Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током

Использование: в электротехнике, для ускоренного заряда аккумуляторных батарей на основе заряд-разрядных выпрямительно-инверторных преобразователей. Устройство содержит схему управления по заданному алгоритму и схему управления силовой частью. Блок управления в виде однокристального микропроцессора формирует сигналы в соответствии с алгоритмом заряда и синхронизацией от сети для управления симметричным управляемым выпрямителем, симметричным ключом и емкостью разрядных конденсаторов. В качестве нагрузки к выпрямителю подключается аккумуляторная батарея. Одни обкладки токоограничивающих конденсаторов подключены к питающей сети. Вторая обкладка зарядного конденсатора подключена к симметричному управляемому выпрямителю, а вторая обкладка разрядного конденсатора подключена к симметричному ключу, другой конец которого подключен ко второй обкладке зарядного конденсатора и симметричному управляемому выпрямителю. Ограничение тока в зарядный и разрядный периоды работы позволяет управлять выпрямителем без фазового управления. Техническим результатом является возможность регулирования соотношения амплитуд зарядного и разрядного импульсов. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для ускоренного заряда аккумуляторных батарей на основе заряд-разрядных выпрямительно-инверторных преобразователей.

Известно устройство [Патент РФ 2134476, Н 02 J 7/10] для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащее схему управления по заданному алгоритму, включающую: блок управления, представляющий собой однокристальный микропроцессор, блок индикации, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок датчика напряжения, выход которого подключен к входу блока управления, 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, соединенный с клеммами для подключения аккумуляторной батареи, 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. Однако данное устройство не позволяет регулировать соотношение амплитуд зарядного и разрядного импульсов, и, следовательно, согласно исследованиям [Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. - Т.35. - №7. - С.759-765; Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия. - 1997. - Т.33. №5. - C.605-606] с помощью данного устройства нельзя добиться оптимального режима заряда для конкретных типов аккумуляторных батарей.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током [Патент РФ 2219638, кл. 7 Н 02 J 7/10, Н 01 М 10/44]. Данное устройство содержит 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, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, блок индикации, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок синхронизации, блок питания, соединенный выходом с входом блока синхронизации, блок датчика напряжения, входы которого соединены с клеммами для подключения аккумуляторных батарей, а выход соединен с блоком управления, выходы блока управления подключены к соответствующим входам блоков усилителей схемы управления силовой части, введены блок усилителей, вход которого соединен с выходом блока управления, и блок симметричного ключа, вход которого соединен с выходом блока усилителей, один конец симметричного ключа соединен с блоком разрядных конденсаторов, а другой - с блоком зарядных конденсаторов и соединенными вместе входами по переменному току блоками управляемых выпрямителей.

Во время разрядного периода симметричный ключ замкнут и ток разряда ограничивается суммарной емкостью зарядного и разрядного конденсаторов, что позволяет сделать емкость разрядного конденсатора меньше на величину емкости зарядного конденсатора, а, следовательно, уменьшить вес и габариты установки. Однако и данное устройство не позволяет регулировать соотношение амплитуд зарядного и разрядного импульсов, и, следовательно, не позволяет добиваться оптимального режима заряда для конкретных типов аккумуляторных батарей.

Целью изобретения является создание устройства, позволяющего заряжать аккумуляторные батареи разных типов в оптимальном режиме согласно критериям, изложенным в теоретических исследованиях [Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. - Т.35. - №7. - C.759-765; Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода// Электрохимия. - 1997. - Т.33. №5. - C.605-606].

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащим 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, блок усилителей, вход которого соединен с выходом блока управления, и блок симметричного ключа, вход которого соединен с выходом блока усилителей, один конец симметричного ключа соединен с блоком разрядных конденсаторов, а другой - с блоком зарядных конденсаторов и соединенными вместе входами по переменному току блоками управляемых выпрямителей; и схема управления по заданному алгоритму включает блок управления, блок индикации, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок синхронизации, блок питания, соединенный выходом с входом блока синхронизации, блок датчика напряжения, входы которого соединены с клеммами для подключения аккумуляторных батарей, а выход соединен с блоком управления, выходы блока управления подключены к соответствующим входам блоков усилителей схемы управления силовой части, введены блок усилителей, вход которого соединен с выходом блока управления, и блок управления емкостями разрядных конденсаторов, выход которого соединен с блоком разрядных конденсаторов, а вход с блоком усилителей.

Введенные дополнения позволяют изменять соотношения амплитуд зарядного и разрядного импульсов, и, следовательно, позволяют добиваться оптимального режима заряда для конкретных типов аккумуляторных батарей.

