Разработка электрической принципиальной схемы, расчет и выбор ее элементов

ВВЕДЕНИЕ

Пока силовая установка автомобиля бездействует, питание бортовой сети осуществляется от внешнего источника питания – автомобильной аккумуляторной батареи. Также посредством электроэнергии аккумулятора производится и сам запуск силовой установки.

Но аккумуляторная батарея энергию для запитывания сети не вырабатывает, она лишь хранит ее в себе, при надобности отдает, после чего восстанавливает свой заряд от генератора автомобиля.

Цикличность заряда-разряда идет не на пользу самой батарее, со временем ее заряд уменьшается, то есть батарея потихоньку разряжается, полностью восстановить количество энергии от генератора не удается, в конечном итоге заряда батареи уже не будет хватать для запуска мотора. В таком случае остро встает вопрос: как зарядить аккумулятор автомобиля. Производится данная операция зарядными устройствами. Процесс заряда аккумулятора можно условно разделить на три этапа.

Нормальный режим заряда, режим, при котором соблюдаются все правила и условия заряда аккумулятора.

Перезаряд, режим при котором в аккумулятор пытаются «загнать» энергии больше, чем он может вместить.

Переразряд, режим, при котором аккумулятор разряжается до уровня напряжения ниже установленного производителем.

Оба режима, перезаряда и переразряда, являются аварийными для аккумулятора и могут привести к выходу его из строя.

Целью курсового проекта является разработка схемы устройства защиты аккумулятора от перезаряда с автоматическим отключение при полном заряде.

Теоретическая часть

Общие сведения

Аккумуляторная батарея АКБ (как автомобильные, так и общего назначения) представляет собой химический источник тока, запасающий энергию, необходимую для питания электрического стартера, вращающего двигатель при пуске. Кроме того, она обеспечивает работу электрических приборов автомобиля при недостатке или отсутствии развиваемой генератором мощности. На транспортных средствах в основном применяются свинцовые стартерные батареи, состоящие из последовательно соединенных аккумуляторов, установленных в общем корпусе.

Рисунок 1.1 – Устройство обслуживаемой АКБ

1 – корпус; 2 – отрицательный электрод (пластина); 3 – сепаратор;
4 – положительный электрод (пластина); 5 – баретка; 6 – опорные призмы;
7 – крышка; 8 – пробка заливного отверстия; 9 – положительный вывод;
10 – межэлементная перемычка (соединительный мостик);
11 – отрицательный вывод

Так называемые «необслуживаемые» батареи отличаются от обычных замедленным «выкипанием» воды из электролита и большим его резервным объемом.

Классификация АКБ

Типы АКБ

Традиционные («сурьмянистые»). АКБ этого типа содержат в составе свинцовых пластин ≥5% сурьмы. Часто их еще называют классическими, традиционными. Но такое название на сегодняшний день уже не актуально, так как классическими уже стали АКБ с меньшим содержанием сурьмы.

Сурьму добавляют в свинец, чтобы увеличить прочность пластин. Но из-за этой добавки резко усиливается, ускоряется процесс электролиза, который начинается уже при 12 вольтах. Из-за выделяющихся газов (кислород и водород) кажется, что вода кипит. Из-за того, что вода улетучивается наружу в большом количестве, меняется концентрация электролита и оголяются верхние края электродов. Для компенсации «выкипевшей» воды в АКБ заливают дистиллированную воду.

Аккумуляторы с высоким содержанием сурьмы делают легкообслуживаемыми. Это вызвано тем, что приходится довольно часто, не реже одного раза в месяц, производить проверку плотности электролита и заливку воды.

Сейчас АКБ данного типа уже не устанавливаются на автомобили, т.к. прогресс уже давно ушел вперед. «Сурьмянистые» батареи могут устанавливаться на стационарные установки, где важнее неприхотливость источников питания и где нет особых проблем с их обслуживанием. Все автомобильные аккумуляторы изготавливаются с малым содержанием сурьмы или же совсем без нее.

Малосурьмянистые. Для уменьшения интенсивности «выкипания» воды в аккумуляторах стали использовать пластины со сниженным количеством сурьмы (меньше 5%). Это позволило избавиться от необходимости часто проверять уровень электролита. Также снизился уровень саморазряда АКБ при хранении.

Такие аккумуляторы чаще всего называют малообслуживаемыми или вовсе необслуживаемыми, подразумевая, что данные АКБ не требуют контроля и ухода. Хотя термин «необслуживаемый» больше маркетинговый, чем реальный, так как не получилось абсолютно избавиться от потерь воды из электролита. Вода все равно понемножку «выкипает», хоть и гораздо в меньших количествам, чем у обычных обслуживаемых аккумуляторов. Огромным плюсом малосурьмянистой батареи является ее нетребовательность к качеству электрооборудования автомобиля. Даже при перепадах напряжения бортовой сети характеристики данной АКБ не меняются так необратимо, как это бывает с более современными аккумуляторами, например, кальциевыми или гелевыми.

