СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УСКОРЕННОГО ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H02J7/10 H01M10/44 

Изобретения относятся к электротехнике, в частности к устройствам для ускоренного заряда аккумуляторных батарей (АБ) на основе преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Известен способ [1] автоматического быстрого заряда АБ постоянным током с предварительной формировкой АБ малым током до уровня напряжения на батарее, равного 1,6 В. В начале заряда активизирован критерий окончания заряда -dV, и через 5 минут после начала процесса заряда включается критерий окончания заряда d²V/dt². Высокий уровень зарядного тока Iо поддерживается до тех пор, пока не будет определен по кривой заряда критерий d²V/dt², после этого уровень тока снижается до 1/4 Iо, и заряд продолжается в течение 20 минут, затем уровень снижается до 1/256 Io, этот уровень продолжается до тех пор, пока батарея установлена. Способ предназначен для заряда никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металл-гидритных (NiMН) батарей. Контроль напряжения на батарее производят в паузе зарядного тока с периодом 20,48 сек. Критерий -dV определяется, если разность между предыдущим измерением и действительным напряжением больше 12 мВ для трех последовательных циклов измерений.

Известно устройство [2] , выполненное на ШИМ-преобразователе с зарядом импульсным током с паузами и периодическим разрядным импульсом большой амплитуды в паузу зарядного тока. Под действием сигнала ШИМ открывается транзисторный ключ (ТК1) и энергия источника постоянного тока передается в дроссель. От дополнительной обмотки дросселя заряжается конденсатор. По окончании сигнала ШИМ ТК1 закрывается, а энергия дросселя в виде импульса тока подается в АБ. При очередном поступлении сигнала ШИМ процесс продолжается, и батарея заряжается импульсным током с паузами. При достижении напряжения конденсатора величины порогового напряжения стабилитрона и с приходом очередного импульса с основной обмотки дросселя на управляющий вход транзисторного ключа (ТК2) в цепи управляющего электрода разрядного тиристора последний открывается. Происходит разряд АБ импульсом тока большой амплитуды через конденсатор. В следующий момент закрытия ТК1 энергия конденсатора возвращается в АБ и процесс импульсного заряда с паузами повторяется. По мере заряда АБ частота следования разрядных импульсов тока увеличивается автоматически.

Недостатком известного устройства являются фиксированный диапазон задания режимов асимметричного тока и сложность реализации изменения диапазона задания режима, что сужает функциональные возможности устройства. При заряде аккумуляторных батарей возникает задача заряда батарей с разным количеством элементов. В этом случае для установки режима заряда необходима регулировка параметров зарядного устройства, а именно заряд-разрядных токов. Из этого следует принципиальная невозможность реализации требуемых заряд-разрядных импульсных режимов работы по заданному алгоритму в широком диапазоне изменения напряжения на нагрузке.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство[3] для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащее схему управления по заданному алгоритму, включающую: блок управления, представляющий собой однокристальный микропроцессор (ОМП), блок индикации, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок датчика напряжения, выход которого подключен к входу блока управления, блок синхронизации, состоящий из блоков рабочей и начальной синхронизации, входы которых объединены, а выходы подключены к блоку управления, блок питания, соединенный выходом с входом блока синхронизации, а входом с выходом блока задания режима заряда, блок датчика напряжения, соединенный с клеммами для подключения аккумуляторной батареи, и схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, блоки зарядных и разрядных конденсаторов, два встречно-параллельно включенных блока управляемых выпрямителей, блоки усилителей, выходы которых подключены к соответствующим входам блоков управляемых выпрямителей, а входы - к соответствующим выходам блока управления. Блок управления формирует сигналы в соответствии с алгоритмом заряда и синхронизацией от сети для управления встречно-параллельно включенными управляемыми выпрямителями. В качестве нагрузки к выпрямителям подключается аккумуляторная батарея. Одни обкладки токоограничивающих конденсаторов подключены к питающей сети, а другие - к управляемым выпрямителям. Ограничение тока в зарядный и разрядный периоды работы позволяет управлять выпрямителями без фазового управления. К недостаткам можно отнести фиксированный режим заряда, который соответствует определенным типам АБ, и сложность его изменения, что ограничивает функциональные возможности устройства. Наличие отдельных блоков зарядных и разрядных конденсаторов в основном определяет массу и габариты устройства, и они довольно значительны.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, уменьшение массы и габаритов устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в известный способ автоматического быстрого заряда АБ с предварительной формировкой, в начале заряда ативизирован критерий окончания заряда -dV/dt, введены изменения. При подключении АБ к устройству автоматически определяется тип батареи и выбирается алгоритм заряда, соответствующий типу АБ, запускается режим заряда переменным асимметричным током, соответствующий выбранному алгоритму. Критерий окончания заряда по изменению знака d²V/dt² с положительного на отрицательный включается, когда на начальном участке кривой напряжения на батарее d²V/dt²= 0, т.е. она вышла на пологий участок. Критерий окончания заряда по достижении напряжения на батарее определенного уровня, который для каждой батареи задан в ТУ или инструкции по эксплуатации, включен с момента выбора алгоритма заряда. Контроль напряжения на батарее производится в паузе между зарядным и разрядным импульсами тока. После прохождения кривой напряжения через точку d²V/dt²=0 контролируются параметры режима заряда, а именно отношение Iз/Iр амплитуды зарядного импульса к амплитуде разрядного импульса, и, если это отношение не соответствует выбранному режиму или напряжение на батарее, которое должно быть выше 1,25 В на элемент, не соответствует типу батареи, заряд прекращается, а батарея считается неисправной. При определении любого из критериев или заданной алгоритмом заряда их последовательности заряд прекращается.

