Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для ускоренного заряда герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей (АБ). Заряд осуществляется без предварительного доразряда асимметричным током со стабилизированными амплитудами зарядного и разрядного токов. Сущность изобретения: после подключения АБ к зарядному устройству автоматически выбирается тип батареи и в соответствии с выбранным типом АБ начинается заряд по заданному алгоритму, соответствующему данной батарее. Устройство содержит схему управления по заданному алгоритму и схему управления силовой частью. Управление силовой частью осуществляется с помощью однокристального микропроцессора. Формирование зарядных и разрядных токов осуществляется при помощи высокочастотного ШИМ-преобразователя. Стабилизация зарядного и разрядного тока осуществляется за счет обратной связи по току. Сигналы с датчика напряжения и шунта подаются на однокристальный микропроцессор для контроля процесса заряда. Техническим результатом является уменьшение массы, габаритов, стоимости изделия и повышения коэффициента полезного действия. Устройство предназначено для ускоренного заряда Ni-Cd, Ni-Mh и Li-ion аккумуляторов. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к зарядным устройствам, используемым для заряда аккумуляторных батарей (АБ) асимметричным током.

Известно устройство [1] для заряда аккумуляторов асимметричным током. Данное устройство построено по принципу ШИМ-преобразователей для формирования асимметричного тока. В данном устройстве разрядный импульс следует за зарядным с паузой между ними. Устройство включает схему управления по заданному алгоритму (СУЗА) и схему управления силовой частью (СУСЧ). В СУЗА входит блок индикации, блок звуковой сигнализации, однокристальный микропроцессор (ОМП), блок датчика тока, блок датчика напряжения. В СУСЧ входит два блока фильтров, два блока усилителей, блок регулирования источника зарядного тока (для формирования зарядного импульса), блок регулирования источника разрядного тока (для формирования разрядного импульса), блок нагрузочного элемента. В процессе заряда амплитуды зарядного и разрядного тока не изменяются. Это достигается за счет обратной связи по току. В блоке датчика тока снятый сигнал при помощи вспомогательных элементов усиливается, инвертируется (в случае прохождения обратного импульса) и подается на вход однокристального микропроцессора. В зависимости от поступающего с датчика тока сигнала микропроцессор при помощи широтно-импульсного модулирования (ШИМ) поддерживает стабилизацию зарядного или разрядного тока.

Недостатками данного устройства являются: наличие блока нагрузочного элемента, отдельных блоков для формирования зарядных и разрядных импульсов, блока датчика тока для инвертирования и усиления сигнала, поступающего на ОМП для стабилизации тока, и дополнительного диода, что приводит к увеличению массы, габаритов, стоимости изделия и снижения КПД за счет потерь в этих блоках.

Известно устройство [2] для заряда аккумуляторов асимметричным током, выполненное на базе однокристального микропроцессора. Устройство выполнено на основе ШИМ-преобразователей и используется для заряда герметичных аккумуляторов. В процессе заряда устройство формирует стабилизированные зарядные и разрядные импульсы, следующие друг за другом. Окончание заряда происходит по достижению максимума напряжения или по изменению знака первой производной по напряжению. Устройство включает схему управления по заданному алгоритму (СУЗА) и схему управления силовой частью (СУСЧ). В СУЗА входят блок индикации, блок звуковой сигнализации, однокристальный микропроцессор, блок датчика тока, блок датчика напряжения, блок питания. В СУСЧ входят два блока фильтров, два блока усилителей, блок регулирования источника зарядного тока (для формирования зарядного импульса), блок регулирования источника разрядного тока (для формирования разрядного импульса), блок подключения аккумуляторных батарей, два диода. В данном устройстве введена рекуперация энергии, разрядный импульс преобразуется в заряд конденсатора в блоке фильтров и используется для создания зарядного импульса.

Недостатками данного устройства являются наличие двух блоков для формирования зарядных и разрядных импульсов, блока датчика тока для инвертирования и усиления сигнала, поступающего на ОМП для стабилизации тока, и дополнительного диода, что приводит к увеличению массы, габаритов, стоимости изделия и снижения КПД за счет потерь в этих блоках.

