ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2001 года по МПК H02J7/10 

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к системам электропитания (СЭП) автономных объектов, использующих в качестве накопителей энергии аккумуляторные батареи.

Для построения СЭП со стабилизированной шиной электропитания автономных объектов с использованием аккумуляторной батареи, конечное разрядное напряжение которой выше, чем напряжение шины, с целью обеспечения высоких значений КПД и снижения габаритов и массы, зарядно-разрядное устройство целесообразно выполнять с использованием однотактных схем непосредственного преобразования энергии с промежуточным накоплением энергии в дросселе.

При эксплуатации аккумуляторной батареи для увеличения срока ее службы необходимо периодически проводить восстановительные циклы заряда-разряда, в том числе разряд до нулевого значения напряжения батареи. В этом случае батарея отключается от шин и ее разряд осуществляется поэлементно на индивидуальную активную нагрузку для каждого элемента батареи. Для отключения батареи от шин на время разряда до нуля и проведения последующего заряда батареи до рабочего уровня напряжения необходимо введение в схему дополнительного устройства.

Наиболее близким к заявляемому зарядно-разрядному устройству является устройство (1), содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй транзисторы, первый и второй диоды, при этом сток первого транзистора и катод первого диода подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, исток первого транзистора и анод первого диода соединены с первым выводом дросселя, стоком второго транзистора и катодом второго диода, исток второго транзистора и анод первого диода подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы.

Однако такое зарядно-разрядное устройство предназначено для работы в системе, где напряжение аккумуляторной батареи должно быть всегда ниже напряжения шины.

Задачей, на решение которой направлено создание заявленного изобретения, является расширение функциональных возможностей зарядно-разрядного устройства для обеспечения работы аккумуляторной батареи, конечное разрядное напряжение которой выше, чем напряжение шины, проведения восстановительных циклов, включающих глубокий поэлементный разряд отключенной от шин батареи на индивидуальную активную нагрузку и повышение КПД.

Задача решается тем, что зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй транзисторы, первый и второй диоды, при этом сток первого транзистора и катод первого диода подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, исток первого транзистора и анод первого диода соединены с первым выводом дросселя, стоком второго транзистора и катодом второго диода, исток второго транзистора и анод первого диода подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, выполнено на МДП-транзисторах, при этом в устройство введены дополнительные транзистор и диод, исток и катод которых подключены ко второму выводу дросселя, сток дополнительного транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора фильтра, а анод дополнительного диода подключен к общему проводу схемы, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения источника питания и нагрузки.

На фиг. 1 представлена схема зарядно-разрядного устройства, на фиг. 2 - эпюры напряжений на затворах транзисторов в различных режимах работы.

Устройство содержит три однотактных непосредственных преобразователя, работающих попеременно и использующих общий дроссель - два зарядных, один из которых, повышающий, предназначен для заряда батареи при U_АБ > U_нагр, другой, понижающий, используется для отключения батареи от шин при проведении глубокого разряда батареи и для последующего ее заряда "с нуля" при напряжении U_АБ < U_нагр и разрядный, и состоит из первого конденсатора фильтра 1, транзистора разрядного преобразователя 2, транзистора 3 и диода 4 зарядного повышающего преобразователя, диода 5 разрядного преобразователя, дросселя 6, диода 7 и транзистора 8 зарядного понижающего преобразователя, второго конденсатора фильтра 9. Устройство содержит соединенные с выводами первого конденсатора фильтра клеммы 10, 11 для подключения аккумуляторной батареи 14 и клеммы 12, 13, соединенные с выводами второго конденсатора фильтра, для подключения нагрузки 15 и источника постоянного напряжения 16.

Устройство работает следующим образом.

Силовые транзисторы 2, 3 преобразователей работают в режиме ШИМ с коэффициентом заполнения импульсов не более 0,5 соответственно в режимах разряда и заряда при U_АБ > U_нагр или находятся в закрытом состоянии в зависимости от режимов работы системы.

