УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2003 года по МПК H02J7/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам преобразования электрической энергии переменного напряжения в постоянный ток для заряда аккумуляторов постоянного напряжения по определенным законам, оптимизирующим технико-эксплуатационные характеристики заряжаемых аккумуляторов.

Известны устройства для заряда аккумуляторных батарей, у которых величина тока заряда регулируется постоянным или переменным активным ограничивающим сопротивлением (Здрок А.Г. Выпрямительные устройства стабилизации напряжения и заряда аккумуляторов.- М.: Энергоатомиздат. 1998.-С.57, рис.37,а). Недостатком их является невысокая энергетическая эффективность, так как при значительных величинах тока заряда мощность, рассеиваемая ограничивающим сопротивлением, велика.

Известны также источники вторичного электропитания, мощность потерь у которых минимизирована за счет того, что в качестве ограничивающего сопротивления используется конденсатор переменного напряжения. Эти устройства могут быть использованы для заряда аккумуляторов (Курченкова Н.Б., Сергеев Б. С. Конденсаторные источники вторичного электропитания // Электричество.- 1999, 2.- С.47, рис.1,а). Недостатком подобных устройств является невозможность регулирования выходного напряжения и тока заряда аккумулятора.

Известны источники вторичного электропитания, у которых имеется возможность регулирования выходного напряжения за счет применения ключа, шунтирующего выход выпрямительного моста на определенных интервалах времени (пат. РФ 2138113. Источник вторичного электропитания / Н.Б. Курченкова, Б.С. Сергеев, опубл. 26, 1999). Эти источники электропитания предназначены для регулирования (стабилизации) выходного напряжения, в то время как для заряда аккумуляторов требуется регулировать (стабилизировать) выходной ток.

Наиболее близким по схемотехнике и сущности происходящих в схеме процессов является устройство для заряда аккумуляторов, в котором имеется схема управления, осуществляющая регулирование тока заряда путем подачи управляющих сигналов на тиристоры управляемого выпрямителя (Здрок А.Г. Выпрямительные устройства стабилизации выходного напряжения и заряда аккумуляторов.- М.: Энергоатомиздат. 1988.- С.76, рис.46).

Это устройство обладает следующими недостатками. Первый из них заключается в том, что амплитуда импульсов тока, протекающих через тиристоры в момент их включения, велика и определяется в основном паразитными сопротивлениями элементов, входящими в цепь тока заряда. Это определяет снижение надежности работы зарядного устройства и аккумуляторов. Вторым недостатком является сложность схемы управления, которая формирует импульсы тока для коммутации тиристоров.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей применения устройства для заряда аккумуляторов за счет повышения надежности его работы, упрощения и снижения стоимости.

Указанная цель достигается тем, что регулирование тока заряда аккумуляторов осуществляется путем изменения емкости конденсатора, включенного последовательно в цепь первичного переменного напряжения устройства. Изменение емкости осуществляется путем подключения различного числа-параллельно включенных между собой конденсаторов при помощи ключей. Требуемый закон переключения конденсаторов реализуется схемой управления, осуществляющей измерение напряжения на аккумуляторе и последующее преобразование полученного результата в код для соответствующего управления ключами. При этом амплитуда импульсов тока заряда аккумуляторов определяется величиной емкости этих конденсаторов и не зависит от других элементов устройства, например от внутреннего сопротивления аккумулятора.

На фиг.1 приведена схема устройства для заряда аккумуляторов, а на фиг.2 - временные диаграммы его работы.

Устройство содержит трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого подключена к сети переменного напряжения, а первый вывод вторичной обмотки 3 соединен с первым входом первого диодного моста 4. Второй вывод обмотки 3 подключен к первому выводу первого конденсатора 5 и к первым выводам вторых N конденсаторов 6.1,...6.N. Вторые выводы конденсаторов 6.1,...6.N соединены с первыми входами N диодных мостов 7.1,...7.N, вторые входы которых подключены ко второму входу первого диодного моста 4 и ко второму выводу первого конденсатора 5. Выходы вторых диодных мостов 7.1,...7.N соединены с силовыми электродами N ключей 8.1,... 8.N, управляющие электроды которых подключены к управляющим выходам схемы управления 9, соединенной управляющим входом с аккумулятором 10 и с выходами первого диодного моста 4. Количество параллельных цепей, состоящих из вторых конденсаторов 6, вторых диодных мостов 7 и ключей 8, может быть различным и определяется необходимой дискретностью и точностью задания тока заряда аккумулятора.

