наиболее близккм по технической сущности к предложенному является устройство, содержащее усилитель мошнос)5 9 ти выход которого подключен к нагрузочному элементу, а один из входовчерез усилитель напряжения к выходу сумматора, измерительный элемент, подключенный к выходу нагрузочного элемента, дополнительный усилитель напряження, вход которого обьединен со входом счетчика н усилителя мошностн

:и подключен к выходу измерительного, элемента. Выход дополнительного уснли1О ф

15.о

35 чо

55 теля напряжения соединен с первым входом блока задания начальных условий, второй вход которого через первый функциональный преобразователь подключен к выходу счетчика. блок задания начальных условий через второй функциональный преобразователь соединен с первым входом сумматора 12 .

Описанное устройство предназначено для имитации одного режима работы ХИТ режима разряда, что существенно сужает его функциональные возможности. Кроме того, устройство не обеспе..ивает достаточной точности моделирования аккумуляторной батареи.

Цель изобретения повышение точности моделирования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее первый функциональный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом счетчика. сумматор; блок задания начальных условий и нагрузочный элемент, введены регулятор напряжения, накопительный элемент, датчики напряжения, фильтр, датчик тока, блок задания температурных коэффициентов, усилитель постоянного тока, второй функциональный преобразователь и стабилизатор напряжения.

Первый вход стабилизатора является входом устройства второй вход с".Q6илизатора напряжения через второй ф. лк= циональпый преобразователь подключен к выходу первого датчика напряжения.

Вход первого датчика напряжения через накопительный элемент соединен с вы- ходом стабилизатора напряжения и с первым входом регулятора напряжения, выход которого через фильтр, подключен ко входам датчика тока нагрузочного элемента и второго датчика напряжения. Выход второго датчика напряжения соединен с первым входом сумматора, выход которого подключен ко второму входу регулятора напряжения, Второй вход сумматора соединен с выходом первого функционального преобразователя, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам блока задания температурных коэффициентов н усилителя постоянного тока. Вход усилителя соединен с первым входом счетчика и с выходом датчика тока, второй вход счетчика подключен к выходу блока задания начальных условий.

Регулятор напряжения содержит пороговые элементы, фазосдвигающие зл менты, задающий генератор, цепочку из последовательно соединенных выпрямительных мостов, переключатели. Каждый переключатель подключен параллельно плечу соответствующего выпрямительного моста, в диагональ каждого из которых включена первичная обмотка соответствующего трансформатора. Вторичные обмотки трансформаторов соединенны последовательно, средний вывод цепочки из последовательно соединенных вторичных обмоток трансформаторов подключен к выходу регулятора напряжения.

Первый вход регулятора напряжения соединен с диагональю первого выпрямительного моста, управляющие входы переключатепей которого подключены к первому выходу задающего генератора, второй выход которого соединен с первыми входами фазосдвигающих элементов. Выходы фазосдвигающих элементов подключены к управляющим в,ходам двух перекпючателей соответствующего выпрямительного моста, вторые вхОды фазосдвигаюших элементов попарно подкпючены к первым и вторым выходам соответствующих пороговых элементов, входы которых объединены и являются вторым вход м регулятора напряжения. Третий выход задак шего генератора соединен с управляющими входами двух выходных переключателей, каждый из которых подключен параллельно соответствующим выпрямительным элементам, последовательно соединенным между собой и соединенным с крайними выводами цепочки из последовательно соединенных вторичных обмоток трансформаторов.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство содержит датчик тока 1, подсоединенный своим выходом ко вхо дам усилителя 2 постоянного тока и счетчика З (количествч электрической энергии имитируемой аккумуляторной батареи), выходы которых подключены к управляющим входам функционального преобразователя 4, усилитель мошности, выполненный в виде последовательно соединенных стабилизатора 5, накопительного элемента 6, датчика напряжения 7 на его выходе, быстродействующего регулятора напряжения 8 с промежуточным высокочастотным преобразованием на полностью управляемых зпементах, фильтр 9, второй датчик напряжения 10, нагрузочный элемент 11. Выход датчика напряжения 7 через функциональный

5 73 преобразователь 12 подключен к управ1яюшему входу стабилизатора 5, а выход второго датчика напряжения 10 через сумматор 13, ко второму входу которого подсоединен выход функционального преобразователя 4, подсоединен к управляющему входу регулятора напряжения 8.

