Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током

Использование: в электротехнике, для ускоренного заряда аккумуляторных батарей (АБ) асимметричным током и для заряда постоянным током на основе заряд-разрядных ШИМ-преобразователей, может быть использовано для заряда герметичных АБ. Сущность: при подключении АБ к устройству автоматически определяется тип батареи и выбирается алгоритм и способ 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. В качестве нагрузки к зарядному ШИМ-преобразователю подключается аккумуляторная батарея, она же является источником питания разрядного ШИМ-преобразователя. 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 расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности ведения стандартного заряда АБ постоянным током с предварительным доразрядом. Устройство предназначено для заряда NiCd и NiMH 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 №2216087, Н02J 7/10, 2003] для автоматического ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащее схему управления силовой частью, включающую диод, соединенный анодом с положительным выводом питающего напряжения, блок фильтров, соединенный с катодом диода и с отрицательным выводом питающего напряжения, блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с блоком фильтров, второй диод, анод которого соединен с блоком регулируемого источника зарядного тока, второй блок фильтров, соединенный с катодом второго диода, блок регулируемого источника разрядного тока, соединенный с вторым блоком фильтров и с точкой соединения блока фильтров и катода диода, блок усилителей, соединенный с блоком регулируемого источника зарядного тока, второй блок усилителей, соединенный с блоком регулируемого источника разрядного тока, блок подключения аккумуляторных батарей, соединенный с блоком аккумуляторной батареи и с точкой соединения катода второго диода и второго блока фильтров, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда, блоком индикации, блоком звуковой сигнализации, блоком ШИМ, блоком аналого-цифрового преобразования (АЦП), блок задания режима заряда соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей, блок ШИМ соединен с обоими блоками усилителей схемы управления силовой частью, блок датчика тока, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и блоком АЦП, блок датчика напряжения, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и блоком АЦП, блок питания, соединенный с положительным и отрицательным выводами питающего напряжения.

Недостатком данного устройства является ограниченная область применения вследствие невозможности проведения ускоренного заряда АБ с номинальным напряжением, составляющим более 75% от питающего напряжения, а также разряда АБ.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство [Патент Российской Федерации №2267200, Н02J 7/10, 2005] для автоматизированного ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащим схему управления силовой частью, включающую блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с выводами питающего напряжения, блок фильтров, соединенный с блоком регулируемого источника зарядного тока, второй блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с блоком фильтров, блок регулируемого источника разрядного тока, соединенный с вторым блоком регулируемого источника зарядного тока и с точкой соединения блока фильтров и второго блока регулируемого источника зарядного тока, три блока усилителей, попарно соединенных с обоими блоками регулируемых источников зарядного тока и блоком регулируемого источника разрядного тока, блок подключения аккумуляторных батарей, соединенный с блоком аккумуляторной батареи, второй блок фильтров, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и с точкой соединения второго блока регулируемого источника зарядного тока и блока регулируемого источника разрядного тока, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда, блоком индикации, блоком звуковой сигнализации, блоком ШИМ, блоком АЦП, блок задания режима заряда соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей, блок ШИМ соединен с тремя блоками усилителей схемы управления силовой частью, блок датчика тока, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и блоком АЦП, блок датчика напряжения, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и блоком АЦП, блок питания, соединенный с выводами питающего напряжения, при этом блок управления, блок ШИМ, блок АЦП, блок задания режима заряда и блок задания алгоритма заряда входят в состав блока однокристального микропроцессора (ОМП).

