Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током

Изобретение относится к электротехнике, для ускоренного заряда аккумуляторных батарей (АБ) на основе заряд-разрядных ШИМ-преобразователей. Сущность: при подключении АБ к устройству автоматически определяется тип батареи и выбирается алгоритм заряда, соответствующий типу АБ. Устройство содержит схему управления по заданному алгоритму и схему управления силовой частью. Блок управления в виде однокристального микропроцессора (ОМП) формирует сигналы в соответствии с алгоритмом заряда для управления высокочастотными ШИМ-преобразователями. Сигнал с датчика тока подается в ОМП, который задает и поддерживает необходимый уровень зарядного и разрядного тока в соответствии с алгоритмом заряда. Сигнал с датчика напряжения АБ подается в ОМП для контроля процесса заряда и определения критериев окончания заряда. Техническим результатом является использование одних и тех же элементов в цепи зарядного и разрядного токов, уменьшение количества элементов силовой схемы, сокращение объема силовой части, повышение к.п.д. устройства и расширение функциональных возможностей устройства. Устройство предназначено для ускоренного заряда NiCd, NiMH вентилируемых, полугерметичных и герметичных АБ и Li-Ion АБ с номинальным напряжением, превышающим, равным или меньшим, чем напряжение питания устройства. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для ускоренного заряда аккумуляторных батарей (АБ) на основе преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Известно устройство [Патент Российской Федерации №2134476, Н 02 J 7/10, 1999] для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащее схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, представляющий собой однокристальный микропроцессор (ОМП), блок индикации, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок синхронизации, состоящий из блоков рабочей и начальной синхронизации, входы которых объединены, а выходы подключены к блоку управления, блок питания, соединенный выходом с входом блока синхронизации, а входом с выходом блока задания режима заряда, блок датчика напряжения, вход которого соединен с клеммами для подключения аккумуляторной батареи, а выход подключен к входу блока управления, и схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, блоки зарядных и разрядных конденсаторов, два встречно-параллельно включенных блока управляемых выпрямителей, блоки усилителей, выходы которых подключены к соответствующим входам блоков управляемых выпрямителей, а входы - к соответствующим выходам блока управления. Блок управления формирует сигналы в соответствии с алгоритмом заряда и синхронизацией от сети для управления встречно-параллельно включенными управляемыми выпрямителями. В качестве нагрузки к выпрямителям подключается аккумуляторная батарея. Одни обкладки токоограничивающих конденсаторов подключены к питающей сети, другие - к управляемым выпрямителям. Ограничение тока в зарядный и разрядный периоды работы позволяет управлять выпрямителями без фазового управления.

Недостатками известного устройства является фиксированный режим заряда, который соответствует определенным типам АБ, и сложность его изменения, что ограничивает функциональные возможности устройства.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство [Патент Российской Федерации № 2216087, Н 02 J 7/10, 2003] для автоматического ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащим схему управления силовой частью, включающую два блока фильтров, два блока усилителей, блок регулируемого источника зарядного тока, блок регулируемого источника разрядного тока, два диода, блок подключения АБ, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок питания, блок датчика тока, блок датчика напряжения, блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП), блок звуковой сигнализации, блок индикации и блок ШИМ.

К недостаткам данного устройства можно отнести большое количество индуктивных элементов, необходимых для реализации технического решения, слабое использование конструктивных решений современных силовых приборов, а следовательно, и большой объем силовой части, а также невозможность ускоренного заряда АБ с номинальным напряжением, составляющим более 75% от питающего напряжения, что ограничивает область применения данного устройства.

Задачей изобретения является построение силовой схемы, позволяющей использовать одни и те же элементы в цепи зарядного и разрядного токов, уменьшение количества элементов силовой схемы, сокращения объема силовой части и повышение к.п.д. устройства, а также создание устройства, позволяющего ускоренно заряжать асимметричным током в автоматическом режиме аккумуляторные батареи с номинальным напряжением ниже питающего напряжения, превышающим питающее напряжение, либо с изменяющимся питающим напряжением в процессе заряда.

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство для автоматического ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащим схему управления силовой частью, блок фильтров, блок подключения аккумуляторных батарей, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок питания, блок датчика тока, блок датчика напряжения, блок АЦП, блок звуковой сигнализации, блок индикации и блок ШИМ, введены блок усилителя, вход которого соединен с выходом блока ШИМ схемы управления по заданному алгоритму, дополнительный блок регулируемого источника зарядного тока, один вход которого соединен с выходом введенного блока усилителя, на другой вход подключено питающее напряжение, а выход дополнительного блока регулируемого источника зарядного тока соединен со входом блока фильтров, блок симметричных заряд-разрядных ключей, с одной стороны соединенный с выходом блока фильтров, а с другой стороны с введенным дополнительно блоком фильтров, вход блока симметричных заряд-разрядных ключей соединен с выходом введенного дополнительного блока усилителей, вход которого соединен с блоком ШИМ схемы управления по заданному алгоритму, другой вывод введенного дополнительно блока фильтров соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей.