К одному из управляющих входов функционального преобразователя 4 подключен выход блока 14 задания температурных коэффициентов, а ко второму входу счетчика 3 — выход блока 15 задания начальных условий, являющегося задатчиком времени имитации.

Быстродействующий регулятор напряжения 8 содержит A+ 1 параллельно включенных выпрямнтельных мостов 16, переключатели 17-1 - 17-4, фазосдвигающие элементы 18-1 — 18= 11, пороговые элементы 19-1 — 19 = 11, задающий генератор 20, трансформаторы 21, выпрямительные элементы 22, выходные переключатели 23.

Устройство работает следующим обрезом С датчика -7 напряжение обратной связи через преобразователь 12, где оно сравнивается с задающим напряжением, поступает .на управляющий вход стабилизатора 5. При имитации вольтамперчасовых характеристик в режиме заряда аккумулятора, когда энергия потребляется из цепи нагрузочного элемента 11, ЭДС первичных обмоток трансформаторов превышает величину напряжения на выходе стабилизатора 5, который, осуществляя стабилизацию напряжения на емкостном накопительном элементе 6, обесгечивает рекуперацию энергии из цепи нагрузочного элемента 11 в сеть.

При имитации вольтамперчасовых характеристик в режиме разряда, когда энергия потребляется из сети в цепь нагрузочного элемента 11, противо-ЭДС цепи нагрузки ниже суммарной ЭЙС вторичных обмоток согласующих трансформаторов, определяемой величиной напряжения на выходе стабилизатора 5, и энергия, поступающая в нагрузку, потребляется из с етие

Напряжение управления 4у регулятора напряжения формируется следующим образом. Напряжение, пропорциональное величине тока нагрузки, с датчика тока

1 поступает на усилитель 2 постоянного тока и на счетчик 3. С выхода усилителя 2 напряжение, пропорциональное току . нагрузки, подается на функциональный преобразователь 4. С выхода счетчика

4742 6

3 на преобразователь.4 поступает напИ» кение, пропорциональное количеству электрической энергии имитируемой аккумуляторной батареи. Блок 15, соединенный со счетчиком 3, позволяет изменять масштаб времени имитации, за кс>торое реальный ХИТ либо отдает, либо накопит номинальную величину электрической энергии. С блока 14 напряжение, пропорциональное температуре окружаю5

10 шей среды имитируемой аккумуляторной батареи, поступает на вход функционального преобразователя 4. На выходе преобразователя 4 формируется напряжение, являющееся функцией тока нагру:- ки, текущего значения количества электрической энергии и температуры окружающей среды имитируемой аккумуляторной батареи, которое поступает на суммаz0 тор 13, где сравнивается с напряжением обратной связи, поступающим с датчика напряжения 10, и подается на управляющий вход быстродействующего регу лятора напряжения 8.

25 Регулирование величины выходного напряжения осуществляется следующим образом. При отсутствии напряжения управления 0 > контакты всех переключателей замыкаются синфазно, и на эле30 менте 11 формируется неискаженное, максимальное по величине напряжение, равное сумме напряжений всех вторичных обмоток согласующих трансформаторов.

При подаче напряжения 0>, превышающего по величине первый задаваемый пороговым элементом 19-1 уровень, появляется потенциал на входе фазосдвигаю щих элементов 18-1 и 18-1,что привс f дит к сдвигу выходньгк импульсов элемен40 та 18-1 в сторону задержки и в сторону опережения выходных импульсов элемента .

8-1„. В этом случае па части временного интервала периода несущей частоты задающего генератора происходит синфаз

45 ное замыкание переключателей 17-2, 17-3 в первый полупериод и переключателей 17-4, 17-1 -во второй период, что приводит к закорачиванию на этих ( интервалах первичной обмоткиМ согла50 сующего трансформатора, а выходйое напряжение уменьшается на величину напряжения, трансформируемого во вто1 1 ричную цепь обмотками iЛ/g и uV 3

55 того трансформатора. Дальнейшее увеличение управляющего напряжения U приведет к тому, что при определенном угле регулирования работающих фазо-! сдвигаюших элементов обмотка 1Ч, будет

734742

8 закорочена в течение всего периода, а затем она будет включаться в противоl фазе с остальными и ЭДС обмоток Wy и W будет вычитаться из суммы ЭДС всех остальных обмоток. Дальнейшее 5 увеличения напряжения U > приведет к аналогичным операциям с остальными регулируемыми инверторвми.

