УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СТЕПЕНЬЮ ЗАРЯЖЕННОСТИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1994 года по МПК H02J7/02 H02J7/14 H01M10/48 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в системе энергоснабжения транспортного средства (ТС) с аккумуляторной батареей (АБ), которая может подзаряжаться в процессе движения ТС.

Одной из проблем в системе энергоснабжения ТС является непроизводительный расход электроэнергии, электролита и сильная загазованность водородом пространства, окружающего АБ при ее подзаряде в режиме, близком к ее полной заряженности (С_ном). В первую очередь это относится к рейсам ТС с большой скваженностью, под которой понимается отношение среднего интервала движения к средней продолжительности времени работы АБ.

При подзаряде в АБ одновременно протекают два процесса: основной электрохимический процесс заряда (восстановление активной массы отрицательного электрода) и разложение воды электролита с выделением водорода и кислорода. Известно, что в конце процесса заряда АБ сообщаемая ей электрическая емкость тратится в основном на газовыделения, а увеличения емкости АБ почти не происходит. Таким образом при подзаряде АБ в области, близкой к насыщению емкости АБ, проявляется три существенных недостатка: непроизводительный расход энергии и электролита, а также увеличение загазованности водородом окружающего АБ пространства.

Для различных типов АБ существует определенная величина степени заряженности (С^х), при которой резко снижается расход электролита, а, учитывая что доливка электролита является достаточно трудоемким процессом при обслуживании АБ, резкое снижение расхода электролита при условии поддержания степени заряженности не выше (С^х) резко увеличивает продолжительность времени, при котором не требуется доливки электролита в АБ, что существенно снижает эксплуатационные расходы. Вторым положительным эффектом является экономия электроэнергии при подзаряде АБ, которая расходуется на газовыделение, не увеличивая емкости АБ. Третий положительный эффект - резкое уменьшение загазованности водородом окружающего АБ пространства.

Реализация этих положительных эффектов может быть достигнута созданием устройства, которое идентифицирует степень заряженности АБ в зависимости от ее величины, подключает или отключает подзаряд АБ, не допуская превышения степени заряженности выше С^х.

В силу того, что в общем случае ТС при передвижении может находиться в различных температурных условиях наружного воздуха (например, пассажирский вагон) температура электролита (Т_э) АБ также изменяется в достаточно широких пределах, что сильно сказывается на электрических параметрах АБ, в том числе и на возможности отдачи электрической емкости и ее приема. При понижении Т_э до определенной величины резко снижается способность АБ к приему и отдаче электроэнергии и поэтому до этих условий подзаряд нецелесообразен.

Известное устройство, построенное по критерию контроля по количеству электричества, отданного и принятого АБ [1], обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что при изменении Т_э резко меняется способность АБ к принятию или отдаче электроэнергии, а так как контроль электричества, отданного или принятого АБ, в устройстве подсчитывается по току, проходящему через АБ (интегрирование напряжения, пропорционального току, снятого с калиброванного шунта), то эта величина отличается от реальных значений принятой или отданной электроэнергии.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [2] для оценки заряженности батареи по изменению напряжения на ее зажимах [И_АБ].

Устройство предназначено для оценки заряженности АБ на основе данных контроля напряжения АБ в процессе ее эксплуатации в составе транспортного электрооборудования. Устройство сравнивает напряжение И_АБ и напряжение опорного источника и в зависимости от заряженности АБ формирует сигналы о нормальном состоянии АБ, предупреждении о критической глубине ее разряда. В критическом состоянии АБ вырабатывается серия импульсов, частота следования которых либо фиксирована, либо пропорциональна скорости уменьшения напряжения АБ. Блок интегрирования суммирует указанные импульсы, общее количество которых соответствует либо времени разряда АБ, либо перепаду ее напряжения при работе АБ с напряжением ниже критического. Результат интегрирования, зарегистрированный электронным счетчиком импульсов, преобразуется из цифровой в аналоговую и представляется в виде показаний стрелочного измерителя заряженности АБ.