Транзистор 2, диод 5, дроссель 6 образуют понижающий ШИМ-преобразователь, обеспечивающий разряд батареи на нагрузку с одновременной стабилизацией выходного напряжения. При этом транзистор 3 постоянно закрыт, во время открытого состояния транзистора 2 происходит накопление энергии в дросселе 6 - ток разряда батареи протекает через открытый транзистор 2, дроссель 6 в нагрузку 15, и последующая ее отдача во время закрытого состояния транзистора 2 в нагрузку 15 по цепи: диод 5, дроссель 6.

Транзистор 3, диод 6, дроссель 6 образуют повышающий ШИМ-преобразователь, позволяющий заряжать батарею при U_АБ > U_нагр. При этом транзистор 2 постоянно закрыт, во время открытого состояния транзистора 3 происходит накопление энергии в дросселе 6 и последующая ее отдача в аккумуляторную батарею во время закрытого состояния транзистора 3 по цепи: дроссель 6, диод 4.

В этих режимах работы транзистор 8 полностью открыт, обеспечивая протекание тока батареи в обоих направлениях.

При проведении восстановительного цикла батарея разряжается посредством разрядного преобразователя до конечного разрядного напряжения, затем транзисторы 2, 3, 8 закрываются, тем самым обеспечивая отключение батареи от шин и к элементам батареи подключаются индивидуальные разрядные резисторы (на схеме не показаны) для разряда батареи до нулевого напряжения. После этого одновременно включаются в работу транзисторы 2, 8, при этом транзистор 8 работает в режиме ШИМ, обеспечивая заряд батареи, а транзистор 2 открывается на все время работы понижающего зарядного преобразователя, образованного элементами: транзистор 8, диод 7, дроссель 6, шунтируя своим переходом сток-исток диод 4 и обеспечивая тем самым меньшие потери при протекании тока заряда батареи.

Во время открытого состояния транзистора 8 ток заряда батареи протекает через дроссель 6, открытый транзистор 2 и происходит накопление энергии в дросселе, затем, во время закрытого состояния транзистора 8, ток заряда протекает в батарею через диод 7, дроссель 6 и открытый транзистор 2. После достижения значения напряжения U_АБ = U_нагр происходит переключение режимов зарядных преобразователей: в режиме ШИМ начинает работать транзистор 3, транзистор 2 закрывается, а транзистор 8 переходит в проводящее состояние.

Применение непосредственных преобразователей с накоплением энергии в дросселе и МДП-транзисторов позволяет увеличить КПД и снизить габариты и массу устройства по сравнению с трансформаторными схемами как полного, так и частичного преобразования энергии за счет меньшего числа ключевых элементов и отсутствия выпрямителей, более высоких динамических характеристик МДП-транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами и диодами, а также низких значений сопротивления канала сток-исток открытого МДП-транзистора, что обуславливает низкие статические потери в широком диапазоне выходных токов преобразователя.

В настоящее время на предприятии ООО "Космос-ЭНВО" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность, надежность КПД.

Список литературы
1. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пеp. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 202-210.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электропитания (СЭП) автономных объектов, использующих в качестве накопителей энергии аккумуляторные батареи. Зарядно-разрядное устройство содержит первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй транзисторы и диоды, сток и катод первых из которых подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, их исток и анод соединены с первым выводом дросселя и стоком и катодом вторых транзистора и диода, исток и анод которых подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, выполнено на МДП-транзисторах, при этом в устройство введены дополнительные транзистор и диод, исток и катод которых подключены ко второму выводу дросселя, сток дополнительного транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора фильтра, а анод дополнительного диода подключен к общему проводу схемы, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения источника питания и нагрузки. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 2 ил.

Зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй транзисторы, первый и второй диоды, при этом сток первого транзистора и катод первого диода подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, исток первого транзистора и анод первого диода соединены с первым выводом дросселя, стоком второго транзистора и катодом второго диода, исток второго транзистора и анод первого диода подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, отличающееся тем, что оно выполнено на МДП-транзисторах, при этом устройство содержит дополнительные транзистор и диод, исток и катод которых подключены ко второму выводу дросселя, сток дополнительного транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора фильтра, а анод дополнительного диода подключен к общему проводу схемы, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения источника питания и нагрузки.