Временные диаграммы, фиг.2, соответствуют: 11 - напряжение u_c на вторичной обмотке 3 трансформатора 1; 12 - ток заряда i_зар аккумулятора 10. Здесь величины напряжений и токов определяются: U_зар - среднее значение напряжения на аккумуляторе 10; U_м - амплитуда переменного напряжения вторичной обмотки, представляемого как u_c=U_мsinωt; I_м1 и I_м2 - первое и второе значения амплитуды импульсов тока заряда аккумулятора 10; I_зар1 и I_зар2 - первое и второе средние значения токов заряда.

Устройство для заряда аккумуляторов работает следующим образом.

Предположим вначале, что ключи 8.1,...8.N, управляемые схемой управления 9, заперты, что соответствует отключенному состоянию конденсаторов 6.1,...6. N. В установившемся режиме работы, когда на входе схемы имеется напряжение u_с(ωt), величина выходного тока определяется емкостью конденсатора 5, выполняющего функции реактивного ограничивающего сопротивления величиной χ_C = 1/ωC₅ Очевидно, что увеличение емкости C₅ конденсатора 5 приведет к уменьшению сопротивления χ_C, что вызовет увеличение тока заряда аккумулятора. В общем случае выходной ток устройства, являющийся током заряда аккумулятора 10, определяется

где f = ω/2π; С_i= (С₅+С_6.1+С_6.i) - суммарная емкость параллельно включенных конденсаторов устройства; U_c - действующее значение напряжения вторичной обмотки 3 трансформатора 1; U_зар - среднее значение напряжения на аккумуляторе 10 в процессе его заряда. Выражение (1) показывает, что значение тока заряда аккумулятора прямо пропорционально величине емкости конденсаторов, включенных в последовательную цепь первого диодного моста 4 и аккумулятора 10.

Схема управления 9 осуществляет сравнение напряжения на аккумуляторах 10 с напряжением внутреннего источника опорного напряжения и на основании этого формирует на своих управляющих выходах сигналы, поочередно или совместно открывающие ключи 8.1, . .. 8,N и изменяющие итоговую емкость конденсаторов, включенных в цепь тока заряда аккумулятора 10. Например, если открыт ключ 8.1, то итоговая емкость конденсаторов для расчета по выражению (1) определяется как: С_i=С₅+С_6.1. Функционально схема управления 9 представляет собой известный аналого-цифровой преобразователь, осуществляющий преобразование аналогового сигнала рассогласования напряжений в цифровой параллельный код, управляющий работой ключей 8.1,...8.N (Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения.-М.: Энергоатомиздат.- 1986. -С. 13, рис. 1.5).

Длительность импульсов тока, заряжающих аккумулятор 10, в соответствии с обозначениями временной диаграммы (фиг.2) находится:

и не зависит от емкости конденсаторов 5 и 6.1,...6.N, а определяется при прочих равных условиях только напряжением U_зар.

Амплитуда импульсов тока, протекающего через диоды первого диодного моста 4 и аккумулятор 10, определяется
I_мi=ωC_iU_м. (3)
Как видно, амплитуда импульса тока определяется величиной емкости конденсаторов C_i, что определяет возможность строгого нормирования режимов работы диодов первого диодного моста 4 и аккумулятора 10. Это же определяет аналогично строгое нормирование тока короткого замыкания зарядного устройства.

В частности, на временных диаграммах фиг.2 показаны два значения амплитуды импульсов тока: I_м1<I_м2, соответствующих величинам емкости конденсаторов: С₁<С₂.