Основным недостатком прототипа является то, что текущее И_АБ сравнивается с фиксированным опорным напряжением U_АБ⁰⁰, которое выбирается для некоторых номинальных условий (температура электролита, нагрузочные токи и т. п. ). Однако при изменении Т_э АБ в определенном диапазоне величин при одной и той же величине электрической емкости АБ (С¹) и фиксированном значении тока нагрузки I_н¹ величина U_АБ изменяется, поэтому зафиксировать постоянное значение U_АБ в этих условиях не представляется возможным. Следовательно, определение степени заряженности АБ в этих условиях сопровождается недопустимо большой ошибкой. При изменении нагрузочного тока ошибка еще более усугубляется.

Целью изобретения является создание устройства контроля и управления степенью заряженности АБ, позволяющего сократить расход электролита АБ, уменьшить непроизводительный расход электроэнергии на подзаряд АБ и загазованность водородом пространства вокруг АБ.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее датчик скорости (ДС) транспортного средства (ТС), блок компаратора (БК1), блок реле (БР), потребители электроэнергии (ПЭ), источник постоянного тока (ИПТ), блок заряда (БЗ), аккумуляторную батарею (АБ), введены ключ (КЛ1), программно-временной блок (ПВБ), блоки ключей (КЛ2, КЛ3), блоки тестовых нагрузок (БН1, БН2), блоки запоминающих устройств (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3), инвертирующий усилитель ИУ, суммирующий усилитель СУ, компараторы (БК1, БК2), причем выход ДС соединен с первым входом БК1, на второй вход БК1 подана постоянная установка, выход БК1 соединен с первым входом БР и первыми входами ЗУ1 и ЗУ2, третий вход БР соединен с выходом ИПТ, выход БР - с выходом ПЭ, выход ИПТ соединен с первым входом КЛ1, КЛ1, БЗ и АБ последовательно, второй вход КЛ1 соединен с выходом БК2, выход АБ с первым входом КЛ2, КП2, БН1, КП3, БН2 соединены последовательно, второй вход КП2 соединен с вторым выходом ПНБ, второй вход КП3 с третьим входом ПВБ, ЗУ2, ПУ, СУ, ЗУ3 и БК2 соединены последовательно, выход ЗУ1 соединен с вторым входом СУ, второй вход ЗУ1 соединен с четвертым выходом ПВБ, третий вход ЗУ1 - с шестым выходом ПВБ, пятый вход ЗУ1 соединен с десятым выходом ПВБ, второй вход ЗУ2 - с пятым выходом ПВБ, третий вход ЗУ2 соединен с седьмым выходом ПВБ, пятый вход ЗУ2 соединен с вторым выходом ПВБ, второй вход ЗУ3 - с девятым выходом ПВБ, третий вход ЗУ3 соединен с восьмым выходом ПВБ, четвертый вход ЗУ3 - с двенадцатым выходом ПВБ, на второй вход БК2 подана постоянная установка Δ γ.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит блок 1 датчика скорости ТС (ДС), блок 2 компаратора (БК1), блок 3 реле (БР), потребители 4 электроэнергии ТС (ПЭ), источник 5 постоянного тока ТС (ИПТ), блоки 6, 10, 12 ключей (КЛ1, КЛ2, КЛ3), блок 7 подзаряда АБ (БЗ), аккумуляторную батарею (АБ) 8, программно-временной блок (ПВБ) 9, блоки 11, 13 тестовых нагрузок (БН1, БН2), запоминающие устройства (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 14, 15, 18, инвертирующий усилитель (ИУ) 16, суммирующий усилитель (СУ) 17, блок компаратора (БК2) 19.

Работа устройства начинается с момента достижения ТС определенной скорости движения V*, которая измеряется установленным на ТС датчиком скорости ДС. Сигнал с выхода ДС поступает на первый вход БК1. На второй вход БК1 подан постоянный сигнал уставки, который пропорционален заданной скорости V*. По достижении сигнала с выхода ДС величины уставки V* происходит срабатывание БК1 и сигнал с его выхода поступает на первый вход БР. По этому сигналу БР срабатывает и производит переключение электрической нагрузки ТС ПЭ, записывающейся от АБ на работу от ИПТ, который является генератором переменного тока с выпрямителем. Выход АБ соединен с вторым входом БР, а выход ИПТ - с третьим входом БР. Выход БР соединен с электрической нагрузкой ТС ПЭ. С этого момента времени АБ может быть подключена через КП 1 на подзаряд. Это возможно при подключении БЗ к ИПТ посредством включения ключа КП1 по его входу 2 от ПВБ по выходу 12. Необходимость такого подключения зависит от величины, принятой АБ электрической емкости (С) на данный момент времени.