Подключение введенного дополнительно блока фильтров к введенному блоку симметричных заряд-разрядных ключей, которые образуют понижающий и повышающий ШИМ-преобразователи, позволяет использовать индуктивный элемент фильтра и для создания зарядного, и для создания разрядного тока, создание ШИМ-преобразователя на симметричных ключевых элементах позволяет управлять ключами с использованием алгоритма синхронного выпрямления как для создания зарядного, так и для создания разрядного токов, данное схемотехническое решение дает возможность сократить количество дискретных элементов в силовой части и повысить к.п.д. устройства. Использование введенного регулируемого источника зарядного тока, который представляет собой повышающий ШИМ-преобразователь, управляемый через блок усилителя однокристальным микропроцессором, позволяет поддерживать необходимую величину зарядного тока независимо от изменения входного напряжения.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство включает схему управления по заданному алгоритму (СУЗА) 1 и схему управления силовой частью (СУСЧ) 2. Блок 3, который представляет собой однокристальный микропроцессор, состоящий из блока 4 управления, блока 5 задания алгоритма заряда, блока 6 ШИМ, блока 7 АЦП, блока 8 задания режима заряда, соединен с блоком 9 индикации, блоком 10 звуковой сигнализации, блоком 11 подключения аккумуляторных батарей, блоком 12 датчика тока и блоком 13 датчика напряжения. Входы блоков 12 и 13 датчика тока и датчика напряжения соответственно соединены с соответствующими выходами блока 11 подключения аккумуляторных батарей, входы которого соединены с блоком 14 аккумуляторных батарей, выходы блоков 12 и 13 соединены со входами блока 7 АЦП, выходы блока 6 ШИМ соединены с соответствующими входами блока 15 усилителя и введенного блока 16 усилителей, выходы которых соединены с входами введенного блока 17 регулируемого источника зарядного тока и введенного блока 18 симметричных заряд-разрядных ключей соответственно. Питающее напряжение подается на вход блока 19 питания и вход введенного блока 17 регулируемого источника зарядного тока, выход которого соединен с входом блока 20 фильтров, выход блока 20 фильтров соединен с одним выводом блока 18 симметричных заряд-разрядных ключей, другой вывод которого соединен с выводом введенного дополнительно блока 21 фильтра, другой вывод которого соединен с блоком 11 подключения аккумуляторных батарей.

Устройство работает следующим образом. Питающее напряжение поступает на блок 19 питания, который вырабатывает постоянные стабилизированные напряжения для питания блока 3 однокристального микропроцессора, блока 9 индикации, блока 10 звуковой сигнализации, блока 8 задания режима заряда, блока 12 датчика тока, блока 13 датчика напряжения, блока 15 усилителя и введенного блока 16 усилителей. При включении устройства сигналы с выхода блока 3 однокристального микропроцессора запирают блок 16 усилителей и блок 15 усилителя, что препятствует открытию силовых элементов схемы управления силовой частью 2, блок 3 однокристального микропроцессора инициирует записанную в блоке 5 задания алгоритма заряда программу, которая устанавливает выходные сигналы портов ввода-вывода в начальное состояние, контролирует входные сигналы портов ввода-вывода и АЦП. При нормальном завершении опроса на блок 10 звуковой сигнализации выдается сигнал длительностью 500 мс с частотой 2 КГц. При возникновении запрещенной комбинации на входах ОМП 3 выдает сигнал аварии на блок 10 звуковой сигнализации частотой 1 КГц длительностью 230 мс и паузой 20 мс, и на блок 9 индикации сигнал частотой 4 Гц и скважностью 0,1. После предварительной обработки и установки соответствующих сигналов блок 3 однокристального микропроцессора переходит в режим ожидания, периодически опрашивая выходы блока 8 задания режима заряда и блока 13 датчика напряжения. При подключении аккумуляторной батареи к блоку 11 подключения аккумуляторных батарей коммутируется переключатель, соответствующий типу подключаемой батареи, сигнал с которого поступает в блок 8 задания режима заряда и с его выхода - на блок 4 управления. Напряжение батареи поступает на вход блока 13 датчика напряжения и с его выхода - на блок 7 АЦП. Блок управления 4 анализирует полученные сигналы и выбирает из блока 5 задания алгоритма заряда алгоритм заряда, соответствующий типу батареи. Блок 4 управления выдает сигналы управления зарядом на блок 6 ШИМ и на блок 9 индикации сигнал постоянного свечения. Сигналы с блока 6 ШИМ, поступающие на блок 15 усилителя и блок 16 усилителей и далее на введенный блок 17 регулируемого источника зарядного тока и блок 18 симметричных заряд-разрядных ключей соответственно, устанавливают и поддерживают амплитуды и длительности зарядных и разрядных импульсов согласно выбранному алгоритму заряда. Введение дополнительного блока регулируемого источника зарядного тока позволяет поддерживать необходимую амплитуду зарядного импульса при повышении уровня напряжения аккумуляторной батареи в процессе заряда, либо снижении уровня входного напряжения. Амплитуды зарядного и разрядного токов контролируются с помощью сигнала с блока 12 датчика тока, поступающего на блок 7 АЦП. В ходе заряда в соответствии с алгоритмом контролируется напряжение аккумуляторной батареи. По окончании процесса заряда блок 4 управления прекращает подачу сигналов управления на блок 6 ШИМ, на выходах которого устанавливаются уровни, запирающие введенный блок 17 регулируемого источника зарядного тока и блок 18 симметричных заряд-разрядных ключей, батарея отключается от зарядных и разрядных цепей, блок 4 управления подает сигналы о нормальном завершении процесса заряда в блок 9 индикации с частотой 2 Гц и скважностью 0,5 и блок 10 звуковой сигнализации с частотой 1 КГц длительностью 250 мс и паузой 250 мс. В ходе заряда контролируются параметры тока на соответствие выбранному режиму заряда. При несоответствии токов параметрам режима заряд прекращается и включаются аварийные звуковая сигнализация и индикация, что говорит о неисправности батареи.