Это же относится и к токам, протекающим через вторые диодные мосты 7.1,. ..7,N и ключи 8.1,...8,N. Для них амплитуда импульсов тока определяется также из выражения (3) при подстановке в него величины емкости конденсаторов 6.1, . . . . или 6.N. Очевидно, что амплитуда импульса тока первого выпрямительного моста 4 определяется как сумма амплитуд импульсов тока, протекающих через конденсаторы 5, 6.1,...6.N:

Изложенное определяет тот факт, что в качестве ключей 8.1,...8. N можно использовать относительно маломощные транзисторы (или тиристоры). Для них амплитуда импульсов тока и его среднее значение определяются выбранной дискретностью изменения тока ΔI_зар заряда аккумулятора 10. Это же относится и к параметрам вторых диодных мостов 7.1,...7.N.

Изменение количества включенных ключей 8.1,...8.N, определяющих число подключенных конденсаторов 6.1,...6,N и в соответствии с этим задающих требуемые законы задания или изменения во времени величины тока заряда аккумулятора 10, формируется выходными управляющими сигналами схемы управления 9.

Таким образом, в устройстве, изображенном на фиг.1, реализуется возможность заряда аккумулятора 10 требуемым, в том числе и изменяющимся во времени током, который для современных аккумуляторных батарей определяется напряжением заряда. Так как регулирование и поддержание заданного значения тока осуществляется при помощи реактивного элемента - конденсатора, то в устройстве отсутствуют потери активной мощности, вызывающие разогрев элементов. В устройстве отсутствует необходимость формирования схемой управления 9 сигналов со строго определенным временным расположением управляющих импульсов на протяжении периода переменного напряжения, а управление работой ключей 8.1, . . . 8. N осуществляется подачей на их входы постоянных (логических) уровней напряжений, что значительно упрощает схему управления 9. Амплитуда импульсов тока, протекающих через полупроводниковые элементы схемы и аккумулятор, определяются величинами емкости первого 5 и вторых 6.1,.,.6.N конденсаторов, что повышает надежность работы устройства для заряда аккумулятора.

В качестве ключей 8.1,...8.N могут использоваться как транзисторы, так и тиристоры.

Следовательно, изобретение дает возможность расширить функциональные возможности применения устройства для заряда аккумуляторов за счет повышения надежности его работы, упрощения схемы и снижения его стоимости.

Изобретение относится к устройствам преобразования энергии переменного напряжения в постоянное и предназначено для заряда аккумуляторов постоянным или изменяющимся во времени электрическим током. Технический результат изобретения - повышение надежности работы, снижение рассеиваемой мощности и упрощение устройства, что определяет расширение функциональных возможностей его применения в электротехнике. Формирование требуемой величины тока заряда осуществляется конденсаторами переменного напряжения 5 и 6.1,... 6N. Изменение значения тока заряда аккумулятора 10 выполняется путем подключения различного количества вторых конденсаторов 6.1, ...6.N параллельно к первому конденсатору 5. Их подключение осуществляется при помощи ключей 8.1,...8,N, управляемых схемой управления 9. 2 ил.

Устройство для заряда аккумуляторов, содержащее трансформатор, первичная обмотка которого соединена с сетью переменного напряжения, а один из выводов вторичной обмотки - с первым входом первого выпрямительного моста, первый и второй выходы которого подключены к положительному и отрицательному полюсам аккумулятора соответственно и к управляющему входу схемы управления, отличающееся тем, что другой вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с первыми выводами первого конденсатора и N вторых конденсаторов, второй вывод первого конденсатора подключен к второму входу первого диодного моста, а вторые выводы N вторых конденсаторов соединены с первыми входами вторых N диодных мостов, вторые входы которых подключены ко второму входу первого диодного моста, причем выходы N вторых диодных мостов соединены с силовыми электродами N ключей соответственно, входы которых подключены к выходам схемы управления, которая формирует на своих управляющих выходах сигналы, открывающие ключи и изменяющие итоговую емкость конденсаторов.