В данном устройстве при формировании разрядного импульса асимметричного тока используется метод рекуперации энергии в емкостной элемент блока фильтров, которая затем расходуется на формирование зарядного импульса. Недостатком устройства является невозможность вести продолжительный разряд АБ, т.к. при этом энергия разряда не расходуется на формирование зарядного импульса, а накапливается на емкостном элементе блока фильтров, что приводит к выходу его из строя.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет способности вести разряд АБ, т.к. в некоторых областях применения кроме ускоренного заряда АБ требуется, чтобы зарядное устройство могло обеспечивать стандартный режим заряда (NiCd и NiMh АБ), перед которым батарея должна быть полностью разряжена.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство для автоматического ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащее схему управления силовой частью, включающую блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с выводами питающего напряжения, блок фильтров, соединенный с блоком регулируемого источника зарядного тока, второй блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с блоком фильтров, блок регулируемого источника разрядного тока, соединенный с вторым блоком регулируемого источника зарядного тока и с точкой соединения блока фильтров и второго блока регулируемого источника зарядного тока, три блока усилителей, соединенных с обоими блоками регулируемых источников зарядного тока и блоком регулируемого источника разрядного тока, блок подключения аккумуляторных батарей, соединенный с блоком аккумуляторной батареи, второй блок фильтров, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и с точкой соединения второго блока регулируемого источника зарядного тока и блока регулируемого источника разрядного тока, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда, блоком индикации, блоком звуковой сигнализации, блоком широтно-импульсной модуляции (ШИМ), блоком аналого-цифрового преобразования (АЦП), блок задания режима заряда соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей, блок ШИМ соединен с тремя блоками усилителей схемы управления силовой частью, блок датчика тока, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и блоком АЦП, блок датчика напряжения, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и блоком АЦП, блок питания, соединенный с выводами питающего напряжения, введены в схему управления силовой частью блок разряда конденсаторов, соединенный одним выводом с точкой соединения блока фильтров и второго блока регулируемого источника зарядного тока, другим выводом - с отрицательным выводом питающего напряжения, а в схему управления по заданному алгоритму - блок переключателя, соединенный с блоком управления. Введенный блок разряда конденсаторов состоит из ключевого элемента, подключающего нагрузочный резистор к отрицательному выводу питающего напряжения, что позволяет разряжать емкостной элемент блока фильтров и поддерживать его напряжение в рабочем диапазоне при разряде АБ. Внутренняя схема управления ключевого элемента включает/выключает его в зависимости от уровня напряжения на емкостном элементе блока фильтров, который поступает на пороговый элемент, имеющий гистерезисную характеристику срабатывания. Введенный блок переключателя служит для выбора способа заряда АБ: ускоренный заряд асимметричным током или стандартный заряд постоянным током. Введение в схему блока разряда конденсаторов позволяет вести продолжительный разряд АБ, поскольку рекуперируемая при этом в емкостной элемент блока фильтров энергия рассеивается на нагрузочном резисторе блока разряда конденсаторов, а введение блока переключателя позволяет выбирать между способом заряда постоянным током с предварительным доразрядом АБ и способом заряда асимметричным током без предварительного доразряда.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство включает систему управления по заданному алгоритму (СУЗА) 1 и систему управления силовой частью (СУСЧ) 2. Блок 3 ОМП состоит из блока 4 управления и соединенных с ним блока 5 задания алгоритма заряда, блока 6 ШИМ, блока 7 АЦП и блока 8 задания режима заряда. Блок 3 ОМП 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 АБ, входы которого 4 соединены с блоком 14 АБ. Выходы блока 6 ШИМ соединены с входами соответствующих блоков 15, 16 и 17 усилителей, выходы которых соединены со входами блоков 18 и 19 регулируемых источников зарядного тока и блока 20 разрядного тока соответственно. Питающее напряжение подается на блок 21 питания и на блок 19 регулируемого источника зарядного тока, выход которого соединен с входом блока 22 фильтров. Выход блока 22 фильтров соединен с входом блока 18 регулируемого источника зарядного тока, представляющего собой ШИМ-преобразователь понижающего типа, выход которого соединен со входом блока 23 фильтров и входом блока 19 регулируемого источника разрядного тока, представляющего собой ШИМ-преобразователь повышающего типа. Выход блока 23 фильтров соединен с блоком 11 подключения аккумуляторных батарей. Выход блока 20 регулируемого источника разрядного тока, представляющего собой ШИМ-преобразователь повышающего типа, соединен с выходом блока 22 фильтров и входом блока 18 регулируемого источника зарядного тока. Блок 24 разряда конденсаторов соединен одним выводом с точкой соединения блока 22 фильтров и блока 18 регулируемого источника зарядного тока, другим выводом - с отрицательным выводом питающего напряжения. Блок 25 переключателя соединен с блоком 4 управления.