Малосурьмянистые аккумуляторные батареи больше подходят для легковых автомобилей российского производства, так как отечественные авто пока не могут похвастаться обеспечением стабильности напряжения бортовой сети. Тем более, малосурьмянистые аккумуляторы отличаются минимальной стоимостью по сравнению с другими.

Кальциевые. Еще одним решением снизить интенсивность «выкипания» воды в аккумуляторе было использование вместо сурьмы другого материала в решетках электродов. Наиболее подходящим оказался кальций. Аккумуляторные батареи данного типа часто имеют маркировку «Ca/Ca», что обозначает, что пластины обоих полюсов содержат в своем составе кальций. Также в состав пластин иногда добавляют еще и серебро в малых количествах, что снижает внутреннее сопротивление АКБ. Это положительно сказывается на энергоемкости и КПД батареи.

Применение кальция позволило значительно снизить интенсивность газовыделения и потери воды, по сравнению с малосурьмянистыми аккумуляторами. Фактически, потери воды за весь срок службы батареи составили столь малую величину, что отпала необходимость в проверке плотности электролита и уровня воды в банках. Таким образом, кальциевые аккумуляторные батареи имеют право называться необслуживаемыми.

Кроме низкой скорости «выкипания» воды, кальциевые аккумуляторы имеют еще и сниженный почти на 70%, по сравнению с малосурьмянистыми, уровень саморазряда. Это позволяет кальциевым батареям дольше сохранять свои эксплуатационные свойства при долгом хранении.

Т.к. использование кальция вместо сурьмы позволило повысить напряжение начала электролиза воды с прежних 12 до 16 вольт, перезаряд стал не так страшен.

Однако кальциевые аккумуляторные батареи имеют не только плюсы, но и минусы.

Одним из главных минусов аккумуляторов данного типа является капризность в отношении переразряда. Достаточно 3-4 раза чересчур разрядить, как необратимо снижается уровень энергоемкости, т.е. резко уменьшается количество тока, которое батарея способна накопить. Аккумуляторную батарею в таких случаях, как правило, просто меняют.

Кальциевые аккумуляторы чувствительны к напряжению бортовой сети автомобиля, крайне плохо перенося резкие перепады. Перед покупкой аккумуляторной батареи данного типа следует убедиться в стабильности напряжения автомобиля.

Еще одним минусом является более высокая цена кальциевых аккумуляторов. Но это уже не является недостатком, а вынужденной платой за качество.

Чаще всего кальциевые аккумуляторные батареи устанавливаются на иномарках среднего ценового диапазона и выше, т.е. на те автомобили, где качество и стабильность электрооборудования гарантировано. При покупке аккумулятора данного типа следует иметь в виду, что батарея в эксплуатации более требовательна, чем малосурьмянистая, но зато при должном уходе Вы получаете высококачественный и надежный источник питания для Вашего автомобиля.

Гибридные. Часто обозначаются как «Ca+». В гибридных аккумуляторах пластины электродов сделаны по разным технологиям: положительные – малосурьмянистые, отрицательные — кальциевые. Это позволяет совместить положительные качества обоих типов аккумуляторных батарей. Расход воды у гибридных батарей в два раза меньше, чем у малосурьмянистых, но все равно больше, чем у кальциевых. Зато выше устойчивость к переразрядам и перезарядам.

По характеристикам гибридные аккумуляторные батареи находятся между малосурьмянистыми и кальциевыми.

Гелевые, AGM. Гелевые и AGM аккумуляторные батареи содержат электролит не в «классическом» жидком виде, а в связанном, гелеобразном состоянии (отсюда и название типа батареи).

Инженерам на протяжении более чем полторы сотни лет истории аккумуляторных батарей приходилось решать множество проблем, задач. Одной из важнейших проблем было осыпание активного вещества с поверхности пластин-электродов. Этот вопрос временно решили путем добавления в состав оксида свинца различных присадок — сурьмы, кальция и т.д. Еще одной очень важной задачей было обеспечение безопасности эксплуатации батарей, т.к. электролит — водный раствор серной кислоты — мог легко вытечь при повреждении корпуса АКБ. Не надо рассказывать, насколько агрессивным химическим веществом является серная кислота. Необходимо было найти способ не допустить, минимизировать возможность утечки электролита при повреждении корпуса батареи.

Эта проблема была решена путем перевода электролита из жидкого в гелеобразное состояние. Т.к. гель гораздо более плотный и менее текучий, чем жидкость, это решило сразу обе проблемы — активное вещество уже не осыпалось (плотная окружающая среда фиксировала его) и электролит не вытекал (гель имеет низкую текучесть).

