РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02J7/00 H02J7/14 H02J7/24 

Изобретение относится к системам зарядки аккумуляторной батареи от электрических генераторов, вращающихся с переменной скоростью, преимущественно автомобильных.

Известен регулятор напряжения на базе микроЭВМ, содержащий датчик температуры аккумулятора, датчик напряжения аккумулятора, аналого-цифровой преобразователь и коммутационный блок, подключенный к обмотке возбуждения генератора. МикроЭВМ поддерживает на выводах аккумулятора оптимальное с учетом его температуры зарядное напряжение, изменяющееся в пределах предварительно заданных максимальном и минимальном уровнях напряжения.

Недостатком данного регулятора является относительно высокая сложность и стоимость, а также отсутствие связи между величиной зарядного напряжения и степенью заряженности аккумулятора.

Известен регулятор напряжения с одним из двух уровней выходного напряжения. Переключение выходного напряжения осуществляется в зависимости от сигнала, поступающего от водородно-кислородного рекомбинатора с термоэлектрическим преобразованием. Преобразователь создает резко изменяющийся сигнал при полном заряде аккумулятора, что обеспечивает уменьшение зарядного тока.

Недостатком этого регулятора является его сложность и отсутствие связи уровней выходного напряжения с температурой аккумулятора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор напряжения, содержащий термодатчик, подключенный к выводам аккумулятора и через резисторы ко входам компаратора, выход которого соединен с базой транзистора, через который напряжение питания поступает на обмотку возбуждения генератора. К шинам питания также подключены последовательно соединенные резистор и стабилитрон, к точке соединения которых подключен делитель напряжения из трех последовательно соединенных резисторов, причем к выводам среднего резистора делителя подключены анод и катод диодов, вторые выводы которых соединены с первым входом компаратора.

Недостатком этого регулятора является отсутствие учета интенсивного разряда аккумулятора при пуске двигателя стартером, что снижает срок службы аккумулятора и ухудшает надежность пуска двигателя. Особенно этот недостаток проявляется в городских условиях, характеризующихся частыми пусками двигателя с относительно короткими интервалами движения. Оптимальное с учетом температуры напряжение, поддерживаемое регулятором напряжения на клеммах аккумулятора, в этих условиях не обеспечивает полной компенсации потерь энергии при пуске двигателя. Это обусловливает систематический недозаряд аккумулятора, являющийся одной из основных причин сокращения срока его службы.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в увеличении срока службы аккумулятора и надежности системы пуска двигателя за счет повышения зарядного напряжения на время, достаточное для ускоренного восстановления заряда аккумулятора, потерянного при пуске двигателя
Для достижения данного технического результата в регулятор напряжения, содержащий термодатчик, первый и второй выводы которого соединены с положительной и отрицательной клеммами аккумулятора, а третий и четвертый через резисторы соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которого через резистор соединен с базой транзистора, к коллектору которого подключена обмотка возбуждения генератора, зашунтированная диодом, а к эмиттеру положительная шина питания, которая также соединена с общим проводом через последовательно соединенные резистор и стабилитрон, к точке соединения которых параллельно стабилитрону подключен делитель напряжения из трех последовательно соединенных резисторов, причем выводы среднего резистора делителя соединены с анодом и катодом диодов, вторые выводы которых соединены с первым входом компаратора, дополнительно введены управляемый генератор тактовых импульсов (далее генератор), первый вход которого подключен к контрольной лампе заряда аккумулятора и первым входам реверсивного счетчика (далее счетчика) и элемента И, второй вход генератора подключен к стартеру и первому входу триггера, второй вход которого соединен с выходом счетчика и вторым входом элемента И, выход которого через последовательно соединенные диод и резистор с первым входом компаратора, а выходы генератора и триггера соединены соответственно со вторым и третьим входами счетчика.

Дополнительно введенные генератор, счетчик и триггер позволяют зафиксировать длительность T_р включения стартера при пуске двигателя, в течение которого происходит интенсивный разряд аккумулятора током I_р, потребляемым стартером. После пуска двигателя эти же элементы формируют временной интервал Тз, пропорциональный интервалу Т_р, в течение которого на выходе элемента И поддерживается высокий уровень напряжения. Это напряжение, близкое к напряжению питания, через дополнительные диод и резистор обеспечивает поступление дополнительного тока во входную цепь компаратора, вызывающего увеличение опорного напряжения и соответствующий рост напряжения на клеммах аккумулятора. В результате аккумулятор получает форсированный подзаряд токов I_з. что позволяет восстанавливать потерянный при пуске заряд за относительно короткое время Т_з. Величина времени форсированного подзаряда Т_з определяется из условия обеспечения равенства разрядной и зарядной емкости I_р ˙Т_р= η_c ˙ I_з˙ Т_з, где η_c отдача по емкости. Следовательно, Т_з=k ˙T_р, где k=I_р/ η_c ˙ I_з постоянный коэффициент, зависящий от параметров стартера (I_р) и аккумулятора ( η_c I_з). Разумеется, величина I_з ограничивается также предельно допустимым напряжением в бортовой сети.

