Akkumulátor diagnosztikai egység - 1. rész
1. Bevezetés
Napjainkban a szünetmentes energiaellátó rendszerek szinte elengedhetetlen részegysége az akkumulátor telep. A gazdaság és az ipar számos területén alkalmazott kisebb - nagyobb szünetmentes áramellátó rendszerben a teljesítménytől, az áthidalási időtől és egyéb műszaki feltételektől függően a legkülönfélébb kapacitású és feszültségű akkumulátorokat alkalmaznak.
A szünetmentes áramellátó rendszerek megbízhatóságát az egyéb berendezések mellett nagymértékben meghatározza a beépített akkumulátorok állapota. Mindebből következik, hogy a felhasználók és üzemeltetők számára igen fontos az akkumulátorok műszaki állapotának ismerete, hiszen csak ennek birtokában lehet eldönteni – a sok esetben számottevő újabb beruházási költségeket is mérlegelve – hogy az adott rendszerben mikor kell az akkumulátorokat kicserélni.
1.1. A kapacitásvizsgálat célja
Az akkumulátorok munkavégző képességét alapvetően tényleges feszültségük és -Ah kapacitásuk határozza meg. Egy újonnan beépített akkumulátornál a gyártók garantáljak a névleges jellemzőket és megadják a várható élettartamot, amely idő alatt - az alkalmankénti kisütések és állandó 20 °C - kos környezeti hőmérséklet mellett - az Ah kapacitás a névleges érték 80%-ára csökken [1]. Az üzemeltetés során azonban az eltelt időtől függetlenül többek között a hőmérséklettől, a karbantartástól, az akkumulátorok készenléti állapotának megfelelő fenntartásától (ez gyakorlatilag az akkumulátortöltő berendezések feladata) jelentős mértékben függ az akkumulátorok állapota.
Kapacitásvizsgálattal – amely az akkumulátorok meghatározott körülmények között adott ideig történő kisütése – megállapíthatjuk, hogy az akkumulátorok az üzemeltetési körülményeket is figyelembe véve milyen mértékben felelnek meg a gyártók által megadott, illetve elvárható állapotoknak.
1.2. Kapacitásvizsgálati eljárások
A gyakorlatban alapvetően kétféle vizsgálati módszer terjedt el, amelyekből megbízható következtetést vonhatunk le az akkumulátorok állapotára vonatkozóan.
Az egyik eljárás során állandó leadott teljesítménynek megfelelő árammal sütjük ki az akkumulátorokat. Ez azt jelenti, hogy a vizsgálati ciklus alatt a csökkenő feszültség függvényében folyamatosan növeljük a kisütő áramot. Például ezt a terhelési állapotot valósítják meg az áramellátó rendszerekben alkalmazott állandó kimenő teljesítménnyel üzemelő inverterek és különféle DC/DC átalakítók.
A másik eljárás szerint a vizsgálat alatt állandó árammal sütjük ki az akkumulátorokat. A gyakorlatban a rendelkezésre álló kapacitás meghatározására ez utóbbi módszer az elterjedtebb.
Az akkumulátor gyártó cégek katalógusaikban általában mind az állandó teljesítménnyel, mindpedig az állandó árammal történő kisütési görbéket megadják, ezért a PowerQuattro Rt.-ben kifejlesztett akkumulátor diagnosztikai egység mindkét kapacitásvizsgálati eljárásra alkalmas. Az e cikkben ismertetett kisütési görbe az állandó áramú kisütési eljárással készült.
2. Az akkumulátor diagnosztikai egység működése
Az akkumulátor diagnosztikai egység az 1. ábrán látható három fő részből áll:
1. ábra.Az akkumulátor diagnosztikai egység blokkvázlata
- elektronikus terhelés
- mérési adatgyűjtő egységek
- működtető- , adatfeldolgozó és naplózó szoftver
2. ábra.Az elektronikus terhelés és az ASCAN modulok
2.1. Az elektronikus terhelés
Az elektronikus terhelés feladata 6…400 V névleges feszültségű akkumulátorok 0…70 A között tetszőlegesen beállítható árammal történő kisütése. A kisütő áram távvezérelt üzemben programvezérléssel PC-ről, helyi üzemben pedig az előlapon lévő potenciométerrel állítható be. A berendezésben teljesítmény L-C csatoló hálózat után egy IGBT kapcsoló eszköz impulzus szélesség modulációs üzemmódban kapcsolja az állandó értékű terhelő ellenállásokat a vizsgált akkumulátor telepre. Ezzel a megoldással az akkumulátorból kivett energia jelentős része a terhelő ellenállásokon alakul át hőenergiává, mivel a kapcsolóüzemben működtetett tranzisztoron számottevő veszteség nem keletkezik.
Az elektronikus terhelés blokkvázlata a 3. sz. ábrán látható.
3. ábra.Az elektronikus terhelés blokkvázlata
A berendezés a működés szempontjából három fő egységre bontható:
- energiaátviteli áramkör
- működtető- és vezérlő áramkörök
- kommunikációs- és illesztő áramkörök
2.1.1. Energiaátviteli áramkör
Az akkumulátorok az A+, A- bemeneten-, a terhelő ellenállások pedig a T+, T- kimeneten csatlakoznak az energiaátviteli áramkörhöz. A C kondenzátor blokk utáni áramköri részeket a terheléshez kapcsolódó bekötésekkel együtt úgy alakítottuk ki, hogy a lehető legkisebb szórt induktivitással rendelkezzenek, ugyanis a szórt induktivitásokban tárolt energia nagyrészt a kapcsoló elem veszteségét növeli. Ezzel az elrendezéssel az IGBT teljesítmény félvezető kapcsolási vesztesége a vezetési mellett még a hallhatósági tartomány fölötti 16…20 kHz üzemi frekvencián sem számottevő.