И в гелевых, и в AGM батареях электролит находится в гелеобразном состоянии. Отличие в том, что в AGM аккумуляторах помимо этого между пластинами-электродами находится специальный пористый материал, дополнительно удерживающий электролит и защищающий электроды от осыпания. Сама аббревиатура «AGM» так и расшифровывается — Absorbent Glass Mat (абсорбирующий стекломатериал). Т.к. гелевые и AGM аккумуляторы имеют почти схожие характеристики, далее по тексту под гелевыми будут иметься в виду и AGM батареи. В случае имеющихся различий об этом будет указано отдельно.

Благодаря тому, что гель в аккумуляторах находится фактически в зафиксированном состоянии, данные батареи не боятся наклонов. Производители пишут даже, что эксплуатация батареи допустима в любом положении. Хотя это лишь маркетинговое высказывание, т.к. все равно не стоит держать гелевые АКБ в перевернутом состоянии.

Отличная виброустойчивость — это не единственное положительное качество гелевых аккумуляторов. Данные типы батарей имеют низкую скорость саморазряда, благодаря чему их можно хранить долгое время без критического снижения заряда. Хранить следует в заряженном состоянии.

Гелевые АКБ могут выдавать одинаково высокий ток вплоть до полного разряда. При этом они не боятся переразряда, полностью восстанавливая после подзарядки свою номинальную емкость.

Если при разряде гелевые аккумуляторы менее капризны, чем классические, то с зарядом батарей ситуация совсем иная. Недопустим ускоренный заряд — процесс зарядки гелевых аккумуляторных батарей должен происходить гораздо меньшим током. Для этого даже используются специальные зарядные устройства, подходящие для зарядки только гелевых аккумуляторов. Хотя на рынке имеются и универсальные ЗУ, умеющие, по заверениям производителей, производить зарядку всех типов батарей. Насколько это соответствует действительности — необходимо смотреть внимательно, обращая внимание на репутацию и гарантии производителя.

К сожалению, гелевые батареи при очень низких температурах ведут себя хуже, чем классические. Это связано с тем, что гель становится менее проводимым при снижении температуры. При благоприятных условиях эксплуатации гелевые аккумуляторные батареи могут работать до 10 лет.

Благодаря своей абсолютной герметичности, относительной виброустойчивости и своей фактической (а не просто маркетинговой) необслуживаемости гелевые батареи широко применяются там, где классические АКБ использовать опасно или невыгодно: внутри помещений (например, в источниках бесперебойного питания), в мототехнике (мотоцикл, в отличие от автомобиля, едет, периодически отклоняясь от вертикальной плоскости), в морском и речном транспорте (данные аккумуляторы не боятся качки, свойственной судам). Разумеется, гелевые батареи также применяются и в автомобилях. Чаще всего — в престижных иномарках, что обусловлено довольно высокой ценой этих АКБ (плата за качество и надежность).

Щелочные. Как известно, в качестве электролита в аккумуляторах может использоваться не только кислота, но и щелочь. Существует множество разновидностей щелочных АКБ, но мы рассмотрим только те, что нашли применение в автомобилях.

Автомобильные щелочные аккумуляторы бывают двух типов: никель-кадмиевые и никель-железные. В никель-кадмиевой батарее положительные пластины покрыты гидроксооксидом никеля NiO(OH) (он же гидрат окиси никеля III или метагидроксид никеля), отрицательные пластины — смесью кадмия и железа. В никель-железной батарее положительные пластины покрыты тем же составом, что и в никель-кадмиевой батарее — гидроксооксидом никеля. Отличие лишь в отрицательном электроде — в никель-железном аккумуляторе он сделан из чистого железа. Электролитом в обоих типах аккумуляторов является раствор едкого калия КОН.

Пластины-электроды в щелочных батареях упаковываются в «конверты» из тончайшей перфорированной металлической пластины. В эти же конверты запрессовывается активное вещество. Это позволяет сильно повысить виброустойчивость батарей.

У щелочных АКБ есть интересная особенность: в никель-кадмиевых аккумуляторах положительных пластин на одну больше, чем отрицательных, и находятся они по краям, соединяясь с корпусом. В никель-железных аккумуляторах все наоборот — отрицательных пластин больше, чем положительных.

Еще одной особенностью щелочных батарей является то, что в них при протекании химических реакций не расходуется электролит. По этой причине его требуется меньше, чем в кислотных, где приходится наливать электролит с запасом по причине его «выкипания».

У щелочных аккумуляторных батарей есть ряд преимуществ по сравнению с кислотными:

Хорошая переносимость переразрядов. При этом батарея может храниться в разряженном состоянии без потери своих характеристик, чего нельзя сказать про кислотные АКБ.