Формирование интервала Т_з осуществляется путем вычитания тактовых импульсов, период следования которых в k раз больше, чем при фиксации времени Т_р, до момента обнуления счетчика. После окончания временного интервала Т_з на выходе элемента И устанавливается низкий уровень напряжения, прекращающий протекание дополнительного тока во входной цепи компаратора, что приводит к установлению опорного напряжения, определяемого только термодатчиком.

Таким образом, предлагаемый регулятор автоматически устанавливает один из двух уровней напряжения: повышенный, обеспечивающий режим форсированного подзаряда после пуска двигателя стартером, и номинальный, обеспечивающий оптимальный зарядный ток при работе аккумулятора в буферном режиме.

Предлагаемое изобретение поясняется схемой, приведенной на чертеже.

Регулятор напряжения содержит термодатчик 1, подключенный выводами 2 и 3 к клеммам аккумулятора и состоящий из двух параллельно соединенных делителей напряжений, выходы 4 и 5 которых соединены через резисторы 6 и 7 соответственно с первым и вторым входами компаратора 8, выход которого через резистор соединен с базой транзистора 9, коллектор которого через параллельно соединенные обмотку возбуждения генератора 10 и диод 11 соединен с общей, а эмиттер с положительной шиной питания. К шинам питания также подключены последовательно соединенные резистор 12 и стабилитрон 13, к точке соединения которых параллельно стабилитрону 13 подключен делитель напряжения из трех последовательно соединенных резисторов 14, 15, 16, верхний и нижний выводы среднего резистора 15 соединены соответственно с анодом и катодом диодов 17 и 18, вторые выводы которых соединены с первым входом компаратора 8 и цепочкой из последовательно соединенных резистора 19 и диода 20, анод которого соединен с выходом элемента И 23, первый вход которого связан с первыми входами генератора 21 и счетчика 22, а также с контрольной лампой заряда аккумулятора, а второй вход элемента И 23 соединен с выходом счетчика 22 и вторым входом триггера 24, первый вход которого соединен со вторым входом генератора 21 и со стартером. Выход генератора 21 соединен со вторым входом счетчика 22, третий вход которого соединен с выходом триггера 24.

Термодатчик 1 предназначен для формирования двух уровней напряжения. Первый уровень, снимаемый с первого делителя (вывод 4), зависит от температуры аккумулятора и не зависит от его напряжения, поскольку нижнее плечо этого делителя образовано термочувствительными элементами (например, стабисторами). Второй уровень напряжения, снимаемый со второго делителя (вывод 5) термодатчика 1, пропорционален напряжению на аккумуляторе и не зависит от его температуры.

Параметрический стабилизатор на резисторе 12 и стабилитроне 13 совместно с цепочкой резисторов 14, 15, 16 формирует два уровня напряжения, практически не зависящие от напряжения в бортовой сети и температуры. Они используются в качестве опорных при экстремальных значениях температуры аккумулятора и ограничивают предельное значение напряжения на аккумуляторе в режиме форсированного подзаряда.

Счетчик 22 представляет собой n-разрядный реверсивный счетчик с выходом переноса, построенный, например, на микросхемах К1561ИЕ11. Генератор 21 формирует последовательность тактовых импульсов с периодом Т_тз или Т_тр при поступлении разрешающего уровня напряжения на его первый или второй вход соответственно.

Регулятор работает следующим образом. В исходном состоянии перед пуском двигателя на оба входа генератора 21 поступают напряжения низкого уровня, запрещающие его работу. Триггер 24 при подаче напряжения питания принудительно устанавливается в единичное состояние, обнуляющее счетчик 22 и обуславливающее появление на его выходе напряжения низкого уровня. Одновременно низкий уровень напряжения, поступающий с контрольной лампы заряда, задает направление счета счетчика 22 на суммирование и запрещает появление высокого уровня напряжения на выходе элемента И 23.

В момент начала пуска двигателя стартером на второй вход генератора 21 поступает высокий уровень напряжения, который сохраняется в течение всего времени работы стартера. Это обуславливает появление на выходе генератора 21 тактовых импульсов с периодом, которые поступают на счетный вход реверсивного счетчика 22. Одновременно триггер 24 изменяет свое состояние, разрешая тем самым подсчет поступающих тактовых импульсов и вызывая появление на выходе счетчика 22 напряжения высокого уровня (после прихода первого импульса).

В зависимости от результата попытки пуска двигателя возможны два варианта работы устройства. Предположим, что запустить двигатель при однократном включении стартера не удалось. В момент остановки стартера на втором входе генератора 21 устанавливается низкий уровень напряжения, прекращающий формирование тактовых импульсов.

Поскольку состояние триггера 24 при этом не изменяется, что счетчик 22 сохраняет накопленное количество тактовых импульсов. Выход переноса счетчика 22 и элемент И 23 не изменяют своего состояния.