Задачей изобретения является упрощение схемы управления силовой частью и схемы управления по заданному алгоритму, снижение потерь, уменьшение массы и габаритов устройства за счет совмещения выполняемых отдельными блоками функций

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство [2] для ускоренного заряда асимметричным током АБ, содержащее схему управления силовой частью, включающую два блока фильтров, блок усилителей, диод, катод которого подключен к одному из входов блока фильтров, блок подключения аккумуляторных батарей с клеммами для подключения, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок питания, положительный контакт которого соединен с анодом диода, а нулевой контакт со вторым входом блока фильтра, входящими в систему управления силовой частью, блок датчика напряжения, блок звуковой сигнализации, блок индикации, соединенные с блоком однокристального микропроцессора и, объединенные в блоке однокристального микропроцессора, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок широтно-импульсной модуляции, соединенные с блоком управления, в схему управления силовой частью введен блок формирования заряд-разрядного тока, вход которого соединен с блоком фильтров, а выход с блоком аккумуляторных батарей и с входом блока фильтров, выход которого соединен с нулевым контактом источника питания, а в схему управления по заданном алгоритму введены блоки усиления и дифференциального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), входящие в состав ОМП, и шунт, один выход которого соединен с нулевым контактом блока питания, а второй - с блоком аккумуляторных батарей и блоком усиления, соединенным с блоком дифференциального АЦП, выполняющим функцию инвертирования сигнала, второй вход дифференциального АЦП соединен с выходом датчика напряжения, а выход с дифференциального АЦП соединен с соответствующим входом блока управления, сигнал с которого поступает на блок ШИМ, выход которого соединен с входом блока усилителей, подключенного к блоку формирования заряд-разрядного тока схемы управления силовой частью.

Однокристальный микропроцессор содержит в своем составе блок ШИМ, предназначенный для управления широтно-импульсной модуляцией на высокой частоте для формирования зарядных и разрядных токов, блок дифференциального АЦП для считывания положительного и отрицательного сигнала, поступающего с шунта через блок усиления, блок задания режима заряда, блок задания алгоритма заряда, блок управления, память программ и данных.

На чертеже представлена блок-схема данного устройства.

Устройство включает схему управления по заданному алгоритму 1 и схему управления силовой частью 2. Блок однокристального микропроцессора 3, состоящий из блока ШИМ 4, блока задания режима заряда 5, блока дифференциального АЦП 6, блока усиления 7, блока задания алгоритма заряда 8 и блока управления 9, соединен с блоком звуковой сигнализации 10, блоком индикации 11, блок датчика напряжения 12 соединен с блоком дифференциального АЦП 6 и блоком подключения аккумуляторных батарей 13, выход шунта 14 соединен с блоком усиления 7, блоком подключения аккумуляторных батарей 13 и нулевым проводом блока питания. Выход блока ШИМ 4 соединен с входом блока усилителей 15, выход которого соединен с входом блока формирования заряд-разрядного тока 16, блок подключения аккумуляторных батарей 13 соединен с блоком задания режима заряда 5. Питающее напряжение подается на блок питания 17, положительный вывод питающего напряжения соединен с анодом диода 18, катод которого соединен с входом блока фильтров 19. Выход блока фильтров 19 соединен с входом блока формирования заряд-разрядного тока 16, выход которого соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей 13 и блоком фильтров 20, второй вывод которого соединен с нулевым проводом. Вход блока подключения аккумуляторных батарей 13 соединен с блоком 21 АБ.

Устройство работает следующим образом. При включении устройства питающее напряжение поступает на блок питания 17, который вырабатывает постоянные стабилизированные напряжения для питания блока однокристального микропроцессора 3, блока индикации 11, блока звуковой сигнализации 10, блока подключения аккумуляторных батарей 13, блока усилителей 15. Через блок фильтров 19 и диод 18 питающее напряжение поступает на вход блока регулирования источника заряд-разрядного тока 16. ОМП 3 в соответствии с заданным алгоритмом выдает сигнал на запирание блока усилителей 15 во избежание открытия силовых ключей. После подключения АБ 21 к блоку подключения аккумуляторных батарей 13 блок задания режима заряда 5 автоматически выбирает режим заряда, соответствующий данному типу батареи. На вход дифференциального АЦП 6 с блока датчика напряжения 12 поступает напряжение с аккумулятора. В соответствии с выбранным режимом заряда, блок задания алгоритма заряда 8 через блок управления 9 и блок ШИМ 4 выдает сигналы на блок усилителей 15 и далее на блок формирования заряд-разрядного тока 16, который устанавливает амплитуды и длительности зарядных и разрядных токов. Для отображения выбранного режима заряда однокристальный микропроцессор 3 выдает сигнал на блок индикации 11, где светится светодиод, которому соответствует данный режим. Амплитуды зарядного и разрядного токов контролируются с помощью сигнала, считанного с шунта (R) 14 и поступающего на блок дифференциального АЦП 6 через блок усиления 7. При формировании зарядного тока однокристальный микропроцессор 3 через блок ШИМ 4 и блок усилителей 15 подает сигналы на блок формирования заряд-разрядного тока 16 с высокой частотой и соответствующей длительностью, при которой ток проходит от блока питания 17 в аккумулятор 21. При формировании разрядного тока однокристальный микропроцессор 3 через блок ШИМ 4 и блок усилителей 15 подает сигналы на блок формирования заряд-разрядного тока 16 с той же частотой, но уже другой длительностью, при которой ток проходит уже в другом направлении. В данном случае аккумулятор 21 является источником питания разрядного импульса. Сигнал с шунта (R) 14 поступает на блок усиления однокристального микропроцессора 3 и далее на дифференциальные входы АЦП 6 для стабилизации зарядного и разрядного тока. В соответствии с полярностью сигнала, приходящего в блок дифференциального АЦП 6 с шунта (R) 14 через блок усиления 7, программно (в соответствии с алгоритмом) в однокристальном микропроцессоре 3 устанавливаются необходимые биты для считывания положительного или отрицательного сигнала. В ходе заряда в соответствии с алгоритмом контролируется напряжение на АБ 21. По окончании процесса заряда однокристальный микропроцессор 3 прекращает подачу сигналов на блок усилителей 15 и на входе блока формирования заряд-разрядного тока 16 устанавливается запирающий уровень, однокристальный микропроцессор 3 подает сигнал о нормальном завершении процесса заряда в блок звуковой сигнализации 10 и блок индикации 11.