Щелочные батареи относительно легко переносят перезаряд. При этом есть мнение, что их лучше перезарядить, чем недозарядить.

Щелочные аккумуляторы гораздо лучше работают в условиях низкой температуры. Это позволяет почти безотказно обеспечивать запуск двигателей в зимнее время.

Саморазряд щелочных батарей ниже классических кислотных.

Из щелочных АКБ не выделяются вредные испарения, чего нельзя сказать про кислотные АКБ.

Щелочные аккумуляторы умеют накапливать больше энергии на единицу массы. Это дает возможность дольше выдавать электрический ток (при тяговом режиме эксплуатации).

Однако у щелочных аккумуляторных батарей есть и недостатки, если сравнивать с кислотными:

Щелочные аккумуляторы выдают напряжение меньше, чем кислотные, из-за чего приходится объединять большее количество «банок» для достижения нужного напряжения. По этой причине, при одинаковом напряжении, габариты щелочного аккумулятора будут больше.

Щелочные батареи намного дороже кислотных.

Щелочные батареи в настоящее время используются чаще в качестве тяговых аккумуляторов, чем стартерных. Из-за своих габаритов большинство выпускаемых стартерных щелочных АКБ — для грузовиков.

Перспектива широкого использования щелочных батарей на легковых автомобилях пока туманна.

Литий-ионные. Литий-ионные аккумуляторные батареи (и ее подвиды) считаются наиболее перспективными в качестве дополнительного источника электрического тока.

В химических элементах этого типа носителями электрического тока являются ионы лития. К сожалению, нельзя однозначно описать материалы электродов, т.к. технология постоянно меняется, совершенствуется. Можно лишь сказать, что первое время в качестве отрицательных электродов использовался металлический литий, но подобные аккумуляторы оказались взрывоопасными. В дальнейшем стал использоваться графит. В качестве материала положительных электродов раньше использовались оксиды лития с добавлением либо кобальта, либо марганца. Однако сейчас они всё больше замещаются литий-ферро-фосфатными, т.к. новый материал оказался менее токсичным, более дешевым и экологичным (можно безопасно утилизировать).

Важнейшими достоинствами литий-ионных аккумуляторов являются:

Высокая удельная емкость (емкость на единицу массы).

Выдаваемое напряжение выше, чем у «обычных» — один элемент питания способен выдавать около 4 вольт. Напомним, что напряжение элемента классической АКБ — 2 вольта.

Низкий саморазряд.

Однако все имеющиеся достоинства перевешивают недостатки, из-за которых не получается уже сегодня массово использовать литий-ионные батареи в качестве замены классических свинцово-кислотных.

Некоторые недостатки литий-ионных батарей:

Чувствительность к температуре воздуха. При отрицательных температурах способность отдавать энергию очень резко снижается. И это одна из главных проблем, над решением которой и бьются разработчики.

Число зарядов-разрядов пока слишком мало (в среднем, около 500).

Литий-ионные аккумуляторы «стареют». При хранении происходит постепенное уменьшение емкости. В течение 2 лет — около 20% ёмкости. Просьба не путать с саморазрядом или эффектом памяти. Но хорошо, что работа над решением этой проблемы все-таки ведется.

Литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к глубоким разрядам.

Недостаточная мощность для использования в качестве стартерной батареи. Силы тока, выдаваемой литий-ионным элементом, хватает для питания электронных приборов, но недостаточно для пуска двигателя.

Материал АКБ.

- Cn–Po – Графен-полимерный аккумулятор. Выпускается на рынок в первой половине 2015 года. Время её зарядки составляет всего 8 минут. На 77% дешевле других батарей для электромобилей.

- La-Ft – лантан-фторидный аккумулятор

- Li-Ion – литий-ионный аккумулятор (3,2-4,2 V), общее обозначение для всех литиевых аккумуляторов

- Li-Co – литий-кобальтовый аккумулятор, (3,6 V), на базе LiCoO₂, технологияe в процессе освоения

- Li-Po – литий-полимерный аккумулятор (3,7 V), полимер в качестве электролита

- Li-Ft – литий-фторный аккумулятор

- Li-Mn – литий-манганный аккумулятор (3,6 V) на базе LiMn₂O₄

- LiFeS – литий-железно-сульфидный аккумулятор (1,35 V)

- LiFeP или LFP – Литий-железно-фосфатный аккумулятор (3,3 V) на базе LiFePO₄

- LiFeYPO₄ – литий-железо-иттрий-фосфатный (Добавка иттрия для улучшения свойств)

- Li-Ti – литий-титанатный аккумулятор (3,2 V) на базе Li₄Ti₅О₁₂

- Li-Cl – литий-хлорный аккумулятор (3,99 V)