Таким образом с момента переключения ПЭ на питание от ИПТ (время t_о) осуществляется тестовый цикл определения С и в зависимости от ее величины осуществляется подключение цепи подзаряда АБ.

Этот цикл работы заключается в следующем.

В момент времени t_о одновременно с срабатыванием БК1 сигнал с его выхода поступает на первый вход ПВБ, который на этот момент времени находится в исходном состоянии, и запускает временную программу управляющих сигналов, заложенную в нее. Так в момент времени t_о на выходе 2 блока ПВБ появляется сигнал, который через второй вход блока КП2 заставляет его срабатывать и подключает тестовую нагрузку БН1 к АБ на период времени Δ t'. Физический смысл подключения БН1 заключается в пропускании через АБ тестового значения тока I_н', определяемого нагрузкой БН1 в соответствии с предлагаемым определением текущего значения С.

В момент времени t₁ = (t_o + Δ t') ( Δ t' имеет величину порядка единиц секунд) установившееся значение напряжения на АБ (U_АБ') поступает с выхода АБ на первый вход ЗУ1 и управляющим сигналом с четвертого выхода ПВБ, поступающим на второй вход ЗУ1, записывается значения (U_АБ') в ЗУ1. В момент времени t₂ = (t₁ + Δt') управляющий сигнал с выхода 3 ПВБ приводит к срабатыванию КЛ3 по его входу 2 и КЛ3 подключает тестовую нагрузку БН2 к АБ. В результате через АБ пропускается тестовый ток I_н'', определяемый суммарной нагрузкой блоков БН1 и БН2. В момент t₃ = t₂ + Δ t' установившееся значение напряжения на АБ U_АБ'' поступает на первый вход ЗУ2 и управляющим сигналом с выхода 5 ПВБ, который поступает на второй вход ЗУ2 записывает значения U_АБ'' в ЗУ2, а управляющими сигналами с выходов 6 и 7 ПВБ, поступающими соответственно на входы 3 блоков ЗУ1 и ЗУ2, происходит выдача записанных сигналов на выходы 4 ЗУ1 и ЗУ2. Сигнал с выхода 4 ЗУ2 поступает на вход инвертирующего усилителя ИУ, а с его выхода поступает на первый вход СУ. На второй вход СУ поступает сигнал с выхода ЗУ1. Суммарный сигнал с выхода СУ поступает на первый вход ЗУ3. В момент времени t₄ = t₃ + Δ t''' управляющий сигнал с выхода 8 ПВБ, поступающий на вход 3 ЗУ3, стирает записанную ранее в него информацию и управляющим сигналом с выхода 9 ПВБ, поступающим на вход 2 ЗУ3, записывает в ЗУ3 значение сигнала по его первому входу. В момент времени t₅ = (t₄ + Δ t'') управляющим сигналом с выхода 12 ПВБ записанное в ЗУ3 значение напряжения выдается на выход ЗУ3 и поступает на первый вход БК2. На второй вход БК2 постоянно подан сигнал уставки Δ γ , пропорциональный заданной части С_ном АБ/С^х, которую желательно поддерживать постоянной или иметь не выше С^х. Если сигнал на входе 1 БК2 меньше значения уставки, а это соответствует недозаряду АБ до С^х, то на выходе БК2 сигнал отсутствует и КЛ1 находится во включенном состоянии, при этом цепь подзаряда подключена к АБ и осуществляется подзаряд. Если сигнал на входе 1 БК2 больше или равен значению уставки Δ γ * на втором входе БК2, то это физически означает, что электрическая емкость АБ, принятая ею на данный момент времени, больше величины С^х, которую нельзя превышать. Поэтому на выходе БК2 появляется сигнал, который по входу 2 переводит КЛ1 в выключенное состояние и цепь подзаряда АБ отключается.

