УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫМ АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ Российский патент 1997 года по МПК H02J7/10 

Изобретение относится к регенерирующим и зарядным устройствам, используемым для регенерации химических элементов (ХЭ) и для формовки, заряда аккумуляторных батарей (АБ) стабилизированным асимметричным током.

Известны устройства для регенерации ХЭ и заряда АВ асимметричным током, содержащие источник переменного тока, электрический вентиль, токоограничительный резистор и понижающий трансформатор [1] К их недостаткам следует отнести низкие энергетические показатели и высокую стоимость, обусловленную применением низкочастотного трансформатора. Кроме того, по мере заряда АБ или регенерации ХЭ как правило не обеспечивается стабилизация зарядного тока, что усложняет определение момента окончания их заряда или регенерации.

Ближайшим аналогом заявленного устройства является устройство для заряда АБ асимметричным током, содержащее источник переменного тока, два конденсатора [2]
Недостатком этого устройства является повышенная опасность поражения током из-за высокого выходного напряжения, вдвое превосходящего амплитудное напряжение источника питания, что обусловливает необходимость использования значительных по габаритам и дорогостоящих высоковольтных полупроводниковых элементов. Кроме того, при появлении неисправности типа "короткое замыкание" любого из конденсаторов недопустимо увеличивается зарядный ток, приводящий к разрушению АБ или ХЭ.

Целью изобретения является формирование режима заряда АБ или регенерации ХЭ стабилизированным асимметричным током, миниатюризация устройства и уменьшение его стоимости.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для регенерации ХЭ и заряда АБ стабилизированным асимметричным током, содержащее источник питания переменного тока, два конденсатора, дополнительно содержит два выпрямителя, высокочастотный инвертор с трансформаторным выходом, компаратор, датчик тока, ограничитель напряжения, ключевой элемент, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, подключенный входом к выводам датчика тока, включенного последовательно между первой общей точкой соединения первого вывода по постоянному току первого выпрямителя, первого вывода ограничителя напряжения и второй общей точкой соединения первого вывода ключевого элемента и первой выходной клеммой устройства, вторые выводы ограничителя напряжения, ключевого элемента, вторая выходная клемма устройства, второй вывод по постоянному току первого выпрямителя соединены вместе, выводы по переменному току первого выпрямителя подключены к трансформаторному выходу высокочастотного инвертора, а его вход подключен к выводам первого конденсатора и выводам по постоянному току второго выпрямителя, тогда как его первый вывод по переменному току соединен через второй конденсатор с первым выводом источника питания переменного тока, а второй вывод по переменному току второго выпрямителя соединен непосредственно с вторым выводом источника питания переменного тока, причем коэффициент трансформации K_m высокочастотного инвертора с трансформаторным выходом определяется выражением
K_м= Uвхи

/(((n•R_вн+R_дт)•I_з+n•E)•K_д), (1)
где Ud[и напряжение на входе инвертора; n количество аккумуляторов или регенерируемых элементов соединенных последовательно; R_вн, E - соответственно внутреннее сопротивление и ЭДС одного ХЭ или заряжаемого аккумулятора; I_з номинальный ток заряда или регенерации; K_д - дополнительный коэффициент, находится в диапазоне от 1,2 до 1,3; R_дт - сопротивление датчика тока.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства. Устройство для регенерации химических элементов и заряда аккумуляторных батарей стабилизированным асимметричным током содержит источник питания переменного тока 1, два конденсатора 2 и 3, два выпрямителя 4 и 5, высокочастотный инвертор с трансформаторным выходом 6 (например однополупериодный инвертор [3]), у которого отношение напряжения на его входе к его выходному напряжению напряжению заряда или регенерации U_з, определяется выражением 1.