Устройство работает следующим образом. Питающее напряжение поступает на блок 21 питания, который вырабатывает постоянные стабилизированные напряжения для питания блока 8 звуковой сигнализации, блока 9 индикации, блока 11 подключения аккумуляторных батарей, блока 12 датчика тока, блока 13 датчика напряжения, блоков 15, 16 и 17 усилителей и блока 3 однокристального микропроцессора (ОМП), состоящего из блока 4 управления, блока 5 задания алгоритма заряда, блока 6 ШИМ, блока 7 АЦП и блока 8 задания режима заряда. При включении устройства сигналы с выхода блока 3 ОМП запирают блоки усилителей во избежания открытия силовых элементов схемы управления силовой частью 2. Блок 3 ОМП 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 частотой 4 Гц и скважностью 0,1. После предварительной обработки и установки соответствующих сигналов ОМП 3 переходит в режим ожидания, периодически опрашивая выходы блока 8 задания режима заряда и блока 13 датчика напряжения. При подключении АБ к блоку 11 подключения батареи срабатывает переключатель, соответствующий данному типу батареи, сигнал с которого поступает в блок 8 задания режима заряда и с его выхода - на блок 3 ОМП. Напряжение батареи поступает на вход блока 13 датчика напряжения и с его выхода - на блок 7 АЦП. Блок 4 управления анализирует полученные сигналы и выбирает из блока 5 задания алгоритма заряда алгоритм, соответствующий заряду данного типа батареи. Способ заряда (постоянный или асимметричный ток) задается по сигналу, получаемому блоком 4 управления от блока 2 5 переключателя.

Если задан ускоренный заряд асимметричным током, блок 4 управления выдает сигналы управления зарядом на блок 6 ШИМ и сигнал постоянного свечения на блок 10 индикации. Сигналы с блока 6 ШИМ, поступающие на блоки 15, 16 и 17 усилителей и далее на блоки 18 и 19 регулируемых источников зарядного тока и блок 20 регулируемого источника разрядного тока соответственно, устанавливают амплитуды и длительности зарядных и разрядных импульсов согласно выбранному алгоритму заряда. Амплитуды зарядного и разрядного импульса контролируются с помощью сигнала с блока 12 датчика тока, поступающего на блок 7 АЦП. В ходе заряда в соответствии с алгоритмом контролируется напряжение АБ. По окончании процесса заряда блок 4 управления прекращает подачу сигналов управления на блок 6 ШИМ, на выходах которого устанавливаются уровни, запирающие блоки 18 и 19 регулируемых источников зарядного тока и блок 20 регулируемого источника разрядного тока, батарея отключается от зарядных и разрядных цепей, блок 4 управления подает сигнал 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.

Если задан стандартный режим заряда постоянным током, блок 4 управления выдает сигналы управления разрядом на блок 6 ШИМ и сигнал постоянного свечения на блок 9 индикации. Сигнал с блока 6 ШИМ, поступающий на блок 17 усилителей и далее на блок 20 регулируемого источника разрядного тока, устанавливает амплитуду разрядного тока согласно выбранному алгоритму заряда. Амплитуда разрядного тока контролируется с помощью сигнала с блока 12 датчика тока, поступающего на блок 7 АЦП. Когда за счет рекуперируемой при разряде энергии АБ напряжение на емкостном элементе блока 22 фильтров достигнет порога срабатывания ключевого элемента блока 24 разряда конденсаторов, избыточная энергия начнет преобразовываться в тепло на резистивном элементе блока 24 разряда конденсаторов, напряжение будет уменьшаться и по достижении нижней границы гистерезиса порогового элемента ключевой элемент закроется и напряжение снова начнет нарастать. В ходе разряда в соответствии с алгоритмом контролируется напряжение АБ. По достижении конечного разрядного напряжения блок 4 управления прекращает подачу сигналов управления на блок 6 ШИМ, на выходе которого устанавливается уровень, запирающий блок 20 регулируемого источника разрядного тока. В ходе разряда контролируются параметры тока на соответствие выбранному режиму разряда. При несоответствии тока параметрам режима разряд прекращается и включаются аварийные звуковая сигнализация и индикация.