При последующих попытках пуска двигателя описанный выше процесс повторяется, увеличивая каждый раз содержимое счетчика 22 на величину, пропорциональную длительности включения стартера при каждой попытке. В результате содержимое счетчика 22, накопленное к моменту пуска двигателя, оказывается пропорциональным общему времени форсированного разряда аккумулятора.

Рассмотрим теперь работу регулятора при условии, когда двигатель запустился. В этот момент стартер обесточивается и на втором входе генератора 21 устанавливается низкий уровень напряжения, прекращающий формирование тактовых импульсов с периодом Т_тр. Как только обороты двигателя достигнут значения начала отдачи тока генератором автомобиля, контрольная лампа заряда гаснет, и на первом входе генератора 21 устанавливается высокий уровень напряжения, разрешающий формирование тактовых импульсов с периодом Т_тз=k˙ Т_тр. Этот же уровень напряжения устанавливает напряжение счета счетчика 22 на вычитание и вызывает появление напряжения высокого уровня на первом входе элемента И 23 и соответственно на его выходе, так как на его втором входе сохраняется напряжение высокого уровня. Через диод 20 и резистор 19 начинает протекать дополнительный ток во входной цепи компаратора 8. В результате повышается опорное напряжение и соответственно зарядное напряжение на клеммах аккумулятора, обеспечивая его форсированный подзаряд. Заметим, что величина приращения зарядного напряжения определяется сопротивлением резистора 19 и практически не зависит от температуры. Это обеспечивает учет температуры аккумулятора при формировании и номинального и повышенного уровней напряжения. Кроме того, увеличение опорного напряжения происходит только в пределах, установленных параметрическим стабилизатором (12, 13), делителем на резисторах 14, 15, 16 и диодами 17, 18, что ограничивает возможные изменения напряжения в бортовой сети автомобиля в допустимом диапазоне.

Форсированный подзаряд аккумулятора продолжается в течение времени Т_з=k ˙ Т_р, т.е. до тех пор, пока содержимое счетчика 22 не станет равным нулю. В этот момент состояние выхода счетчика 22 (выход переноса) изменяется, принимая значение логического нуля, что приводит к изменению состояния триггера 24 и остановке счетчика 22 в нулевом состоянии. Одновременно на выходе элемента И 23 устанавливается напряжение низкого уровня, закрывающее диод 20 и прекращающее подачу дополнительного тока во входную цепь компаратора 8. На клеммах аккумулятора устанавливается номинальное напряжение, соответствующее буферному режиму и определяемое термодатчиком.

Если двигатель будет остановлен раньше, чем закончится форсированный подзаряд аккумулятора или его обороты не достаточны для обеспечения зарядного тока I_з, то загорается контрольная лампа заряда аккумулятора, и на первый вход генератора 21 поступает запрещающий сигнал. Работа счетчика 22 приостанавливается без его обнуления, и при последующем пуске двигателя тактовые импульсы с периодом Т_тр будут суммироваться с содержимым счетчика 22. Благодаря этому обеспечивается полная компенсация фоpсиpованным подзарядом затраченного на пуск двигателя заряда аккумулятора независимо от продолжительности и режима работы двигателя между его повторными пусками. Очевидно, что для этого напряжение питания счетчика 22 не должно зависеть от положения ключа зажигания.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет реализовать двухуровневый регулятор напряжения, более полно учитывающий особенности работы аккумулятора в автомобиле, что обеспечивает повышение срока его службы и надежности системы пуска двигателя.

Использование: в системах зарядки аккумуляторной батареи от электрических генераторов, вращающихся с переменной скоростью, преимущественно автомобильных. Сущность изобретения: регулятор напряжения содержит термодатчик, резисторы, компаратор, транзистор, стабилизатор на резисторе и стабилитроне, делитель напряжения на резисторах, диоды, генератор, входы которого подключены к контрольной лампе заряда аккумулятора и к стартеру, счетчик, элемент И и триггер. Регулятор обеспечивает повышения напряжения на клеммах аккумулятора на некоторое время после пуска двигателя стартером и позволяет быстро восстановить потерянный при этом заряд. 1 ил.

РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий термодатчик, подключенный к аккумулятору и состоящий из термочувствительного и термонезависимого делителей напряжения, выходы которых через резисторы соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которого через транзистор связан с параллельно соединенными обмоткой возбуждения генератора и диодом, а к положительной шине питания подключены последовательно соединенные резистор и стабилитрон, параллельно которому подключен делитель напряжения из трех последовательно соединенных резисторов, причем выводы среднего резистора соединены с анодом первого и катодом второго диодов, вторые выводы которых соединены с первым входом компаратора, отличающийся тем, что в него введен генератор, первый вход которого подключен к контрольной лампе заряда аккумулятора и первым входам счетчика и элемента И, второй вход генератора подключен к стартеру и первому входу триггера, второй вход которого соединен с выходом счетчика и вторым входом элемента И, выход которого через последовательно соединенные диод и резистор соединен с первым входом компаратора, а выходы генератора и триггера соединены соответственно с вторым и третьим входами счетчика.