Цепь заряда состоит из введенного дополнительно блока 17 регулируемого источника зарядного тока, управляемого через введенный блок 15 усилителя от блока 3 однокристального микропроцессора, служащего для повышения входного напряжения, если это необходимо для поддержания уровня зарядного тока в соответствии с режимом заряда, блока 20 фильтров, осуществляющего защиту питающего напряжения от низкочастотной и высокочастотной помехи, возникающей при коммутациях в блоке 18 симметричных заряд-разрядных ключей, а также функцию накопления заряда на емкости при протекании разрядного импульса тока, блока 18 симметричных заряд-разрядных ключей, управляемого через введенный блок 16 усилителей от блока 3 однокристального микропроцессора, служащего для поддержания уровня зарядного тока в соответствии с режимом заряда при достаточной величине входного напряжения, введенного дополнительно блока 21 фильтров, дроссель которого является индуктивным элементом понижающего ШИМ-преобразователя регулируемого источника зарядного тока, блока 11 подключения аккумуляторных батарей.

Цепь разряда состоит из блока 11 подключения аккумуляторных батарей, введенного дополнительно блока 21 фильтров, дроссель которого является индуктивным элементом повышающего ШИМ-преобразователя регулируемого источника разрядного тока, блока 18 симметричных заряд-разрядных ключей, управляемого через введенный блок 16 усилителей от блока 3 однокристального микропроцессора, которым задается и поддерживается необходимый уровень разрядного тока, энергия импульса разрядного тока преобразуется в заряд конденсатора блока 20 фильтров и используется для создания зарядного тока. Такое построение силовой части позволяет с минимальными потерями возвращать энергию разрядного импульса в аккумуляторную батарею.

Введение в СУСЧ 2 блока 17 регулируемого источника зарядного тока и блока 15 усилителя позволило вести заряд аккумуляторных батарей с напряжением, превышающим питающее напряжение, и, таким образом, расширить функциональные возможности устройства. Введение в СУСЧ 2 блока 18 симметричных заряд-разрядных ключей и блока 16 усилителей позволяет управлять ключами с использованием алгоритма синхронного выпрямления как для создания зарядного, так и для создания разрядного токов, данное схемотехническое решение позволяет повысить к.п.д. устройства и создавать ШИМ-преобразователи с минимальным количеством дискретных элементов, а также использовать модули из двух ключей, что делает силовую часть еще более компактной. Введение блока 21 фильтров дает возможность использовать индуктивный элемент фильтра для создания и зарядного, и разрядного токов.

Устройство для автоматического ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащее схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, блок подключения аккумуляторных батарей и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок питания, блок датчика тока, блок датчика напряжения, блок АЦП, блок звуковой сигнализации, блок индикации и блок ШИМ, отличающееся тем, что в схему управления силовой частью введены блок усилителя, вход которого соединен с выходом блока ШИМ схемы управления по заданному алгоритму, дополнительный блок регулируемого источника зарядного тока, один вход которого соединен с выходом введенного блока усилителя, на другой вход подключено питающее напряжение, а выход дополнительного блока регулируемого источника зарядного тока соединен со входом блока фильтров, блок симметричных заряд-разрядных ключей, с одной стороны соединенный с выходом блока фильтров, а с другой стороны с введенным дополнительно блоком фильтров, вход блока симметричных заряд-разрядных ключей соединен с выходом введенного дополнительного блока усилителей, вход которого соединен с блоком ШИМ схемы управления по заданному алгоритму, другой вывод введенного дополнительно блока фильтров соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей.