УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ N ГАЛЬВАНИЧЕСКИ СВЯЗАННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ Российский патент 2003 года по МПК G01R19/30 G01R15/12 

Изобретение относится к электротехнике, к системам автоматического поэлементного контроля напряжения химических источников тока.

Известно устройство [1], содержащее аккумуляторную батарею, состоящую из аккумуляторов, разбитых на n групп, каждая из которых соединена со своим измерителем, состоящим из коммутатора и дифференциального усилителя и имеющим свой автономный источник питания, общая точка которого соединена с общей точкой соответствующей группы аккумуляторов, схему сравнения, к одному из входов которой подключен источник опорного напряжения, распределитель, блок гальванической развязки, дополнительный коммутатор и N-1 каскадов дифференциальных усилителей, первый дифференциальный усилитель в каскаде, входы которого связаны с выходом и общей точкой N-го измерителя, соединен с источником питания (N-1)-гo измерителя, у каждого последующего дифференциального усилителя вход соединен с выходом и общей точкой предыдущего дифференциального усилителя, а клеммы питания связаны с последующими источниками питания, выходы всех каскадов дифференциальных усилителей и выход первого измерителя соединены со входами дополнительного коммутатора, выход коммутатора соединен со вторым входом схемы сравнения, выход которой соединен с распределителем, выходы старших разрядов которого соединены с адресными входами дополнительного коммутатора, а младшие разряды распределителя через блок гальванической развязки соединены с адресными входами коммутаторов измерителей.

К недостаткам известного устройства [1] для автоматического контроля n гальванически связанных аккумуляторов можно отнести следующее.

Известно, что в прототипе выходное напряжение дифференциального усилителя измерителя, относительно общей минусовой шины аккумуляторной батареи (АБ), описывается выражением

где К - коэффициент усиления дифференциального усилителя i-го измерителя;
U_i - напряжение измеряемого аккумулятора в i-й группе;
U_бi - суммарное напряжение одной группы батареи.

При этом подавление составляющей производится каскадами
дифференциальных усилителей, причем число усилителей в каскаде определяется числом слагаемых в сумме
т.е. для измерения аккумуляторов в группе N, нужен каскад из N-1 дифференциальных усилителей, для группы (N-1)-й - каскад из N-2 дифференциальных усилителей и т.д.

Таким образом, при количестве групп, равном N, необходимо иметь N-1 каскадов с дифференциальными усилителями, а для подключения их выходов к схеме сравнения необходим дополнительный коммутатор, что приводит к увеличению габаритов и снижению надежности устройства в целом.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого технического решения, является упрощение схемы и повышение надежности.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для автоматического контроля аккумуляторной батареи, которая разбита на группы с n гальванически связанными аккумуляторами каждая, содержащем N измерителей, предназначенных для подключения к соответствующей группе аккумуляторов и состоящих из коммутатора с n аналоговыми входами в каждом из каналов коммутатора и дифференциального усилителя измерителя, при этом выходы первого и второго каналов коммутатора соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами дифференциального усилителя, каждый измеритель имеет свой автономный источник питания, общая точка которого предназначена для соединения с общей точкой соответствующей группы аккумуляторов, устройство также содержит распределитель, блок гальванической развязки, схему сравнения и источник опорного напряжения, который соединен с одним из входов схемы сравнения, выход которой соединен со входом распределителя, а общая минусовая шина для подключения n гальванически связанных аккумуляторов соединена с общей точкой схемы сравнения, выход и общая точка питания каждого предыдущего измерителя с более высоким порядковым номером относительно минусовой шины аккумуляторной батареи соединены с первыми аналоговыми входами соответственно первого и второго каналов коммутаторов следующего за ним измерителя с более низким порядковым номером, а выход и общая точка первого измерителя соединены соответственно со вторым входом схемы сравнения и общей минусовой шиной, предназначенной для подключения к аккумуляторной батарее, при этом остальные аналоговые входы первого и второго каналов коммутатора в каждом измерителе подключены соответственно к плюсовым и минусовым выводам соответствующих аккумуляторов в группе, а старшие и младшие разряды распределителя соединены со входами вновь введенного блока управления коммутаторами, при этом адресные входы коммутатора первого измерителя непосредственно соединены с выходами указанного блока управления коммутаторами, а его другие выходы соединены с адресными входами остальных коммутаторов через блок гальванической развязки, причем блок управления в течение одного цикла управляет последовательным переключением измерителей из режима вычитания в режим измерения напряжения аккумуляторов с помощью старших разрядов распределителя и разрешает младшим разрядам распределителя управлять адресными входами того коммутатора, который устанавливается в режим измерения, в режиме вычитания блок управления обеспечивает вычитание суммарного напряжения соответствующей группы аккумуляторов из выходного напряжения измерителя предыдущей группы аккумуляторов с более высоким порядковым номером.

Предлагаемое построение устройства позволяет исключить дополнительный коммутатор, а также N-1 каскадов дифференциальных усилителей, функции которых выполняют непосредственно дифференциальные усилители измерителей в каждой группе аккумуляторов с помощью своих коммутаторов.

Таким образом, когда один из измерителей с более высоким порядковым номером относительно минусовой шины АБ, работает в режиме измерения аккумуляторов, то коммутаторы остальных групп включают свои дифференциальные усилители так, чтобы из выходного напряжения измерителя аккумуляторов вычиталось суммарное напряжение групп АБ с меньшими порядковыми номерами, а напряжение измеренного аккумулятора, уже как разность этих напряжений по отношению к минусовой шине АБ, поступает непосредственно на вход схемы сравнения.

На чертеже представлена схема устройства для автоматического контроля n гальванически связанных аккумуляторов.

Устройство содержит аккумуляторную батарею АБ 1, состоящую из аккумуляторов, разбитых на N групп, каждая из которых соединена с соответствующим измерителем 2₁...2_N, состоящим из коммутатора 3 и дифференциального усилителя 4. Каждое измерительное устройство имеет свой источник питания 9 (9₁... 9_N), общая точка которого соединена с общей точкой группы, при этом выход и общая точка предыдущих измерителей подключены к входам первых ключей коммутаторов последующих измерителей, а выходы измерителя 2₁ и источника опорного напряжения 6 соединены с соответствующими входами схемы сравнения 5.

Выход схемы сравнения 5 соединен со входом распределителя 7, младшие и старшие разряды которого поступают в блок управления 8 коммутаторами, который в измерителе 2₁ и через блок гальванической развязки 10 в измерителях 2₂. ..2_N устанавливает на адресных входах коммутаторов 3 соответствующие адреса, обеспечивающие режим автоматического поэлементного контроля в группах АБ.

Устройство работает следующим образом.

Батарея разбита на группы таким образом, что выбранное число аккумуляторов в группе создает суммарное напряжение на каждой группе U_бi(i=1,...,N), не превышающее предельное синфазное напряжение для дифференциального усилителя измерительного устройства, а также предельно допустимое напряжение коммутации для ключей, входящих в состав коммутатора измерителя. Каждый измеритель имеет свой источник питания 9, общая точка которого соединена с общей точкой группы.

Опрос и измерение напряжений аккумуляторов в группах происходит последовательно, начиная с группы с максимальным порядковым номером относительно минусовой шины АБ, т.е. с группы 1_N, и заканчивается группой 1₁, поcле чего циклы повторяются, непрерывно следуя друг за другом. При этом каждый измеритель в течение одного цикла работает в двух режимах:
- или в режиме опроса и измерения напряжения аккумуляторов в группе,
- или в режиме вычитания их суммарного напряжения в группе из выходного напряжения предыдущего измерителя.

При измерении напряжения аккумулятора в группе ключи коммутатора 3 подключают неинвертирующий вход дифференциального усилителя 4 к положительному выводу аккумулятора, а отрицательный вывод аккумулятора - к его инвертирующему входу.

Тогда напряжение на выходе измерительного устройства относительно минусовой шины АБ в общем виде описывается выражением

где К - коэффициент усиления дифференциального усилителя i-го измерителя;
U_i - напряжение измеряемого аккумулятора в i-й группе;
U_бi - суммарное напряжение одной группы батареи.

При этом если коэффициент усиления усилителей всех измерителей принять равным К= 1, тогда напряжение измеряемого аккумулятора в группе, из формулы (1), будет определяться выражением

Выражение (2) полностью описывает работу устройства.

При работе одного из измерителей, например 2_N-го, в режиме измерения напряжения аккумуляторов группы 1_N, на его выходе имеется напряжение, равное U_выхi относительно минусовой шины АБ, в соответствии с формулой (1).

Коммутаторы 3 остальных измерителей (c 2₁ пo 2_N-1) автоматически установят дифференциальные усилители 4 в режим вычитания составляющей в формуле (2) таким образом, что входы каждого дифференциального усилителя в измерителе с более низким порядковым номером через первые ключи своих коммутаторов подключаются к выходу и общей точке питания предыдущего измерителя с более высоким порядковым номером относительно минусовой шины АБ.

Напряжение аккумулятора в группе, которое передается с выхода измерителя 2_N через последовательно включенные по отношению к минусовой шине АБ измерители (с 2_N-1 по 2₁-й) будет представлять собой разность и будет равно U_i на входе схемы сравнения.

Последовательным переключением измерителей из режима вычитания в режим измерения управляет блок управления 8 коммутаторами с помощью старших разрядов распределителя 7 и разрешает младшим разрядам распределителя управлять адресными входами того коммутатора, который установлен в режим измерения напряжения аккумулятора в группе. При этом когда один измеритель с более высоким порядковым номером относительно минусовой шины АБ установлен в режим последовательного измерения аккумулятора в группе, на адресных входах коммутаторов 3 остальных измерителей с более низким порядковым номером блок управления 8 коммутаторами принудительно устанавливает нулевой адрес, т.е. через первые ключи указанных коммутаторов их дифференциальные усилители включаются в режим вычитания.

Если напряжение проверяемого аккумулятора находится в допустимом пределе, который определяется величиной напряжения источника 6 опорного напряжения, на вход распределителя 7 с выхода схемы сравнения 5 поступает разрешение на проверку следующего аккумулятора.

Если напряжение на каком-либо из аккумуляторов выходит за пределы допустимого значения, то по команде схемы сравнения 5 продолжается контроль только этого аккумулятора, а во внешние устройства по каналам связи поступает информация о наличии неисправного аккумулятора и о его номере с выхода схемы сравнения 5 и распределителя 7 соответственно.

Блок гальванической развязки 10 служит для развязки адресных входов коммутаторов 3₂,...,3_N и блока управления 8 коммутаторами и может быть выполнен на оптронах.

Использование предлагаемого устройства для поэлементного контроля аккумуляторной батареи, содержащей любое число гальванически связанных аккумуляторов, позволяет получить более высокие технико-экономические показатели за счет упрощения схемы и повышения надежности.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР 1432635, кл. Н 01 М 10/48, опубл. 17.03.87 г. (прототип).

Изобретение относится к электротехнике, к системам автоматического поэлементного контроля напряжения химических источников тока. В устройстве для автоматического контроля аккумуляторной батареи, которая разбита на группы с n гальванически связанными аккумуляторами каждая, содержащем N измерителей, предназначенных для подключения к соответствующей группе аккумуляторов и состоящих из коммутатора с n аналоговыми входами в каждом из каналов коммутатора и дифференциального усилителя измерителя, при этом выходы первого и второго каналов коммутатора соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами дифференциального усилителя, каждый измеритель имеет свой автономный источник питания, общая точка которого предназначена для соединения с общей точкой соответствующей группы аккумуляторов, устройство также содержит распределитель, блок гальванической развязки, схему сравнения и источник опорного напряжения, который соединен с одним из входов схемы сравнения, выход которой соединен со входом распределителя, а общая минусовая шина для подключения n гальванически связанных аккумуляторов соединена с общей точкой схемы сравнения; выход и общая точка питания каждого предыдущего измерителя с более высоким порядковым номером относительно минусовой шины аккумуляторной батареи соединены с первыми аналоговыми входами соответственно первого и второго каналов коммутаторов следующего за ним измерителя с более низким порядковым номером, а выход и общая точка первого измерителя соединены соответственно со вторым входом схемы сравнения и общей минусовой шиной, предназначенной для подключения к аккумуляторной батарее, при этом остальные аналоговые входы первого и второго каналов коммутатора в каждом измерителе подключены соответственно к полюсовым и минусовым выводам соответствующих аккумуляторов в группе, а старшие и младшие разряды распределителя соединены со входами вновь введенного блока управления коммутаторами, при этом адресные входы коммутатора первого измерителя непосредственно соединены с выходами указанного блока управления коммутаторами, а его другие выходы соединены с адресными входами остальных коммутаторов через блок гальванической развязки, причем блок управления в течение одного цикла управляет последовательным переключением измерителей в режиме вычитания в режим измерения напряжения аккумуляторов с помощью старших разрядов распределителя и разрешает младшим разрядам распределителя управлять адресными входами того коммутатора, который устанавливается в режим измерения, в режиме вычитания блок управления обеспечивает вычитание суммарного напряжения соответствующей группы аккумуляторов из выходного напряжения измерителя предыдущей группы аккумуляторов с более высоким порядковым номером. Технический результат - повышение надежности. 1 ил.

Устройство для автоматического контроля аккумуляторной батареи, которая разбита на группы с n гальванически связанными аккумуляторами последовательно включенных по отношению к минусовой шине каждая, содержащая N(с N по 1-й) измерителей, предназначенных для подключения к соответствующей группе аккумуляторов и состоящих из коммутатора, с n аналоговыми входами в каждом из каналов коммутатора, и дифференциального усилителя измерителя, при этом выходы первого и второго каналов коммутатора соединены, соответственно, с неинвертирующим и инвертирующим входами дифференциального усилителя, каждый измеритель имеет свой автономный источник питания, общая точка которого предназначена для соединения с общей точкой соответствующей группы аккумуляторов, устройство также содержит распределитель, блок гальванической развязки, схему сравнения и источник опорного напряжения, который соединен с одним из входов схемы сравнения, выход которой соединен со входом распределителя, а общая минусовая шина для подключения n гальванически связанных аккумуляторов соединена с общей точкой схемы сравнения, отличающееся тем, что выход и общая точка питания каждого предыдущего измерителя с более высоким порядковым номером, относительно минусовой шины аккумуляторной батареи, соединены с первыми аналоговыми входами, соответственно, первого и второго каналов коммутатора следующего за ним измерителя с более низким порядковым номером, а выход и общая сточка первого измерителя соединены, соответственно, со вторым входом схемы сравнения и общей минусовой шиной, предназначенной для подключения к аккумуляторной батарее, при этом остальные аналоговые входы первого и второго каналов коммутатора в каждом измерителе подключены, соответственно, к плюсовым и минусовым выводам соответствующих аккумуляторов в группе, а старшие и младшие разряды распределителя соединены со входами вновь введенного блока управления коммутаторами, при этом адресные входы коммутатора первого измерителя непосредственно соединены с выходами указанного блока управления коммутаторами, а другие выходы блока управления соединены с адресными входами остальных коммутаторов через блок гальванической развязки, причем блок управления в течение одного цикла управляет последовательным переключением измерителей из режима вычитания в режим измерения напряжения аккумуляторов с помощью старших разрядов распределителя и разрешает младшим разрядам распределителя управлять адресными входами того коммутатора, который устанавливается в режим измерения, в режиме вычитания блок управления обеспечивает вычитание суммарного напряжения соответствующей группы аккумуляторов из выходного напряжения измерителя предыдущей группы аккумуляторов с более высоким порядковым номером.