СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ Российский патент 1996 года по МПК G01R31/36 H01M10/48 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для контроля и заряда широкого класса аккумуляторных батарей, используемых как на транспортных средствах, так и в других целях.

Особенностью данного решения является то, что информация, полученная при разряде аккумуляторных батарей, используется при заряде благодаря тому, что в системе контроля использован счетчик ампер-часов.

Известно (1) автоматическое зарядное устройство для заряда аккумуляторных батарей, которое содержит источник регулируемого зарядного тока и схему, которая через равные промежутки времени осуществляет измерение напряжения батареи. Схема измерения содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦР), цифровой выход которого индицирует напряжение батареи, усредненное за определенный интервал времени, а также компаратор для сравнения последовательных средних значений напряжения батареи. Схема, реагирующая на заданное количество последовательно получаемых результатов сравнения средних значений, каждое из которых отличается от предыдущего на величину, меньше заданной, вырабатывает сигнал управления на устройство, отключающее источник зарядного тока от батареи. Данное устройство работает по жесткой программе.

Более близким по технической сущности является автоматическое зарядное устройство (2) для заряда аккумуляторных батарей, состоящее из цепи формирования опорного напряжения и реального напряжения на аккумуляторной батарее в процессе заряда и чувствительного элемента, управляющего компаратором, который прерывает цепь заряда, когда напряжение аккумуляторной батареи достигает величины опорного напряжения. Однако и это автоматическое зарядное устройство работает по жесткой программе. Недостатком указанных устройств являются то, что в них не ограничивается время заряда большими токами. Недостатком является также то, что контроль степени зараженности по напряжению является грубым. Предложенное техническое решение позволяет устранить недостатки описанных выше устройств и обеспечить оптимизацию режима заряда при минимальном времени заряда. Данная зарядная система рассчитана на заряд аккумуляторных батарей в две ступени; 1- ая ступень в форсированном режиме (когда ток заряда превышает в 2 2,5 раза ток основного режима) и основной режим (когда ток заряда не превышает 10% от емкости).

Для измерения емкости используется высокоточный аналого-цифровой счетчик ампер-часов с дискретностью 0,1 а/ч.

Полностью заряженная батарея подключается к счетчику, на котором установлена номинальная емкость.

На чертеже представлена блок-схема системы автоматического контроля и заряда аккумуляторных батарей. 1 Аккумуляторная батарея; 2 Контрольный шунт; 3 Блок коммутации; 4 Нагрузка; 5 Источник постоянного тока; 6 - Преобразователь "Напряжение-частота"; 7 Реверсивный двоичный счетчик-дешифратор с предварительной записью информации по сигналу строб-импульса; 8 Счетчик-делитель; 9 Сигнальное устройство; 10. Задатчик емкости; 11. Устройство сравнения; 12. Переключатель режима заряда; 13. Переключатель "Конец заряда"; 14. Блок записи и считывания; 15. Блок памяти; 16. Формирователь строб-импульса считывания (из памяти); 17. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ); 18. Блок подстройки коэффициента преобразования; 19. Блок обнуления; 20. Формирователь строб-импульса записи (в память); 21. Ключ питающего напряжения; 22. Формирователь опорного напряжения; 23. Тумблер ручного управления; 24. Кабель.

Работа системы в режиме "Разряд"
Работа производится при расстыкованном кабеле 24.

Аккумуляторная батарея подключается тумблером 23 к нагрузке 4 через блок коммутации 3 и контрольный шунт 2. Блок коммутации 3 представляет собой логическое устройство, выполненное на релейных элементах, которое в зависимости от внешнего признака переводит систему в один из трех режимов ("Заряд"; "Разряд"; "Отключение режимов"). Признаком режима "Разряд" является положение "Вкл" тумблера 23 и от стыкованный кабель 24 от источника постоянного тока 5. В этом режиме блок коммутации 3 подключает аккумуляторную батарею 1 к нагрузке 4 через контрольный шунт 2. Ток, протекающий через контрольный шунт 2 от аккумуляторной батареи 1 к нагрузке 4 обуславливает падение напряжения на шунте. Это напряжение поступает на вход блока 6 (преобразователь "Напряжение частота"), где преобразовывается в частоту с крутизной преобразования 1 мВ 1 Гц. Падение напряжения 1 мВ на контрольном шунте 2 соответствует 1А тока нагрузки и 1 Гц с выхода блока 6.