Далее блок 4 управления выдает сигналы управления зарядом на блок 6 ШИМ. Сигналы с блока 6 ШИМ, поступающие на блоки 15 и 16 усилителей и далее на блоки 18 и 19 регулируемых источников зарядного тока, устанавливают амплитуду зарядного тока согласно выбранному алгоритму заряда. Амплитуда зарядного тока контролируется с помощью сигнала с блока 12 датчика тока, поступающего на блок 7 АЦП. В ходе заряда в соответствии с алгоритмом контролируется время заряда. По истечении времени заряда блок 4 управления прекращает подачу сигналов управления на блок 6 ШИМ, на выходах которого устанавливаются уровни, запирающие блоки 18 и 19 регулируемых источников зарядного тока, батарея отключается от зарядных и разрядных цепей, блок 4 управления подает сигнал о нормальном завершении процесса заряда в блок 8 индикации с частотой 2 Гц и скважностью 0,5 и блок 9 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 блока 19 регулируемого источника зарядного тока, управляемого через блок 16 усилителей от блока 3 ОМП, служащего для повышения входного напряжения, если это необходимо для поддержания уровня зарядного тока в соответствии с режимом заряда, блока 22 фильтров, осуществляющего защиту питающего напряжения от низкочастотной и высокочастотной помехи, возникающей при коммутациях в блоке 18 регулируемого источника зарядного тока, а так же функцию накопления заряда на емкости при протекании разрядного импульса тока, блока 18 регулируемого источника зарядного тока, управляемого через блок 15 усилителей от блока 3 ОМП, служащего для поддержания уровня зарядного тока в соответствии с режимом заряда при достаточной величине входного напряжения, блока фильтров 23, 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, блока 23 фильтров, дроссель которого является индуктивным элементом повышающего ШИМ-преобразователя регулируемого источника разрядного тока, блока 20 регулируемого источника разрядного тока, управляемого через блок 17 усилителей от блока 3 ОМП, которым задается и поддерживается необходимый уровень разрядного тока, энергия импульса разрядного тока преобразуется в заряд конденсатора блока 22 фильтров и используется для создания зарядного тока, и блока 24 разряда конденсаторов, предохраняющего емкостной элемент блока 22 фильтров от выхода из строя при продолжительном разряде.

Введение в систему управления силовой частью 2 блока 24 разряда конденсаторов и в систему управления по заданному алгоритму 1 блока 25 переключателя расширяет функциональные возможности устройства за счет возможности ведения не только ускоренного заряда асимметричным током, но и стандартного заряда постоянным током.

Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащее схему управления силовой частью, включающую блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с выводами питающего напряжения, блок фильтров, соединенный с блоком регулируемого источника зарядного тока, второй блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с блоком фильтров, блок регулируемого источника разрядного тока, соединенный с вторым блоком регулируемого источника зарядного тока и с точкой соединения блока фильтров и второго блока регулируемого источника зарядного тока, три блока усилителей, соединенные с обоими блоками регулируемых источников зарядного тока и блоком регулируемого источника разрядного тока, блок подключения аккумуляторных батарей, соединенный с блоком аккумуляторной батареи, второй блок фильтров, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и с точкой соединения второго блока регулируемого источника зарядного тока и блока регулируемого источника разрядного тока, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда, блоком индикации, блоком звуковой сигнализации, блоком широтно-импульсной модуляции (ШИМ), блоком аналого-цифрового преобразования (АЦП), блок задания режима заряда соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей, блок ШИМ соединен с тремя блоками усилителей схемы управления силовой частью, блок датчика тока, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и блоком АЦП, блок датчика напряжения, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей и блоком АЦП, блок питания, соединенный с выводами питающего напряжения, отличающееся тем, что в схему управления силовой частью введен блок разряда конденсаторов, соединенный одним выводом с точкой соединения блока фильтров и второго блока регулируемого источника зарядного тока, другим выводом - с отрицательным выводом питающего напряжения, а в схему управления по заданному алгоритму введен блок переключателя, соединенный с блоком управления.