Отключение по уровню напряжения необходимо при подключении на заряд заряженной АБ, т.к. при прохождении через батарею зарядного тока напряжение на ней растет до порогового значения без пологого участка характеристики, а также для автоматического заряда литиевых АБ.

Положительный эффект способа проявляется в том, что алгоритмы заряда соответствуют конкретной заряжаемой АБ. Режимы заряда асимметричным током формируют кривую напряжения на АБ в процессе заряда с более ярко выраженными характерными участками, т.к. при прохождении разрядного импульса снимается заряд с поверхности пластин аккумулятора, и процесс заряда проходит при более низком напряжении на АБ. По окончании заряда активной массы электродов на пластинах аккумулятора появляется перенапряжение и начинается выделение газа, что соответствует росту напряжения на АБ. Изменение формы кривой заряда позволяет с большей надежностью определять критерии управления зарядом и не допускать перезаряда герметичных АБ.

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащее схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, два блока усилителей и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, блок индикации, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок питания, блок датчика напряжения, введены дополнительный блок фильтров, блок регулируемого источника зарядного тока, блок регулируемого источника разрядного тока, диод, блок нагрузочного элемента и блок подключения аккумуляторных батарей, входы которого имеют клеммы для подключения аккумуляторных батарей, а выход соединен с входом введенного блока фильтров и катодом диода, анод диода соединен с выходом блока регулируемого источника зарядного тока, один вход которого соединен с выходом блока фильтров, другой вход - с выходом блока усилителей, выход введенного блока фильтров соединен с одним входом блока регулируемого источника разрядного тока, другой вход которого соединен с выходом соответствующего блока усилителей, выход его соединен со входом блока нагрузочного элемента, блок датчика тока, блок АЦП, блок звуковой сигнализации и блок ШИМ, выходы которого соединены со входами соответствующих блоков усилителей, а вход - с выходом блока управления, вход блока звуковой сигнализации соединен с соответствующим выходом блока управления, вход блока датчика тока соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей, выход соединен со входом блока АЦП, другой вход которого соединен с выходом блока датчика напряжения, выход блока АЦП соединен с соответствующим входом блока управления, блок подключения аккумуляторных батарей соединен с блоком датчика напряжения и блоком задания режима заряда.

Использование интегрированного OMП, имеющего в своем составе блок ШИМ, АЦП, внутреннюю память программ и данных, и регулируемых источников тока, управляемых широтно-импульсной модуляцией на высокой частоте для создания зарядного и разрядного стабилизированных токов, позволяет реализовать алгоритмы заряда по описанному выше способу для каждого типа батарей индивидуально, что исключает ненормированный заряд и повышает срок службы при ускоренном заряде АБ, упростить схему и снизить потери в силовой части устройства и, следовательно, уменьшить вес и габариты устройства, обеспечивает простоту в эксплуатации и обслуживании.

На фигуре 1 представлена блок-схема устройства.

На фигуре 2 показана кривая зависимости напряжения NiCd АБ при заряде от времени заряда и представлены критерии окончания заряда.