Устройство так же содержит компаратор 7, датчик тока 8 (например резистор), ограничитель напряжения 9 (например стабилитрон), ключевой элемент 10 (например транзистор), управляющий вход которого соединен с выходом компаратора 7, подключенный входом к выводам датчика тока 8, включенного последовательно между первой общей точкой соединения первого вывода по постоянному току первого выпрямителя 4, первого вывода ограничителя напряжения 9 и второй общей точкой соединения первого вывода ключевого элемента 10 и первой выходной клеммой устройства 11, вторые выводы ограничителя напряжения 9, ключевого элемента 10, вторая выходная клемма устройства 12, второй вывод по постоянному току первого выпрямителя 4 соединены вместе, выводы по переменному току первого выпрямителя 4 подключены к трансформаторному выходу высокочастотного инвертора 6, а его вход подключен к выводам первого конденсатора 2 и выводам по постоянному току второго выпрямителя 5, тогда как его первый вывод по переменному току соединен через второй конденсатор 3 с первым выводом источника питания переменного тока 1, а второй вывод по переменному току второго выпрямителя 5 соединен непосредственно с вторым выводом источника питания переменного тока 1.

Устройство работает следующим образом. При подключении его к источнику питания 1, через конденсатор 3 потечет ток, который вызовет падение напряжения на нем, пропорциональное силе тока. Часть напряжения питания выпрямляется вторым выпрямителем 5 сглаживается первым конденсатором 2 и подается на вход высокочастотного инвертора 6. Инвертор 6 обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты, которое поступает на вход первого выпрямителя 4. Постоянное напряжение с выхода первого выпрямителя 4 поступает на выводы ограничителя напряжения 9 и через датчик тока 8 на выводы ключевого элемента 10 и выходные клеммы устройства 11, 12.

Если ХЭ или АБ не подключены, или же в случае, когда их внутренне сопротивление очень большое, что характерно при минимальном токопотреблении, сигнал с датчика тока 8 на входе компаратора 7 не достаточен для формирования импульсов управления на ключевой элемент 10, последний находится в закрытом состоянии. Такой режим работы первоначально приводит к некоторому повышению выходного напряжения высокочастотного инвертора 6 до уровня срабатывания ограничителя напряжения 9. Включение последнего в работу обеспечивает токопотребление от инвертора несколько больше, чем при холостом ходе. Таким образом, благодаря применению ограничителя напряжения 9 обеспечиваем сравнительно небольшое напряжение питания инвертора даже при отключенном потребителе и исключается необходимость применения дорогостоящих высоковольтных транзисторов в инверторе 6. Действительно при холостом ходе, когда минимальный потребляемый ток (соответствует минимальному падению напряжения на втором конденсаторе 3) напряжение на входе инвертора ограничено заданной величиной
Ud[и

= U_и-I_он•X_c/K_м,
где U_и напряжение источника питания переменного тока 1;
X_c емкостное сопротивление второго конденсатора 3;
I_он ток потребляемый ограничителем напряжения 9.

При этом частота инвертора 6 так же не очень сильно увеличивается при холостом ходе по сравнению с частотой под нагрузкой.

При подключении АБ или ХЭ к выходным клеммам 11, 12 устройства через датчик тока 8 протекает ток заряда или регенерации. Датчик тока 8 формирует сигнал поступающий на вход компаратора 7, последний вырабатывает управляющие сигналы, поступающие с заданной скважностью на вход ключевого элемента 10, обеспечивая периодическое его замыкание. В момент замыкания ключевого элемента 10 выход устройства оказывается шунтирован датчиком тока 8, а АБ или ХЭ при этом разряжается через ключевой элемент 10. Следовательно датчик тока 8, компаратор 7 и ключевой элемент 10 обеспечивают формирование асимметричного тока. Кроме того, при увеличении тока нагрузки увеличивается потребляемый ток от источника переменного тока 1 приводящий к увеличению падения напряжения на втором конденсаторе 3 и следовательно к уменьшению напряжения на входе высокочастотного инвертора 6. Уменьшение напряжения на входе инвертора 6 влечет за собой уменьшение напряжения на его выходе и соответственно уменьшает зарядный ток или ток регенерации. Таким образом обеспечивается стабилизация зарядного тока, чему еще в большей степени способствует выбранный согласно выражению 1 коэффициент трансформации выходного трансформатора высокочастотного инвертора.