Согласно исследованиям [Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия - 1989 - Т.35. - №7. - C.759-765; Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия. - 1997. - Т.33. - №5. - C.605-606] оптимальным режимом заряда является заряд, при котором количество прошедшего электричества распределяется равномерно по глубине пористого электрода. Это позволяет наиболее полно использовать активную массу электрода по всей ее глубине и, следовательно, повысить отдаваемую емкость аккумуляторной батареи. Использование переменного асимметричного тока при заряде аккумуляторной батареи позволяет получить любое распределение количества прошедшего электричества по глубине пористого электрода в том числе и равномерное. Кроме того, равномерное распределение количества прошедшего электричества по глубине пористого электрода приводит к равномерной поляризации всех участков электрода, что в свою очередь приводит к началу газовыделения одновременно для всех участков по глубине электрода. Если прекратить процесс заряда до этого момента, то можно в принципе исключить газовыделение при заряде аккумуляторных батарей.

Для получения отмеченного оптимального режима заряда необходимо выполнить следующие критерии:

- амплитуда разрядного импульса должна быть больше амплитуды зарядного импульса;

- соотношение амплитуд зарядного и разрядного импульсов и соотношения длительностей зарядного и разрядного импульсов должны выбираться индивидуально для каждого типа аккумуляторных батарей, так как оно зависит от внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей, как омического, так и поляризационного, толщины электродов, пористости электродов и т.д.

Предлагаемое устройство позволяет удовлетворить данным критериям.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство включает систему управления по заданному алгоритму (СУЗА) 1 и систему управления силовой частью (СУСЧ) 2. Блок 3 управления, который представляет собой однокристальный микропроцессор, соединен с блоком 4 синхронизации, состоящим из блока 5 начальной синхронизации и блока 6 рабочей синхронизации, блоком 7 индикации, блоком 8 задания режима заряда, блоком 9 задания алгоритма заряда, который физически может быть выполнен как одно целое с блоком 3 управления, блоком 10 датчика напряжения, блоками 11, 12, 13 и 22 усилителей. Блок 14 питания соединен с клеммами сетевого напряжения, вход подключен к выходу блока 8 задания режима заряда, а выход - к блоку 4 синхронизации. Выходы блоков 11, 12, 13 и 22 усилителей соединены с блоками 15, 16 управляемых выпрямителей, блоком 17 симметричного ключа и блоком 23 управления емкостями разрядных конденсаторов соответственно. Положительный вывод блока 15 управляемого выпрямителя и отрицательный вывод блока 16 управляемого выпрямителя объединены и имеют клемму для подключения положительного вывода аккумуляторной батареи 18. Отрицательный вывод блока 15 управляемого выпрямителя и положительный вывод блока 16 управляемого выпрямителя объединены и имеют клемму для подключения отрицательного вывода аккумуляторной батареи 18. Выводы батареи 18 соединены с блоком 10 датчика напряжения. Выводы для подачи переменного напряжения блоков 15 и 16 управляемых выпрямителей объединены попарно. Одна пара соединена с блоком 19 зарядных конденсаторов и блоком 17 симметричного ключа, другой конец которого соединен с блоком 20 разрядных конденсаторов. Вторая пара выводов подключена к выходу блока 21 фильтров. Входы блоков 19 и 20 зарядных и разрядных конденсаторов соответственно объединены и подключены к другому выходу блока 21 фильтров, входы которого имеют выводы для подключения к питающей сети.