В момент времени t₆ = (t₅ + Δ γ t'') управляющие сигналы с выходом 10 и 11 поступают на входы 5 ЗУ1 и ЗУ2 и осуществляют стирание информации в ЗУ1 и ЗУ2. После этого устройство оказывается в исходном состоянии и готово к следующему циклу через фиксированный интервал Т^х, задаваемый автоматически в ПВБ. Циклы повторяются до тех пор, пока по входу 1 ПВБ существует сигнал, что соответствует режиму работы ПЭ от ИПТ. При переходе ПЭ на работу от АБ сигнал на первом входе ПВБ обнуляется, ПВБ приходит в исходное состояние и тестовые циклы прекращаются.

Использование: в системе энергоснабжения транспортного средства с аккумуляторной батареей, которая может подзаряжаться в процессе движения. Сущность изобретения: устройство содержит датчик скорости транспортного средства, блок компаратора, блок реле, потребитель электроэнергии, источник постоянного тока, блок заряда, аккумуляторную батарею. Кроме того, в устройство введены три ключа, программно-временной блок, два блока тестовых нагрузок, три блока запоминающих устройств, инвертирующий усилитель, суммирующий усилитель, два компаратора с соответствующими связями. Устройство обеспечивает поддержание емкости батареи на уровне 60% от номинальной и сокращение расхода электролита. Контроль за состоянием заряженности осуществляется путем периодического тестирования батареи двумя тестовыми нагрузками и определения разности соответствующих напряжений нагруженных батарей. 1 ил.

УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СТЕПЕНЬЮ ЗАРЯЖЕННОСТИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащее датчик скорости транспортного средства, блок компаратора, блок реле, потребители электроэнергии, источник постоянного тока, блок заряда и выходные клеммы для подключения аккумуляторной батареи, отличающееся тем, что, с целью сокращения расхода электролита батареи, экономии расхода электроэнергии на ее подзаряд и уменьшения загазованности водородом пространства вокруг батареи, в него введены три ключа, программно-временной блок, два блока тестовых нагрузок, три блока запоминающих устройств, инвертирующий усилитель, суммирующий усилитель и дополнительный компаратор, причем выход датчика скорости соединен с первым входом первого компаратора, на второй вход которого подана постоянная уставка, выход этого компаратора соединен с первыми входами блока реле и программно-временного блока, второй вход блока реле соединен с выходными клеммами и первыми входами первого и второго зарядных устройств, третий вход блока реле соединен с выходом источника постоянного тока, выход блока реле соединен с входом потребителя энергии, выход источника постоянного тока соединен с первым входом первого ключа, который соединен последовательно с блоком заряда и выходными клеммами, второй вход первого ключа соединен с выходом второго компаратора, выходные клеммы соединены с первым входом второго ключа, который соединен в последовательную цепь с первым блоком тестовых нагрузок, третьим ключом и вторым блоком тестовых нагрузок, второй вход второго ключа соединен с вторым выходом программно-временного блока, третий вход которого соединен с вторым входом третьего ключа, второе запоминающее устройство, инвертирующий усилитель, суммирующий усилитель, третье запоминающее устройство и второй компаратор соединены последовательно, выход первого запоминающего устройства соединен с вторым входом суммирующего усилителя, второй вход первого запоминающего устройства соединен с четвертым выходом программно-временного блока, шестой выход которого подключен к третьему входу первого запоминающего устройства, пятый вход которого соединен с одиннадцатым выходом программно-временного блока, с пятым выходом которого соединен второй вход второго запоминающего устройства, третий вход которого связан с седьмым выходом программно-временного блока, десятый выход которого подключен к пятому входу второго запоминающего блока, второй вход третьего запоминающего устройства соединен с девятым выходом программно-временного блока, восьмой выход которого соединен с третьим входом третьего запоминающего устройства, четвертый вход которого соединен с двенадцатым выходом программно-временного блока, на второй вход второго компаратора подана постоянная уставка.