Задание коэффициента трансформации трансформатора инвертора согласно выражению 1 и соединение источника питания переменного тока через второй конденсатор со входом второго выпрямителя обеспечивает режим стабилизации тока заряда АБ или тока регенерации ХЭ так же при росте ЭДС по мере их заряда.

Литература
1. В. В. Романов, Ю.М.Хашев. Химические источники тока. М. "Сов.радио". 1973 г. 262 стр.

2. Авторское свидетельство СССР N 653681, кл. H 02 J 7/10. Опубликовано 25.03.79. Бюллетень N 11.

3. В. С. Моин, Н.Н.Лаптев. Стабилизированные транзисторные преобразователи. "Энергия". М. 1972 г. 511 стр.

Устройство для регенерации химических элементов и заряда аккумуляторных батарей стабилизированным асимметричным током, содержащее источник питания переменного тока, отличающееся тем, что дополнительно содержит два выпрямителя, высокочастотный инвертор с трансформаторным выходом, компаратор, датчик тока, ограничитель напряжения, ключевой элемент, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, подключенный входом к выводам датчика тока, включенного последовательно между первой общей точкой соединения первого вывода по постоянному току первого выпрямителя, первого вывода ограничителя напряжения и второй общей точкой первого вывода ключевого элемента и первой выходной клеммой устройства, вторые выводы ограничителя напряжения, ключевого элемента, вторая выходная клемма устройства, второй ввод по постоянному току первого выпрямителя соединены вместе, выводы по переменному току первого выпрямителя подключены к трансформаторному выходу высокочастотного инвертора, а его вход подключен к выводам первого конденсатора и выводам по постоянному току второго выпрямителя, тогда как его первый вывод по переменному току соединен через второй конденсатор с первым выводом источника питания переменного тока, а второй вывод по переменному току второго выпрямителя соединен непосредственно с вторым выводом источника питания переменного тока. 1 ил.

Устройство для регенерации химических элементов и заряда аккумуляторных батарей стабилизированным асимметричным током, содержащее источник питания переменного тока, отличающееся тем, что дополнительно содержит два выпрямителя, высокочастотный инвертор с трансформаторным выходом, компаратор, датчик тока, ограничитель напряжения, ключевой элемент, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, подключенный входом к выводам датчика тока, включенного последовательно между первой общей точкой соединения первого вывода по постоянному току первого выпрямителя, первого вывода ограничителя напряжения и второй общей точкой первого вывода ключевого элемента и первой выходной клеммой устройства, вторые выводы ограничителя напряжения, ключевого элемента, вторая выходная клемма устройства, второй вывод по постоянному току первого выпрямителя соединены вместе, выводы по переменному току первого выпрямителя подключены к трансформаторному выходу высокочастотного инвертора, а его вход подключен к выводам первого конденсатора и выводам по постоянному току второго выпрямителя, тогда как его первый вывод по переменному току соединен через второй конденсатор с первым выводом источника питания переменного тока, а второй вывод по переменному току второго выпрямителя соединен непосредственно с вторым выводом источника питания переменного тока, причем коэффициент трансформации К_т высокочастотного инвертора с трансформаторным выходом определяется выражением
K_т= Uвхи

(((n•R_вн+R_дт)•I_з+n•E)•K_д),
где Ud[и напряжение на входе инвертора;
n количество аккумуляторов или регенерируемых элементов, соединенных последовательно;
R_в н, Е соответственно внутреннее сопротивление и ЭДС одного химического элемента или заряжаемого аккумулятора;
I_з номинальный ток заряда или регенерации;
К_д дополнительный коэффициент, находится в диапазоне 1,2 1,3;
R_дт сопротивление датчика тока.