A kapcsoló üzemmódból adódóan a terhelésen jelentősen változó kitöltési tényezőjű és amplitúdójú IT(t) impulzus áramok folynak. Az akkumulátor telep védelme érdekében a terhelő áram felharmonikus tartalmát a berendezésbe beépített L-C szűrő egység jelentős mértékben csökkenti, így az akkumulátor telepet igen kis hullámosságú egyenáram terheli.
A C tervjelű kondenzátor telepet úgy méreteztük, hogy a legkisebb (6 V) UA – ra vonatkoztatott DuC p-p hullámosság összetevője kisebb legyen mint 10% és egyúttal fedezni tudja a terhelésen folyó áramok felharmonikus tartalmát jelentősebb melegedés nélkül. Ilyen feltételek mellett egy viszonylag kis méretű és –induktivitású ( < 100 mH ) L fojtótekercs is biztosítja a névleges 70 A áramra vonatkoztatva kevesebb mint 1% DiA p-p hullámosság tartalmú IAK akkumulátor kisütő áramot [3].
A jellemző jelalakokat a 4. és az 5. ábrák mutatják.
4. ábra.336 V névleges UA feszültségű akkumulátor esetén a terhelésre jutó feszültség hullámalakja: UT(t), - amplitúdója: UT (hullámosság nélkül) és – középértéke: UTK ; a C kondenzátor telep feszültségének pillanatértéke: uC(t) és – hullámossága: DuC p-p ; kitöltési tényező: δ.
Az ábrákon a szemléltetés érdekében a DuC p-p feszültség- és DiA p-p áram hullámosságot nem a valóságos arányaiban tüntettük fel.
4. ábra.70 A névleges kisütő áram esetén a terhelésen átfolyó áram hullámalakja: IT(t) és –amplitúdója: IT (hullámosság nélkül) ; az akkumulátor áram középértéke: IAK , – pillanatértéke: iA(t) és hullámossága: DiA p-p ; a C kondenzátor telepből kivett : Q1 és a -telepbe bevitt: Q2 töltésmennyiség ; kitöltési tényező: δ.
Mindkét ábra a maximális d impulzus kitöltési tényező mellett mutatja a jellemző jelalakokat.
Ha a d értékét folyamatosan csökkentjük, az UTK és az IAK mennyiségek a kitöltési tényezővel arányosan csökkennek. Ha a gyakorlatban igen kis hullámosság összetevőktől eltekintünk az alábbi összefüggéseket kapjuk.
A terhelésen folyó IT – és az IAK akkumulátor áram az amplitúdó étékekkel kifejezve:
(1.a.) és 
(1.b.) így 
(1.c.)
Az IGBT teljesítmény félvezető UVEZ vezetési feszültségesését és az egyéb US soros feszültségeséseket egy KS ( < 3 V ) korrekciós tényezővel figyelembe véve (névleges kisütő áram IAKN = 70 A esetén):
(2.a.) 
(2.b.)
(3.) ahol 
A kisütési ciklus alatt az UA folyamatosan csökken a δ pedig csak a δmax értékig növekedhet, így könnyen beláthatjuk, hogy az IAK és RT értékétől függően az elektronikus terhelés csak egy bizonyos U *Amin feszültség szintig képes a beállított áramot állandó értéken tartani. Mivel a kapacitás vizsgálat ideje alatt a kisütő áram a névleges IAKN értékű is lehet az UAmin kisütési végfeszültség szintje pedig adott, amelyre a kisütési ciklus végéig üzemszerűen lecsökkenhet az akkumulátor telep kapocsfeszültsége, a különböző névleges feszültségű akkumulátorokhoz különböző értékű RT terhelés tartozik.
Az előbbieket figyelembe véve RT értékére az alábbi (4.) egyenlet szerinti felső korlátot kapjuk:
(4.) ahol U *Amin néhány V – tal kisebb mint UAmin
Annak érdekében, hogy az IGBT eszköz árama semmilyen körülmények között sem haladja meg a maximálisan kapcsolható áramot, RT értékére az akkumulátor feszültségétől függően egy alsó határértéket is be kell tartani az alábbi (5.a.) egyenlet szerint:
(5.a.)
(5.b.)
Ahol UAmax a teljesen feltöltött akkumulátor kapocsfeszültsége a mérési ciklus megkezdésekor, IKAPCS pedig az IGBT eszközön megengedett legnagyobb kapcsolható áram.
2.1.2. Működtető- és vezérlő áramkörök
Ezek az áramköri egységek biztosítják az energiaátviteli áramkör megfelelő működéséhez szükséges feltételeket. Itt találhatók a segéd tápegységek, az IGBT teljesítmény félvezető meghajtó áramköre, a szabályozó-, kijelző- és védelmi feladatokat ellátó áramkör, továbbá a be/ki illetve üzemmód kapcsolók és a kézi üzemhez szükséges beállító potenciométer.
2.1.3. Kommunikációs- és illesztő áramkörök
Az elektronikus terhelés egy kétirányú adatforgalmat lebonyolító lekérdező egységen keresztül, RS-232 soros vonalon tartja a kapcsolatot a PC-vel.
A lekérdező egység RS-485 soros vonalára csatlakoztathatók a vizsgált akkumulátor telepen elhelyezett „Accumulator SCANner” (a továbbiakban ASCAN) mérőmodulok, valamint ide csatlakozik a belső alapjel átalakító is. Az alapjel átalakító a PC-ről a lekérdező egységen keresztül érkező kódolt jeleket az analóg áramkörök számára feldolgozható formában továbbítja a szabályozó egységnek.
Folytatása következik !