- Li-S – литий-серный аккумулятор (2,2 V)

- LMPo – литий-металл-полимерный аккумулятор

- Fe-air – железо-воздушный аккумулятор

- Na/NiCl – никель-солевой аккумулятор (2,58 V)

- Na-S – натрий-серный аккумулятор, (2 V), высокотемпературный аккумулятор

- Ni-Cd – никель-кадмиевый аккумулятор (1,2 V)

- Ni-Fe – железо-никелевый аккумулятор (1,2–1,9 V)

- Ni-H₂ – никель-водородный аккумулятор (1,5 V)

- Ni-MH – никель-металл-гидридный аккумулятор (1,2 V)

- Ni-Zn – никель-цинковый аккумулятор (1,65 V)

- Pb – свинцово-кислотный аккумулятор (2 V)

- Pb-H – свинцово-водородный аккумулятор

- Ag-Zn – серебряно-цинковый аккумулятор (1,85 V)

- Ag-Cd – серебряно-кадмиевый аккумулятор (1,6 V)

- Zn-Br – цинк-бромный аккумулятор (1,8 V)

- Zn-air – цинк-воздушный аккумулятор

- Zn-Cl – цинк-хлорный аккумулятор

- RAM – щелочной элемент (1,5 V)

- Ванадиевый аккумулятор (1,41 V)

- Алюминиево-графитный аккумулятор (2 V)

- Алюминиево-ионный аккумулятор (2 V)

Размеры. Так сложилось, что при разработке нового типа или даже марки автотехники нередко приходилось разрабатывать под неё новую АКБ. В дальнейшем производители разработали большую номенклатуру различных аккумуляторов, существенно различающихся типоразмерами и электрическими характеристиками. Для тяжёлых грузовиков и спецмашин, имеющих бортовую сеть 24 вольта, применяются две одинаковые 12-вольтовые батареи, соединённые последовательно. В настоящее время существует несколько форм-факторов батарей. Аккумуляторы для японского и европейских рынков могут иметь разные размеры.

Полярность. «Обратная» или «прямая». Определяет расположение электродов на корпусе АКБ. Для автомобилей отечественного выпуска характерна прямая полярность, при которой плюсовая клемма находится слева, а минусовая — справа, при положении аккумулятора «клеммы ближе к вам». Установить чужую батарею, например «европейскую» на японский автомобиль, зачастую бывает невозможно. Может потребоваться удлинение проводов.

Диаметр контактных клемм. В типе Euro — type 1 — 19,5 мм «плюсовая» клемма и 17,9 мм «минусовая» клемма. Тип Asia — Type 3 — 12,7 мм у «плюсовой» клеммы, — и 11,1 мм у клеммы «минус». Выпускаются «колпачки» — переходники с тонких клемм на толстые.

Тип крепления. В конкретном транспортном средстве может быть реализован один из типов крепления АКБ — верхнее или нижнее. В ряде автомобилей конструкции для закрепления батареи может быть не предусмотрено. Обозначения типов нижнего крепления следующие: B00, B01, B03, B13.

Необходимость обслуживания. По этому принципу АКБ классифицируют на два типа: обслуживаемые (и как их подкатегория — малообслуживаемые) и необслуживаемые (в тексте ГОСТа обозначенные как безуходные). В простых по конструкции аккумуляторах необходим регулярный контроль состояния электролита и регулярная подзарядка по специальной технологии с помощью стационарного зарядного устройства. На промышленных предприятиях для ухода за автомобильными аккумуляторами существуют специально обученные люди, а также зарядные лаборатории (станции). Однако «необслуживаемые» АКБ — это не значит, что за такой батареей совсем не нужен уход. Как правило, необслуживаемая батарея имеет встроенный индикатор-ареометр, по цвету которого определяется плотность электролита — зелёный поясок при нормальной плотности, красный при низкой (батарея подлежит замене). Также необходимо периодически контролировать уровень электролита по меткам на корпусе. На всех АКБ во избежание повреждения аккумуляторного отсека кислотой необходимо контролировать герметичность корпуса, заливных пробок и чистоту дренажных отверстий, а при появлении признаков электролита устранить течь и тщательно промыть корпус и отсек АКБ нейтрализующим щелочным составом. Также необходимо периодически тщательно очищать и смазывать клеммы литиевой смазкой, во избежание их электрокорозийного разрушения.

Основные характеристики

На территории Российской Федерации АКБ должны соответствовать межгосударственному ГОСТу 959-2002 «Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники». Для обеспечения нормальной эксплуатации электрооборудования и самой батареи требуется ее соответствие по основным размерам и характеристикам данному автомобилю.