Устройство работает следующим образом. Сигнал включения блока 14 питания поступает из блока 8 задания режима заряда. Блок 14 питания вырабатывает стабилизированное напряжение для питания блока 3 управления, блока 7 индикации, блока 9 задания алгоритма заряда, блока 10 датчика напряжения, блока 5 начальной синхронизации и блока 6 рабочей синхронизации. Выпрямленное и сглаженное напряжение для питания блоков 11, 12, 13 и 22 усилителей подается с задержкой на время переходных процессов в блоке 3 управления для предотвращения случайного открытия силовых элементов в блоках 15, 16, 17 и 23 управляемых выпрямителей, симметричного ключа и управления изменением емкостей разрядных конденсаторов соответственно. Переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора блока 14 питания поступает на блок 5 начальной синхронизации и блок 6 рабочей синхронизации. Выходом блока 5 начальной синхронизации является сигнал прямоугольной формы длительностью 10 мс частотой 50 Гц. Передний фронт импульса соответствует переходу синусоиды питающего напряжения из минуса в плюс. Сигнал синхронизации поступает в блок 3 управления для согласования управляющих импульсов с частотой и полярностью питающей сети и служит для первоначального заряда конденсаторов в блоках 19 и 20 зарядных и разрядных конденсаторов соответственно. Выходом блока 6 рабочей синхронизации является сигнал прямоугольной формы длительностью 10 мс частотой 50 Гц. Передний фронт импульса соответствует переходу синусоиды питающего напряжения через максимальное значение. Сигнал рабочей синхронизации поступает в блок 3 управления для согласования управляющих импульсов блоков 15 и 16 управляемых выпрямителей и блока 17 симметричного ключа с частотой и полярностью питающей сети в ходе выполнения алгоритма заряда. Блок 3 управления запускается по сигналу из блока 8 задания режима заряда и выполняет алгоритм заряда, записанный в блоке 9 задания алгоритма заряда. Блок 23 управления емкостями разрядных конденсаторов запускается по сигналу из блока 3 управления, через блок усилителей 22 в соответствии с заданным режимом заряда из блока 8. В соответствии с выбранным режимом блок управления 23 ступенчато включает дополнительные емкости в блоке разрядных конденсаторов 20, что позволяет установить оптимальные соотношения амплитуд зарядных и разрядных импульсов для различных типов аккумуляторных батарей. На блок 7 индикации поступают сигналы о работе зарядного устройства с блока 3 управления. Сигнал с блока 10 датчика напряжения поступает в блок 3 управления и обрабатывается в соответствии с алгоритмом заряда. Сигналы на блоки 15 и 16 зарядный и разрядный управляемые выпрямители и блок 17 симметричного ключа поступают из блока 3 управления на входы блоков усилителей 11, 12 и 13 соответственно, которые усиливают сигналы управления и выполняют гальваническую развязку цепей управления от силовых цепей. Блок 21 фильтров служит для подавления высокочастотных помех сети и представляет собой индуктивно-емкостной Т-образный фильтр. Блок 19 зарядных конденсаторов ограничивает ток заряда аккумуляторной батареи 18, а в разрядные периоды включается симметричный ключ блока 17, и ток ограничивается суммарной емкостью разрядных конденсаторов блока 20 и зарядных конденсаторов блока 19. Управляемые выпрямители блоков 15 и 16 включены встречно-параллельно, а в качестве нагрузки включена аккумуляторная батарея 18. Соотношение амплитуд зарядного и разрядного импульсов обеспечивается величиной емкости блока 19 зарядных конденсаторов и величиной суммарной емкости блока 20 разрядных конденсаторов и блока 19 зарядных конденсаторов. Количество зарядных и разрядных импульсов определяется в соответствии с алгоритмом заряда.

Возможность ступенчато, с некоторым шагом изменять емкость в блоке разрядных конденсаторов 20 позволяет установить оптимальные соотношения амплитуд зарядных и разрядных импульсов для различных типов аккумуляторных батарей и тем самым вести оптимально заряд в соответствии с отмеченными выше критериями.

Таким образом, использование заявленного изобретения позволяет вести заряд равномерно по глубине пористого электрода, что в свою очередь позволяет повысить отдаваемую емкость на 8-12%, устранить полностью газовыделение при заряде и тем самым увеличить срок службы аккумуляторной батареи, а также вести заряд в ускоренном режиме (от 10 мин до 4 ч).

Источники информации

1. Патент Российской Федерации 2134476, Н 02 J 7/10.

2. Кукоз Ф.И, Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. - Т.35. - №7 - C.759-765.

3. Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия. - 1997. - Т.33. - №5. - C.605-606.

4. Патент Российской Федерации 2219638, 7 Н 02 J 7/10, Н 01 М 10/44.

Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащее схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком синхронизации, блоком индикации, блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда, блоком датчика напряжения, при этом блок задания режима заряда соединен с блоком питания, который соединен с блоком синхронизации, состоящим из блоков рабочей и начальной синхронизации, блок датчика напряжения соединен с аккумуляторной батареей, и схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, соединенный с блоками зарядных и разрядных конденсаторов и с двумя встречно-параллельно включенными блоками управляемых выпрямителей, два блока усилителей, входы которых подключены к соответствующим выходам блока управления, а выходы к соответствующим входам блоков управляемых выпрямителей, которые также подключены к аккумуляторной батарее, а также блок усилителей, вход которого соединен с выходом блока управления, а выход с блоком симметричного ключа, один вывод симметричного ключа соединен с блоком разрядных конденсаторов, а другой - с блоком зарядных конденсаторов и соединенными вместе входами блоков управляемых выпрямителей, положительный вывод блока управляемого выпрямителя и отрицательный вывод другого блока управляемого выпрямителя объединены и имеют клемму для подключения положительного вывода аккумуляторной батареи, отрицательный вывод блока управляемого выпрямителя и положительный вывод другого блока управляемого выпрямителя объединены и имеют клемму для подключения отрицательного вывода аккумуляторной батареи, отличающееся тем, что в схему управления силовой части введен блок управления емкостями разрядных конденсаторов, вход которого соединен с блоком управления через блок усилителей, а выход с блоком разрядных конденсаторов.