АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2000 года по МПК H02J7/02 

Изобретение относится к области электротехники, конкретно к устройствам для заряда герметичных и негерметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, используемых в качестве источников питания шахтных головных светильников, гидроакустической аппаратуры подводных лодок и надводных кораблей, аппаратуры войсковой тактической связи, аппаратуры космических объектов и других устройств.

Известно [1] автоматизированное зарядное устройство для заряда аккумуляторных батарей, содержащее источник регулируемого зарядного тока и схему измерения, которая через равные промежутки времени осуществляет измерение напряжения батареи. Схема измерения содержит аналого-цифровой преобразователь, цифровой выход которого индицирует напряжение батареи, усредненное за определенный интервал времени, а также компаратор, осуществляющий сравнение последовательных средних значений напряжения батареи. Схема измерения вырабатывает сигнал, поступающий на устройство, которое отключает источник зарядного тока от батареи. Недостатком данного устройства является то, что оно работает по жесткой программе, контроль заряженности батареи по напряжению является грубым, а время заряда батареи большими токами, осуществляемое в начальной стадии заряда, не контролируется.

Известно также автоматизированное зарядное устройство [2] для заряда аккумуляторных батарей, состоящее из цепи формирования опорного напряжения и реального напряжения на аккумуляторной батарее в процессе ее заряда и чувствительного элемента, управляющего компаратором, который разрывает цепь заряда, когда напряжение на аккумуляторной батареи достигает величины опорного напряжения. Этому устройству присущи те же недостатки, что и устройству, описанному в [1].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является автоматизированное зарядное устройство [3], содержащее источник постоянных нестабилизированных напряжений (токов), источник постоянных стабилизированных напряжений, нагрузку, устройство сравнения напряжений, контрольный шунт (датчик тока), формирователь опорного напряжения (источник опорного напряжения), блок памяти, блок записи и считывания сигналов, блок коммутации, сигнальное устройство, преобразователь "напряжение - частота", реверсивный двоичный счетчик-дешифратор с предварительной записью информации по сигналу строб-импульса, счетчик-делитель, датчик емкости аккумуляторной батареи, переключатель режима заряда, переключатель "Конец заряда", формирователь строб-импульса считывания сигналов из памяти, широтно-импульсный модулятор, блок подстройки коэффициента преобразования, блок обнуления, формирователь строб-импульса записи сигналов в память, ключ питающего напряжения, тумблер ручного управления, кабель и выводы для подключения к положительной и отрицательной клеммам заряжаемой аккумуляторной батареи. Между контрольным шунтом, соединяющим аккумуляторную батарею с блоком коммутации, и устройством сравнения напряжений включены последовательно соединенные преобразователь "напряжение-частота", счетчик-делитель и реверсивный двоичный счетчик-дешифратор. Один выход устройства сравнения напряжений через переключатель "Конец заряда" соединен с ключом питающего напряжения, его второй выход через переключатель режима заряда - с формирователем опорного напряжения, а его третий выход - с сигнальным устройством. Блок памяти соединен с блоком записи и считывания сигналов. Выход счетчика-делителя через формирователь строб-импульса записи подключен к блоку записи и считывания сигналов, тумблер ручного управления - к блоку коммутации, ключ питающего напряжения через формирователь строб-импульса считывания - к блоку считывания сигналов, 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 его третий вход - к контрольному шунту, выход широтно-импульсного модулятора подключен к источнику постоянного нестабилизированного напряжения с управляемым ключом, один из входов устройства сравнения напряжений - к датчику емкости аккумуляторной батареи, вход и выход реверсивного двоичного счетчика-дешифратора по цепям записи и считывания сигналов соединены с соответствующими входом и выходом блока записи и считывания сигналов, ключ питающих напряжений через источник постоянных нестабилизированных напряжений и управляемый ключ соединен переходным жгутом с входом блока коммутации, вход источника постоянных стабилизированных напряжений - с одним из выходов источника постоянных нестабилизированных напряжений. Устройство-прототип рассчитано на заряд аккумуляторных батарей в две ступени; первая 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 номинальной емкости аккумуляторной батареи, отнесенной к одному часу).

Недостатками устройства-прототипа являются, во-первых, то, что оно может производить заряд аккумуляторных батарей только по одному алгоритму, что приводит к уменьшению номенклатуры заряжаемых аккумуляторных батарей, во-вторых, из-за отсутствия возможности автоматического проведения цикла заряд-разряд аккумуляторных батарей процесс эксплуатации устройства не оптимален, что приводит к сокращению срока службы заряжаемых герметичных аккумуляторных батарей.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, - расширение номенклатуры заряжаемых аккумуляторных батарей и увеличение их срока службы за счет создания оптимальных режимов заряда-разряда.