«Полярность» – определяет расположение отрицательного и положительного выводов батареи. Если смотреть на АКБ со стороны, к которой выводы смещены ближе, то полярность:

- прямая – если положительный вывод с обозначением «+» находится слева, а отрицательный вывод, обозначенный «–», – справа;

- обратная – если положительный вывод «+» находится справа, а отрицательный вывод «–» – слева.

Ширина батареи должна точно соответствовать штатной, поскольку большинство из них крепится за нижние боковые выступы корпуса.
Высота и длина могут быть несколько больше, если это допускают размеры ниши (установочной площадки) под АКБ.

Номинальная емкость (С₂₀) – количество электричества (в А.ч), которое способна отдать АКБ при 20-часовом режиме разряда током, численно равным 0,05 номинальной емкости до напряжения на выводах 10,5 В при температуре электролита 25°С.

Особенностью аккумуляторов является уменьшение времени разряда с повышением разрядных токов. Зависимость времени разряда от тока разряда близка к степенной. Распространена, в частности, формула немецкого ученого Пейкерта. Постоянный для данного аккумулятора или типа аккумуляторов. Для свинцовых кислотных аккумуляторов число Пейкерта обычно изменяется от 1,15 до 1,35. Величину константы в левой части уравнения можно определить по номинальной ёмкости аккумулятора. Тогда, после нескольких преобразований, получим формулу для реальной ёмкости аккумулятора при произвольном токе разряда рассчитывается по формуле 1.1:

, (1.1)

где, — номинальная ёмкость аккумулятора;

— номинальный ток разряда, при котором задана номинальная ёмкость (обычно ток 20-часового или 10-часового цикла разряда).

Ёмкость аккумулятора, как правило, выбирается исходя из рабочего объёма двигателя (больший объём — большая ёмкость), его типа (для дизельных ёмкость АКБ будет больше, чем для бензиновых при равном объёме) и условий эксплуатации (для районов с холодным климатом ёмкость увеличивают).

Резервная емкость (Cр) – время разряда в минутах полностью заряженной батареи током 25 А до напряжения 10,5 В при температуре электролита 25°С.

Примечание. По ГОСТу 959-2002 номинальную и резервную емкость определяют поместив батарею в ванну с водой, имеющей температуру 25±2°С.

Резервная емкость численно в 1,63 раза больше номинальной (например, для батареи емкостью 55 А.ч она составляет 90 минут). Это расчетное время, в течение которого полностью заряженная АКБ обеспечивает электроэнергией минимум потребителей, необходимых для безопасного движения автомобиля в случае отказа генератора.

Ток холодной прокрутки (I_х.п.) – по ГОСТу 959-2002 – это ток разряда, который способна отдать батарея при температуре электролита минус 18°С в течение 10 с напряжением не менее 7,5 В. Чем этот параметр выше, тем лучше двигатель будет пускаться зимой, но из-за увеличения нагрузки на стартер может снизиться его ресурс.

Номинальное напряжение:

- 6 В — до конца 1940-х годов практически все автомобили имели шестивольтовое электрооборудование. В настоящее время аккумуляторы на напряжение 6 В применяются только на особо лёгкой мототехнике.

- 12 В — в данный момент на всех легковых автомобилях, грузовых автомобилях и автобусах с бензиновыми двигателями, а также на большинстве мотоциклов используются аккумуляторы только с таким значением напряжения.

- 24 В — используются на тяжёлых грузовых автомобилях с дизельными двигателями, троллейбусах, трамваях, и на военной технике с дизельными двигателями.

- На малотоннажных грузовиках, микроавтобусах и легковых автомобилях с дизельными двигателями используются аккумуляторы с электрическим напряжением 12 вольт.

Напряжение без нагрузки (напряжение при снятых клеммах) аккумулятора можно связать с примерным уровнем заряда. Если аккумулятор находится на транспортном средстве, «напряжение без нагрузки» измеряется, когда двигатель остановлен, а нагрузка полностью отключена (сняты клеммы).

Степень заряженности оценивают на отключенном от нагрузки аккумуляторе, не менее, чем через 6 часов покоя, и при комнатной температуре. В случае температуры, отличной от комнатной, вносится температурная поправка. В среднем считается, что падение температуры на 1 °C от комнатной снижает ёмкость примерно на 1 %, таким образом при −30 °C ёмкость АКБ будет равна примерно половине от ёмкости при +20 °C.

Напряжение без нагрузки также зависит от температуры и от плотности электролита при полном заряде. Следует заметить, что плотность электролита при одном и том же уровне заряда в свою очередь также зависит от температуры (обратная зависимость).