Таким образом, при наличии rl регулируемых ячеек обеспечивается на выходе 2 0 зон регулирования выходного напряжения, которое в процессе регулирования проходит 2 0+1 неискаженных уровней. Максимальные импульсные искажения на выходе не превышают вели- "5 чины напряжения вторичной обмотки одной ячейки. За счет этого, а также благодаря промежуточному высокочастотному преобразованию потока энергии, осуществляемому ячейками регулятора, при минимальных фильтрах обеспечивается высокое качество выходного напряжения и реализуется имитация аккумуляторной батареи в быстропротекающих динамических режимах.

Таким образом, устройство позвопяет имитировать вольт-амперчасовые характеристики химических источников тока в зарядном, разрядном и буферном режимах работ с высокой точностью как в статических, так и динамических режима .

Формула изобретения

1. Устройство для моделирования акку муляторной батареи, содержащее первый функциональный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом счетчика, сумматор, блок задания начальных условий и нагрузочный элемент, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью иовышения точности, в устройство введены регулятор напряжения накопитьщц ньe „ц е 45 мент, датчики напряжения, фильтр, датчик тока, блок задания температурных коэффициентов, усилитейь постоянного тока, второй функциональный преобразователь и стабилизатор напряжения, первый вход б которого является входом устройства, второй вход стабилизатора напряжения через второй функциональный преобразователь подключен к выходу первого датчика напряжения, вход которого

55 через накопительный элемент соединен с выходом стабилизатора напряжения и с первым входом регулятора напряжения, выход которого через фильтр подключен ко входу датчика тока, нагрузочного элемента и второго здатчика напряжения выход которого соединен с первым входом.сумматора, выход которого подключен ко второму входу регулятора напряжения, второй вход сумматора соединен с выходом первого функционального преобразователя, второй и третий входы которого подключены соответственно к ,выходам блока задания температурных коэффициентов и усилителя постоянного тока, вход которого соединен с первым входом счетчика и с выходом датчика тока, второй вход счетчика подключен к выходу блока задания начальных условий.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ющ е е с я тем, что регулятор напряжения содержит пороговые элементы, фазосдвигающие элементы, задаюший генератор, цепочку из последовательно соединенных выпрямительных мостов, переключатели, каждый из которых подключен параллельно плечу соответствующего выпрямительного моста, в диагональ каждого из которых включена первичная обмотка соответствующего трансформатора, вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно, средний вывод цепочки из последовательно соединенных вторичных обмоток трансформаторов подключен к выходу регулятора напряжения, первый вход которого соединен с диагональю первого выпрямительного моста, управляющие входы переключателей которого подключены к первому выходу задающего генератора, второй выход которого соединен с первыми входами фазосдвигаюших элементов, выходы которых подключены к управляющим входам двух переключателей соответствующего выпрямительного моста, вторые входы фвзосдвигающих элементов попарно подключены к первым и вторым выходам соответствующих пороговых элементов, входы которых объединены и являются вторым входом регулятора напряжения, третий выход задающего генератора соединен с унравляюпщми входами двух выходных переключателей, каждый из которых подключен параллельно соответствующим выпрямитепьным элементам, последовательно соединенным между собой и соединенным с крайними выводами цепочки из последовательно соединенных вторичных обмоток трансформаторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

% 432540, кл. 6 06 G 7/48, 1973.

734742 10

2 Авторское свидетельство СССР по заявке М 2308431/18-24, кл. Q 06 G 7/63, 1976, по которой ринято положительное решение (прототип),

Устройство для моделирования аккумуляторной батареи Устройство для моделирования аккумуляторной батареи Устройство для моделирования аккумуляторной батареи Устройство для моделирования аккумуляторной батареи Устройство для моделирования аккумуляторной батареи Устройство для моделирования аккумуляторной батареи 

www.findpatent.ru