Это достигается тем, что в автоматизированное зарядное устройство, содержащее источник постоянных нестабилизированных напряжений, источник постоянных стабилизированных напряжений, вход которого соединен с первым выходом источника постоянных нестабилизированных напряжений, нагрузку, устройство сравнения напряжений, датчик тока, источник опорного напряжения, блок памяти, блок записи и считывания сигналов, сигнальное устройство и выводы для подключения к положительной и отрицательной клеммам заряжаемой аккумуляторной батареи, дополнительно введены арифметико-логическое устройство для обработки цифровых кодов, поступающих на его входы, широтно-импульсный модулятор заряда, широтно-импульсный модулятор разряда, блок управления широтно-импульсными модуляторами, аналоговый коммутатор, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, таймер, блок индикации и блок выбора типа аккумуляторной батареи для определения программы, по которой осуществляется режим заряда-разряда для данного типа аккумуляторных батарей, а выходы арифметико-логического устройства - с входами таймера, блока памяти, блока управления широтно-импульсными модуляторами, оперативного запоминающего устройства, блока записи и считывания сигналов, блока индикации, сигнального устройства, первым входом цифроаналогового преобразователя и первым входом аналогового коммутатора, первый и второй выходы блока управления широтно-импульсными модуляторами соединены соответственно с первым входом широтно-импульсного модулятора заряда и первым входом широтно-импульсного модулятора разряда, второй выход источника нестабилизированного напряжения соединен со вторым входом широтно-импульсного модулятора заряда, выход устройства сравнения напряжений - с третьими входами широтно-импульсных модуляторов заряда и разряда, вывод для подключения к положительной клемме аккумуляторной батареи - со вторым входом аналогового коммутатора, вторым входом широтно-импульсного модулятора разряда и выходом широтно-импульсного модулятора заряда, выход широтно-импульсного модулятора разряда - с нагрузкой, вывод для подключения к отрицательной клемме аккумуляторной батареи - с датчиком тока, третьим входом аналогового коммутатора и первым входом устройства сравнения напряжений, выход аналогового коммутатора - с входом аналого-цифрового преобразователя, источник опорного напряжения - со вторым входом цифроаналогового преобразователя, выход цифроаналогового преобразователя - со вторым входом устройства сравнения напряжений.

На чертеже представлена блок-схема автоматизированного зарядного устройства, на котором обозначены: 1 - Источник постоянных нестабилизированных напряжений; 2 - Источник постоянных стабилизированных напряжений; 3 - Нагрузка; 4 - Устройство сравнения напряжений; 5 - Датчик тока; 6 - Источник опорного напряжения; 7 - Блок памяти; 8 - Блок записи и считывания сигналов; 9 - Сигнальное устройство; 10 - Вывод для подключения к положительной клемме заряжаемой аккумуляторной батареи; 11 - Вывод для подключения к отрицательной клемме заряжаемой аккумуляторной батареи; 12 - Арифметико-логическое устройство (АЛУ); 13 - Широтно-импульсный модулятор заряда (ШИМЗ); 14 - Широтно-импульсный модулятор разряда (ШИМР); 15 - Блок управления ШИМами; 16 - Аналоговый коммутатор; 17 - Аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 18 - Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); 19 - Таймер; 20 - Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 21 - Блок выбора типа аккумуляторных батарей; 22 - Блок индикации; 23 - Аккумуляторная батарея (АБ).

Предлагаемое устройство предназначено для заряда различных АБ, в частности, перечисленных в таблице.

Устройство может работать в одном из трех режимов: первый режим - заряд постоянным стабилизированным током; второй режим - заряд с плавным изменением величины тока заряда в зависимости от напряжения на АБ и третий режим - разряд постоянным стабилизированным током.