Таблица 1.1 – Характеристики АКБ

Напряжение без нагрузки при T = 26,7 °C	Примерный заряд	Плотность электролита при T = 26,7 °C
12 В	6 В
12,65 В	6,32 В	100 %	1,265 г/см³
12,35 В	6,22 В	75 %	1,225 г/см³
12,10 В	6,12 В	50 %	1,190 г/см³
11,95 В	6,03 В	25 %	1,155 г/см³
11,70 В	6,00 В	0 %	1,120 г/см³

Технологическая часть

Структурная схема

В ходе курсовой работы была разработана электрическая структурная схема устройства защиты аккумулятора от перезаряда с автоматическим выключением при полном заряде. Схема представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Схема электрическая структурная
устройства контроля заряда АКБ

Заряд аккумуляторной батареи АКБ должен осуществляться от источника постоянного тока с напряжением 12 В. Для реализации такого источника можно использовать сеть переменного тока с напряжением 220 В частотой 50 Гц, которая подключается к входу преобразователя ПР. Чтобы получить постоянное пониженное напряжение 12 В из переменного 220 В, нужно, чтобы блок преобразователя состоял из понижающего трансформатора, на выходе которого установлен преобразователь переменного тока в постоянный ток, в роли которого выступает, например, мостовая схема выпрямителя.

Постоянное напряжение 12 В, через блок отключения зарядка БОЗ аккумуляторной батареи поступает на клеммы АКБ. Таким образом осуществляется заряд аккумуляторной батареи. Для ограничения тока, необходимо в блок БОЗ включить ограничитель тока.

Чтобы обеспечить контроль АКБ от перезаряда необходимо использовать блок устройства сравнения УС (компаратор), на один из входов которого поступает напряжение с задатчика величины напряжения, до которого осуществляется заряд аккумуляторной батареи. В роли задатчика используется опорное напряжение на уровне 14 В. На второй вход устройства сравнения подается напряжение, измеряемое с клемм АКБ. Таким образом, в момент, когда напряжение на аккумуляторной батареи достигнет своего максимума (14 В), сигналы на входе УС сравняются по амплитуде и компаратор выдаст сигнал, который используется для размыкания линии заряда АКБ в блоке отключения заряда.

Разработка электрической принципиальной схемы, расчет и выбор ее элементов

По заданию питание системы осуществляется от источника постоянного напряжения +12 В. Известно, что для разного типа аккумуляторов уровень напряжения на клеммах при 100% заряде находится в диапазоне от 12,6 В до 14,5 В. Разрабатываемая система должна подходить для разных типов аккумуляторов, поэтому ее требуется сделать универсальной, т.е. подстраиваемой.

Согласно структурной схеме (рисунок 2.1) за уровень требуемого заряда аккумулятора отвечает источник опорного напряжения. Таким образом, требуется для начала разработать источник опорного напряжения с возможностью регулирования его выходного напряжения в диапазоне от 12 В до 15 В.

Для нормального функционирования операционного усилителя не требуется мощный источник опорного напряжения, поэтому за основу возьмем микросхему повышающего преобразователя MC34063 с максимальным током 1,5 А и максимальным рабочим напряжением 40 В. Пример схемы повышающего преобразователя на MC34063 представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Повышающий преобразователь напряжения

Для расчета требуются начальные данные. Зададимся выходным током преобразователя I­ = 250мА. Максимальное выходное напряжение U_out = 15 В. Частота преобразования f = 50 кГц. Пульсации напряжения на выходе
U_rip = 5 мВ. Минимальное входное напряжение U_in = 10 В. Кроме того, согласно документации на MC34063 для расчета потребуются параметры самой микросхемы, а именно: напряжение насыщения внутреннего транзистора
U_sat = 0.8 В и падение напряжения на внутреннем транзисторе в открытом состоянии U_F = 0.8 В.

Определим отношение времени открытого состояния транзистора к времени закрытого состояния t_on/t_off по формуле (2.1):

, (2.1)

где, t_on – временя открытого состояния транзистора;

t_off – временя закрытого состояния транзистора;

U_O – максимальное выходное напряжение;

U_F – падение напряжения на внутреннем транзисторе;

U_sat – напряжение насыщения внутреннего транзистора;

U_imin – минимальное входное напряжение.

Время цикла LC-цепи эквивалентно сумме t_on+t_off и равно:

, (2.2)

где f_min – минимальная частота коммутации.

На основе полученных данных проведем расчет времени открытого состояния внутреннего транзистора t_off по формуле (2.3):

(2.3)

Тогда время открытого t_on состояния транзистора равно:

(2.4)

Рассчитаем частотно-задающую C_T емкость.