Устройство включает систему управления по заданному алгоритму (СУЗА) 1 и систему управления силовой частью (СУСЧ) 2. Блок 3 ОМП, состоящий из блока 4 управления, блока 5 задания алгоритма заряда, блока 6 ШИМ и блока 7 АЦП, соединен с блоком 8 индикации, блоком 9 звуковой сигнализации, блоком 10 задания режима заряда, вход которого соединен с блоком 11 подключения аккумуляторных батарей, блоком 12 датчика тока и блоком 13 датчика напряжения. Входы блоков 12 и 13 датчика тока и датчика напряжения соответственно соединены с соответствующими выходами блока 11 подключения АБ, входы которого соединены с блоком 14 АБ. Выходы блока 6 ШИМ соединены с входами соответствующих блоков 15 и 16 усилителей, выходы которых соединены со входами блоков 17 и 18 регулируемых источников зарядного и разрядного тока соответственно. Питающее напряжение подается на блок 19 питания, положительный вывод питающего напряжения соединен с входом блока 20 фильтров. Выход блока 20 фильтров соединен с входом блока 17 регулируемого источника зарядного тока, выход которого соединен с анодом диода 21. Катод диода 21 соединен с блоком 11 подключения аккумуляторных батарей и блоком 22 фильтров. Выход блока 22 фильтров соединен с входом блока 18 регулируемого источника разрядного тока, выход которого соединен со входом блока 23 нагрузочного элемента.

Предлагаемый способ реализуется устройством следующим образом. Питающее напряжение поступает на блок 19 питания, который вырабатывает постоянные стабилизированные напряжения для питания блока 3 однокристального микропроцессора, блока 8 индикации, блока 9 сигнализации, блока 10 задания режима заряда, блока 11 подключения аккумуляторных батарей, блока 12 датчика тока, блока 13 датчика напряжения и блоков 15 и 16 усилителей. При включении устройства сигналы с выхода ОМП 3 запирают блоки усилителей во избежание открытия силовых элементов схемы управления силовой частью 2. ОМП 3 инициирует записанную в блоке 5 задания алгоритма заряда программу, которая устанавливает выходные сигналы портов ввода-вывода в начальное состояние, контролирует входные сигналы портов ввода-вывода и АЦП. При нормальном завершении опроса на блок 9 звуковой сигнализации выдается сигнал длительностью 500 мс с частотой 2 кГц. При возникновении запрещенной комбинации на входах ОМП 3 выдает сигнал аварии на блок 9 звуковой сигнализации частотой 1 кГц длительностью 230 мс и паузой 20 мс и на блок 8 индикации частотой 4 Гц и скважностью 0,1.

После предварительной обработки и установки соответствующих сигналов ОМП 3 переходит в режим ожидания, периодически опрашивая выходы блока 10 задания режима заряда и блока 13 датчика напряжения. При подключении АБ к блоку 11 подключения батареи срабатывает переключатель, соответствующий данному типу батареи, сигнал с которого поступает в блок 10 задания режима заряда и с его выхода - на ОМП 3. Напряжение батареи поступает на вход блока 13 датчика напряжения и с его выхода - на блок 7 АЦП. Блок управления 4 анализирует полученные сигналы и выбирает из блока 5 задания алгоритма заряда алгоритм, соответствующий заряду данного типа батареи. Блок 4 управления выдает сигналы управления зарядом на блок 6 ШИМ и сигнал постоянного свечения на блок 8 индикации. Сигналы с блока 6 ШИМ, поступающие на блоки 15 и 16 усилителей и далее на блоки 17 и 18 регулируемых источников зарядного и разрядного тока соответственно, устанавливают амплитуды и длительности зарядных и разрядных токов согласно выбранному алгоритму заряда. Амплитуды зарядного и разрядного токов контролируются с помощью сигнала с блока 12 датчика тока, поступающего на блок 7 АЦП.

В ходе заряда в соответствии с алгоритмом контролируется напряжение АБ. Конец заряда определяется по трем критериям: по уровню напряжения на АБ, по знаку первой производной напряжения по времени и по знаку второй производной напряжения по времени. Уровень напряжения для каждого типа АБ определяется алгоритмом заряда. При определении конца заряда блок 4 управления прекращает подачу сигналов управления на блок 6 ШИМ, на выходах которого устанавливаются уровни, запирающие блоки 17 и 18 регулируемых источников зарядного и разрядного тока, батарея отключается от зарядных и разрядных цепей, блок 4 управления подает сигнал о нормальном завершении процесса заряда в блок 8 индикации с частотой 2 Гц и скважностью 0,5 и блок 9 звуковой сигнализации с частотой 1 кГц длительностью 250 мс и паузой 250 мс. В ходе заряда контролируются параметры тока на соответствие выбранному режиму заряда. При несоответствии токов параметрам режима заряд прекращается, и включаются аварийные звуковая сигнализация и индикация, что говорит о неисправности батареи.