Автоматизированное зарядное устройство работает следующим образом. После подключения АБ 23 к выводам 10 и 11 определяется программа, по которой будет осуществляться режим заряда-разряда для данного типа АБ. Это осуществляется оператором с помощью блока 21 выбора типа АБ. Далее оператор проводит тестирование подключенной к выводам 10 и 11 батареи на степень ее разряженности. Для этого производится измерение напряжения на выводе 10 зарядного устройства. В процессе этого измерения сигнал с аналогового коммутатора 16 поступает на вход АЦП 17, где преобразуется в цифровой код и затем обрабатывается АЛУ 12. Полученное значение напряжения сравнивается с заложенным в блок памяти 7 значением допустимого остаточного напряжения для данного типа АБ. Если напряжение на АБ меньше 3,7 В для герметичных АБ и 3,9 В - для негерметичных, то батарея считается разряженной и производится ее заряд. В противном случае производится разряд батареи до значения напряжения 3 либо 3,3 В (в зависимости от типа АБ). Токи заряда и разряда устанавливаются автоматически для каждого типа АБ. Все значения контролируемых параметров (токи заряда-разряда и напряжения заряда-разряда) хранятся в блоке памяти 7.

Работа устройства в режиме разряда происходит следующим образом. С АЛУ 12 на вход блока управления ШИМами 15 подается управляющий сигнал. При этом сигнал со второго выхода блока 15 поступает на первый вход ШИМР 14 и разрешает работу системы в режиме разряда. Значение тока разряда задается ЦАПом 18. При этом на втором входе устройства сравнения напряжений 4 устанавливается опорное напряжение, пропорциональное току разряда. Текущее значение тока разряда АБ, преобразованное в значение напряжения, снимается с датчика 5. Падение напряжения величиной 0,1 В на датчике тока 5 соответствует 1 А тока разряда. Напряжение с датчика тока 5 поступает на первый вход устройства сравнения напряжений 4, где сравнивается с опорным напряжением. Если напряжение на втором входе превышает напряжение, снимаемое с датчика тока 5, то на выходе устройства сравнения напряжений 4 вырабатывается напряжение, соответствующее уровню логической единицы, которое, поступая на ШИМР 14, включает АБ 23 на разряд через нагрузку 3. Как только напряжение, снимаемое с датчика тока 5 (на первом входе устройства 4), превысит опорное, на выходе устройства 4 появляется напряжение, соответствующее уровню логического нуля. В этом случае ШИМР 14 прекращает разряд АБ. При снижении напряжения на батарее устройство сравнения напряжений 4 вновь включает схему разряда. В процессе разряда поддерживается постоянный ток разряда и происходит непрерывный контроль напряжения на АБ. В момент времени, когда напряжение на АБ достигает необходимого минимального уровня, происходит перевод системы из режима разряда в режим заряда путем инверсии сигнала, поступающего на входы ШИМР 14 и ШИМЗ 13 с устройства управления ШИМами 15.

Работа устройства в режиме заряда происходит следующим образом. Значение тока заряда задается ЦАПом 18. При этом на втором входе устройства сравнения напряжений 4 устанавливается опорное напряжение, пропорциональное току заряда. Величина тока заряда изменяется автоматически через заданные промежутки времени. Текущее значение тока заряда, преобразованное в значение напряжения, снимается с датчика тока 5. Это напряжение поступает на первый вход устройства сравнения напряжений 4, где сравнивается с опорным напряжением. Если напряжение на втором входе превышает напряжение, снимаемое с датчика тока 5, то на выходе устройства сравнения напряжений 4 появляется напряжение, соответствующее уровню логической единицы, которое, поступая на ШИМЗ 13, включает схему заряда АБ. Как только напряжение, снимаемое с датчика тока 5, превышает опорное, на выходе устройства сравнения напряжений 4 появляется напряжение, соответствующее уровню логического нуля. Этим уровнем напряжения ШИМЗ 13 прекращает заряд АБ. При снижении напряжения на АБ устройство сравнения напряжений 4 вновь включает схему заряда АБ. В процессе заряда АБ поддерживается постоянный ток заряда и происходит непрерывный контроль времени заряда и напряжения на АБ. Если какой-либо из этих параметров во время процесса заряда выходит за рамки допустимых значений, то заряд АБ прекращается. Включается светодиод рядом с надписью "АБ неисправна" сигнального устройства 9, и система переходит в режим ожидания. Время заряда контролируется по таймеру 19, опрос которого осуществляется АЛУ 12. Контроль окончания заряда осуществляется по значению напряжению на АБ и времени заряда. Если через заданное время напряжение на батарее не выходит за рамки допустимых значений, происходит отключение заряда и включается светодиод рядом с надписью "Заряд окончен" сигнального устройства 9. Если же АБ не зарядилась за определенное время до положенного уровня напряжения (до 4,3 - 4,8 В в зависимости от типа АБ), то выдается сигнал "АБ неисправна", и процесс заряда прекращается. Для принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации либо отбраковки данной батареи необходимо провести диагностику состояния АБ путем проведения нескольких циклов разряда-заряда с постоянным визуальным контролем параметров АБ через подключаемый блок индикации 22.