(2.5)

Выбираем керамический ЧИП конденсатор 330пФ NPO 50В 5% 0805 GRM2165C1H331J. Пиковый ток преобразователя рассчитывается по формуле (2.6):

, (2.6)

где, I_pk – пиковый ток преобразователя;

I_out – выходной ток преобразователя;

Номинальное сопротивление шунта R_SC рассчитывается по формуле (2.7):

(2.7)

Выбираем чип резистор 0.125Вт 0805 1.1 Ом 5% в количестве 3 штук, установленных параллельно. Таким образом эквивалентное сопротивление будет равно 0,366 Ом.

Минимальная индуктивность дросселя рассчитывается по формуле (2.8):

, (2.8)

Выбираем SMD дроссель B82464G4104M, с параметрами 100 мкГн, 1A.

Выходная емкость C_out для заданного значения пульсаций рассчитывается по формуле (2.9):

, (2.9)

где Urip – пульсации выходного напряжения.

Выбираем электролитический конденсатор TKR332M1EK26 с параметрами 3300 мкФ, 25 В.

Напряжение обратной связи 1,25 В и входное напряжение 10 В обеспечиваются делителями напряжения (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Делитель напряжения на резисторах

Для такого делителя должно выполняться соотношение по формуле (2.10):

, (2.10)

где, Uout – выходное напряжение делителя;

Uin – входное напряжение делителя;

R1 – резистор делителя, обеспечивающий падение не используемого напряжения;

R2 – резистор делителя, который обеспечивает требуемое падение напряжения.

Рассчитаем делитель обратной связи микросхемы MC34063. Его выходное напряжение должно быть равно 1,25 В при выходном напряжении преобразователя 12 В. Пусть сопротивление резистора R1 = 12 кОм, тогда сопротивление резистора R2 = 1,39 кОм. Выбираем чип резистор типоразмера 0805 с номиналом 12 кОм и прецизионный переменный резистор 3590S-2-202L с диапазоном изменения сопротивления от 0 до 2 кОм.

Параметры входного делителя: напряжение питания 12 В, напряжение на выходе 10 В, при R1 = 1кОм R2 = 5 кОм. Выбираем соответственно чип резисторы 0805 1 кОм и 5,1 кОм.

В качестве устройства сравнения обычно выступает компоратор. В данном случае можно использовать микросхему LM358DR в состав которой входят два операционных усилителя. Работает LM358DR на частотах до 1,1 МГц при питании от 3 В до 30 В.

Полученный «кусок» схемы представлен на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Компаратор с источником опорного напряжения

В качестве устройства размыкающего цепь заряда выберем электромагнитное реле RT334012 (рисунок 2.5) в корпусе SO163-BE, имеющее обмотку 12 В постоянного тока и две группы контактов (1 нормально замкнутый, 2 нормально разомкнутый) 6 А 250 В. На рисунке 2.6 приведена часть схемы, на которой показаны элементы, участвующие в процессе размыкания цепи заряда аккумулятора.

Рисунок 2.5 – Электромагнитное реле RT334012

Рисунок 2.6 – Схема размыкания цепи заряда АКБ

На рисунке 2.6 видно, что напряжение +12 В на обмотку реле К1.1 будет подаваться в том случае, когда транзистор VT1 откроется, т.е. ток начнет протекать через его коллектор-эмиттерный переход. Из документации известно, что сопротивление обмотки реле равно 360 Ом. Чтобы транзистор работал в ключевом режиме, необходимо соблюдение следующего условия (2.11):

, (2.11)

где, β – коэффициент усиления по току биполярного транзистора;

I_К – ток коллектора;

I_Б – ток базы.

Ток коллектора рассчитывается по формуле (2.12):

I_K = U/R = 12/360 = 33 мА, (2.12)

где, U – напряжение на коллекторе;

R – резистор, ограничивающий ток коллектора.

В качестве транзистора возьмем SMD n-p-n транзистор BC847A с параметрами 45 В, 200 мА и β = 180.

Тогда его базовый ток будет рассчитан по формуле (2.13):

(2.13)

Отсюда сопротивление базового резистора R₆ равно:

, (2.14)

где, U – напряжение подаваемое на базу транзистора;

U_БЭ – падение напряжения на базо-эмиттерном переходе;

Светодиод VD3 горит во время заряда аккумулятора. Величина тока, протекающего через него задается сопротивлением резистора R11. Выберем светодиод зеленого цвета L-53SGD-12V с параметрами 12 В, 30 мА. Сопротивление резистора R11 рассчитывается по формуле (2.15):

R₁₁ = U/I_VD = 12/0.03 = 400 Ом, (2.15)

Где, U – напряжение питания светодиода;

I_VD – рабочий ток светодиода.

Выберем чип резистор 0805 430 Ом.

В качестве разъемов XT выберем винтовые клеммники DG950-02 (EK950V-02P) с рабочим напряжением 300 В и током 30 А. Разъемы XP – вилка на плату PWL-2.