Цепь зарядного и разрядного тока состоит из блока формирования заряд-разрядного тока 16, которым управляет однокристальный микропроцессор 3 через блок усилителей 15. Блок формирования заряд-разрядного тока представляет собой высокочастотный преобразователь. При формировании зарядного тока он работает как понижающий стабилизатор, а при формировании отрицательного тока он работает как повышающий стабилизатор. В результате такого схемотехнического решения возможно применение одного блока для формирования как положительного, так и отрицательного импульсов. Диод 18 предохраняет источник питания 17 от бросков напряжения во время разрядного импульса тока. Блок фильтров 19 осуществляет защиту питающего напряжения от низкочастотных и высокочастотных помех, возникающих при коммутации в блоке регулирования источника заряд-разрядного тока 16. При формировании разрядного импульса часть энергии рекуперируется в конденсатор, находящийся в блоке фильтров 19, которая затем используется для формирования зарядного импульса. Такое построение силовой части позволяет с минимальными потерями возвращать энергию разрядного импульса в аккумуляторную батарею.

Устройство предназначено для ускоренного заряда герметичных АБ с напряжением от 4,8 до 12,0 В в диапазоне питающих напряжения от 20 до 30 В.

Объединение блока регулирования источника зарядного тока и блока регулирования источника разрядного тока в блок формирования заряд-разрядного тока в СУСЧ и введение блока усиления и замена блока АЦП на блок дифференциального АЦП в СУЗА позволило уменьшить потери, массу, габариты и стоимость устройства.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №2215353.

2. Авторское свидетельство №2216087.

Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащее схему управления силовой частью, включающую блок фильтров 19, блок фильтров 20, блок усилителей, диод, катод которого подключен к одному из входов блока фильтров 19, блок подключения аккумуляторных батарей с клеммами для подключения, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок питания, положительный контакт которого соединен с анодом диода, а нулевой контакт со вторым входом блока фильтров 19, входящими в схему управления силовой частью, блок датчика напряжения, блок звуковой сигнализации, блок индикации, соединенные с блоком однокристального микропроцессора (ОМП) и, объединенные в блоке однокристального микропроцессора блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ), соединенные с блоком управления, отличающееся тем, что в схему управления силовой частью введен блок формирования заряд-разрядного тока, вход которого соединен с блоком фильтров 19, а выход с блоком аккумуляторных батарей и с входом блока фильтров 20, выход которого соединен с нулевым контактом источника питания, в схему управления по заданном алгоритму введены блоки усиления и дифференциального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), входящие в состав ОМП, и шунт, один выход которого соединен с нулевым контактом блока питания, а второй с блоком аккумуляторных батарей и блоком усиления, соединенным с блоком дифференциального АЦП, выполняющим функцию инвертирования сигнала, второй вход дифференциального АЦП соединен с выходом датчика напряжения, а выход с дифференциального АЦП соединен с соответствующим входом блока управления, сигнал с которого поступает на блок ШИМ, выход которого соединен с входом блока усилителя подключенного к блоку формирования заряд-разрядного тока схемы управления силовой частью.