Устройство позволяет оперативно изменять параметры заряда-разряда для различных типов АБ путем записи необходимых значений напряжения, тока и времени заряда в ОЗУ 20.

Параметры заряда-разряда основных никель-кадмиевых АБ могут быть взяты из таблице в конце описания.

Увеличение срока службы АБ при использовании заявленного зарядного автоматизированного устройства по отношению к устройству-прототипу достигается за счет проведения одного или нескольких циклов заряда-разряда (тренировки) АБ с постоянным контролем тока заряда-разряда, напряжения на АБ и времени заряда-разряда.

Источники информации:
1. Патент США N 4418310, кл. H 02 J 7/04,1983.

2. Заявка Франции N 2009437, кл. H 02 J 7/02, 1970.

3. Патент России N 2061963, кл. H 01 М 10/48, 1996 г. - прототип.

Изобретение относится к области электротехники, конкретно к устройствам для заряда герметичных и негерметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. Изобретение направлено на расширение номенклатуры заряжаемых батарей и увеличение их срока службы за счет создания оптимальных режимов заряда-разряда. Сущность изобретения: устройство производит тестирование заряжаемой батареи на остаточную емкость с последующим разрядом (если это необходимо) и заряд по одному из двух заложенных в память режимов: заряд постоянным стабилизированным током или заряд с плавным изменением величины тока, с контролем времени заряда и напряжения на аккумуляторной батарее. Устройство позволяет оперативно для различных типов батарей изменять параметры заряда-разряда и устанавливать их оптимальные режимы путем записи в память необходимых значений напряжения, тока и времени заряда-разряда, что является техническим результатом. 1 ил., 1 табл.

Автоматизированное зарядное устройство, содержащее источник постоянных нестабилизированных напряжений, источник постоянных стабилизированных напряжений, вход которого соединен с первым выходом источника постоянных нестабилизированных напряжений, нагрузку, устройство сравнения напряжений, датчик тока, источник опорного напряжения, блок памяти, блок записи и считывания сигналов, сигнальное устройство и выводы для подключения к положительной и отрицательной клеммам заряжаемой аккумуляторной батареи, отличающееся тем, что в него дополнительно введены арифметико-логическое устройство для обработки цифровых кодов, поступающих на его входы широтно-импульсный модулятор заряда, широтно-импульсный модулятор разряда, блок управления широтно-импульсными модуляторами, аналоговый коммутатор, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, таймер, блок индикации и блок выбора типа аккумуляторной батареи для определения программы, по которой осуществляется режим заряда-разряда для данного типа аккумуляторных батарей, при этом входы арифметико-логического устройства соединены с выходами таймера, блока памяти, оперативного запоминающего устройства, блока записи и считывания сигналов, аналого-цифрового преобразователя, блока индикации и блока выбора типа аккумуляторной батареи, а выходы арифметико-логического устройства - с входами таймера, блока памяти, блока управления широтно-импульсными модуляторами, оперативного запоминающего устройства, блока записи и считывания сигналов, блока индикации, сигнального устройства, первым входом цифроаналогового преобразователя и первым входом аналогового коммутатора, первый и второй выходы блока управления широтно-импульсными модуляторами соединены соответственно с первым входом широтно-импульсного модулятора заряда и первым входом широтно-импульсного модулятора разряда, второй выход источника нестабилизированного напряжения соединен с вторым входом широтно-импульсного модулятора заряда, выход устройства сравнения напряжений - с третьими входами широтно-импульсных модуляторов заряда и разряда, вывод для подключения к положительной клемме аккумуляторной батареи - с вторым входом аналогового коммутатора, вторым входом широтно-импульсного модулятора разряда и выходом широтно-импульсного модулятора заряда, выход широтно-импульсного модулятора разряда - с нагрузкой, вывод для подключения к отрицательной клемме аккумуляторной батареи - с датчиком тока, третьим входом аналогового коммутатора и первым входом устройства сравнения напряжений, выход аналогового коммутатора - с входом аналого-цифрового преобразователя, источник опорного напряжения - с вторым входом цифроаналогового преобразователя, выход цифроаналогового преобразователя - с вторым входом устройства сравнения напряжений.