Импульсы с блока 6 поступают на вход счетчика-делителя 8, где частота делится на 3600. Таким образом каждый импульс с выхода блока 8 соответствует 0,1 А/4 использованной емкости батареи.

Импульсы с выхода блока 8 поступают на вход реверсивного двоичного счетчика дешифратора 7, а с него на вход устройства сравнения 11, где сравниваются с импульсами, приходящими с выхода задатчика емкости 10. Задатчик.10 программируется посредством установки перемычек в двоичном коде для емкости батареи, используемой в данном устройстве на три положения: а) 20% от емкости батареи; б) 80% от емкости батареи, в) 100% полностью заряженная батарея.

При равенстве сигналов с выходов блока 10 и блока 7 блок 11 выpабатывает сигнал, соответствующий одному из трех положений.

В режиме "Разряд" при достижении значения сигнала, соответствующего 10% от емкости батареи, устройство сравнения 11 вырабатывает сигнал на вход блока 9, который сигнализирует о необходимости заряда аккумуляторной батареи. Работа системы в режиме "Заряд".

Режим "Заряд" осуществляется при состыкованном кабеле 24. При этом блок коммутации 3 получает признак "Подключен жгут" и при включении тумблера 23 подключает источник. 5 к батарее 1 через контрольнный пункт 2. С шунта 2 поступает на вход ШИМ-17 напряжение, пропорциональное току заряда. Формирователь опорного напряжения 22 формирует опорное напряжение для ШИМ-17, соответствующее форсированному режиму заряда Ц_оп1, ШИМ сравнивает разницу между И_оп1 и напряжением шунта и формирует ширину импульса в зависимости от этой разницы. Эти импульсы поступают на вход управляемого ключа в источнике 5. На выходе этого ключа импульсы сглаживаются фильтром и поступают на батарею 1. Таким образам, получается импульсный источник постоянного тока.

Блок подстройки коэффициента преобразования 18 служит для измерения крутизны преобразования преобразователя "Напряжение частота" 6. При заряде батарей в результате тепловых потерь введен коэффициент тепловых потерь, который составляет≈ 20% Реализация Ктп осуществляется путем введения блока подстройки коэффициента преобразования 18, который коммутирует в зависимости от режима работы ("Заряд" "Разряд" "Отключение") на вход преобразователя "Напряжение частота" 6 одну из двух входных RC-цепей (на чертеже не показано), задающих крутизну преобразования: при заряде крутизна преобразования составляет 1 мВ 1 Гц; при разряде 1,0 мВ 0,833 Гц. Таким образом вводится 20% -ная поправка на тепловые потери. То есть, при заряде вводится в батарею емкость, равная той, которая истрачена, плюс 20% от этой величины. При достижении емкости в батарее равной, примерно, 80% от номинальной устройство сравнения 11 вырабатывает сигнал на вход переключателя режима заряда 12, который формирует сигнал на вход формирователя опорного напряжения 22. Формирователь 22 формирует опорное напряжение И_оп2, соответствующее основному режиму заряда. В этом режиме происходит стабилизация по малому току аналогично формированному режиму.

При достижении 100% -ной емкости устройство сравнения 11 вырабатывает сигнал, поступающий на вход переключателя "Конец заряда" 13. Переключатель 13 вырабатывает сигнал на отключение источника 5. Ключ питающего напряжения 21 отключает источник 5 от питающей сети и включает световую сигнализацию "Заряд окончен".

Отключение режимов.

Кабель 24 отстыкован от источника постоянного тока 5, снято питание с устройства контроля емкости аккумуляторной батареи, кроме блока памяти 15.

Блок памяти 15 служит для хранения информации в двоичном коде о текущей емкости батареи в случае отключения основной нагрузки или в случае принудительного останова режима "Заряд". Блок памяти выполнен на микросхеме с малым потреблением тока в режиме хранения информации со счетчика-делителя 8 приходят импульсы, заполняющие счетчик-дешифратор 7, причем каждый импульс соответствует 0,1 А/Ч. Передний фронт этого импульса дает сигнал на перезапись информации в счетчике-дешифраторе 7 и в блоке памяти 15 одновременно. Происходит это следующим образом. На вход формирователя строб-импульса 20 приходит импульс со счетчика-делителя 8. По переднему фронту этого импульса формирователь 20 формирует строб-импульс, поступающий на вход блока записи и считывания 14, который формирует циклограмму записи в блок памяти 15 новой информации о емкости батареи 1. В случае пропадания питания в устройстве контроля емкости информация о емкости батареи хранится в блоке памяти. В момент подачи питания формирователь 16 формирует строб-импульсы считывания, которые поступают на вход блока записи и считывания 14, который формирует циклограмму считывания из блока памяти 15 в счетчик-дешифратор 7 и отсчет ампер-часов продолжается с того значения, на котором произошло отключение питания.

В случае замены аккумуляторной батареи показания блока памяти 15 и счетчика-дешифратора 7 необходимо обнулить. Для этого ручным управлением подается сигнал на обнуление в блок обнуления 19, который формирует сигналы на обнуление блока памяти 15 и реверсивного двоичного счетчика 7.

Использование: система автоматического контроля и заряда аккумуляторной батареи обеспечивает автоматический контроль емкости аккумуляторных батарей в процессе разряда и ускоренный автоматический режим заряда. Сущность изобретения: в режиме разряда устройство контроля емкости на базе счетчика ампер-часов формирует сигнал на отключение потребителей для достижения предельного уровня разряда аккумуляторных батарей. В режиме заряда устройство контроля емкости формирует сигнал на зарядной устройство на включение форсированного режима заряда, если аккумуляторная батарея разряжена ниже заданного уровня (например, 20%), с последующим переключением на основной режим при достижении 80%-ного уровня заряда и при достижении 100%-ного уровня заряда устройство контроля емкости формирует сигнал на отключение зарядного устройства от аккумуляторной батареи. 1 ил.

Система автоматического контроля и заряда аккумуляторной батареи, содержащая контрольный шунт, источник постоянного тока с управляемым ключом, блок коммутации, устройство контроля емкости аккумуляторной батареи и формирователь опорного напряжения, отличающаяся тем, что, с целью сокращения времени и повышения качества заряда, исключения глубоких разрядов, увеличения ресурса аккумуляторных батарей, заряд производится постоянным стабилизированным током в двух режимах форсированном и основном с применением счетчика ампер-часов, для чего между контрольным шунтом, соединяющим аккумуляторную батарею с блоком коммутации, и устройством сравнения включены последовательно соединенные преобразователь напряжение - частота, счетчик-делитель и реверсивный счетчик-дешифратор, при этом один выход устройства сравнения через переключатель "Конец заряда" подсоединен к ключу питающего напряжения, второй выход через переключатель режима заряда подсоединен к формирователю опорного напряжения, третий выход к сигнальному устройству, при этом в систему введены блок памяти, связанный с блоком записи и считывания, формирователи строб-импульсов записи и считывания, блок обнуления, широтно-импульсный модулятор, блок подстройки коэффициента преобразования, задатчик емкости с ручным управлением и тумблер ручного управления, причем выход счетчика-делителя через формирователь строб-импульса записи подключен к блоку записи и считывания, тумблер ручного управления подключен к блоку коммутации, ключ питающего напряжения через формирователь строб-импульса считывания подключен к блоку записи и считывания, выходы блока обнуления подключены к блокам памяти и реверсивного двоичного счетчика-дешифратора, выходы блока коммутации подключены к нагрузке, формирователю опорного напряжения, блоку подстройки коэффициента преобразования и реверсивному двоичному счетчику-дешифратору, выход блока подстройки коэффициента преобразования соединен с преобразователем напряжение частота, два входа широтно-импульсного модулятора подключены к выходам формирователя опорного напряжения, а третий вход к контрольному шунту, а выход широтно-импульсного модулятора подключен к источнику постоянного тока с управляемым ключом, один из входов устройства сравнения подключен к задатчику емкости с ручным управлением, вход и выход по записи и считыванию реверсивного двоичного счетчика-дешифратора соединены с соответствующими входом и выходом блока записи и считывания, ключ питающего напряжения через источник постоянного тока с управляемым ключом соединен переходным жгутом с входом блока коммутации.