Цепь заряда состоит из блока 20 фильтров, осуществляющих защиту питающего напряжения от высокочастотной помехи, возникающей при коммутации в блоке 17 регулируемого источника зарядного тока, блока 17 регулируемого источника зарядного тока, управляемого через блок 15 усилителей от ОМП 3, и диода 21, предохраняющего блок 17 регулируемого источника тока от обратного тока, когда АБ подключена к блоку 11 подключения аккумуляторных батарей, а питающее напряжение отсутствует.

Цепь разряда состоит из блока 22 фильтров, необходимого для сглаживания высокочастотных пульсаций разрядного тока, блока 18 регулируемого источника разрядного тока, управляемого через блок 16 усилителей от ОМП 3, которым задается и поддерживается необходимый уровень разрядного тока, и блока 23 нагрузочного элемента, служащего для рассеивания энергии импульса разрядного тока.

Использование микропроцессора в зарядном устройстве позволяет осуществлять способы ускоренного заряда с определением конца заряда для выбранных типов АБ в автоматическом режиме без доразряда.

Устройство предназначено для ускоренного заряда герметичных АБ с напряжением от 4,8 В до 12 В в диапазоне питающего напряжения 22÷30 В.

Введение в СУЗА 1 блока 9 звуковой сигнализации, блока 6 ШИМ, блока 7 АЦП и блока 12 датчика тока и в СУСЧ 2 блока 17 регулируемого источника зарядного тока, диода 21, блока 22 фильтров, блока 18 регулируемого источника тока и блока 23 нагрузочного элемента позволило уменьшить массу и габариты устройства, снизить потери мощности за счет применения высокочастотных ШИМ-преобразователей, проведение автоматизированного заряда позволяет расширить функциональные возможности устройства.

Источники информации
1. U 2407В, Simple Controller for Fast Charge System, Telefunken Semiconductors, 1995.

2. Авторское свидетельство СССР 1275647, Н 02 J 7/10, 1986.

3. Патент Российской Федерации 2134476, Н 02 J 7/10, 1999.

Использование: в электротехнике для ускоренного заряда аккумуляторных батарей (АБ) на основе заряд-разрядных ШИМ-преобразователей, может быть использовано для заряда герметичных АБ. При подключении АБ к устройству автоматически определяется тип батареи и выбирается алгоритм заряда, соответствующий типу АБ. Во время заряда контролируется напряжение на АБ. В соответствии с выбранным алгоритмом заряда активизируются критерии управления зарядом. При определении любого из критериев или заданной алгоритмом заряда их последовательности заряд прекращается. Устройство содержит схему управления по заданному алгоритму и схему управления силовой частью. Блок управления в виде однокристального микропроцессора (ОМП) формирует сигналы в соответствии с алгоритмом заряда для управления высокочастотными ШИМ-преобразователями. В качестве нагрузки к зарядному ШИМ-преобразователю подключается аккумуляторная батарея, она же является источником питания разрядного ШИМ-преобразователя. Сигнал с датчика тока подается в ОМП, который задает и поддерживает необходимый уровень зарядного и разрядного тока в соответствии с алгоритмом заряда. Сигнал с датчика напряжения АБ подается в ОМП для контроля процесса заряда и определения критериев окончания заряда. Применение в качестве блоков управления интегрированных ОМП, включающих АЦП, блоки ШИМ, внутреннюю память программ и данных, а в качестве силовой части - высокочастотных ШИМ-преобразователей позволяет снизить потери в силовых частях устройства, уменьшить габариты и массу устройства. Устройство предназначено для ускоренного заряда NiCd и NiMH герметичных АБ и АБ Li-ION. Технический результат - расширение функциональных возможностей, уменьшение массы и габаритов устройства. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматического ускоренного заряда аккумуляторных батарей, при котором с началом заряда сразу активизируют критерий окончания заряда -dV, отличающийся тем, что второй критерий окончания заряда - изменение знака d²V/dt² на отрицательный включают, когда d²V/dt² стала равна нулю, третий критерий окончания заряда - достижение напряжения на батарее определенного уровня активизируют также с началом заряда, контроль напряжения на батарее производят в паузе между зарядным и разрядным импульсами тока. 2. Устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащее схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, два блока усилителей и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок питания, соединенный с блоком фильтров, блок датчика напряжения, блок управления, соединенный с блоком индикации, блоком задания алгоритма заряда и блоком задания режима заряда, отличающееся тем, что в схему управления силовой частью введены дополнительный блок фильтров, блок регулируемого источника зарядного тока, блок регулируемого источника разрядного тока, диод, блок нагрузочного элемента и блок подключения аккумуляторных батарей, входы которого имеют клеммы для подключения аккумуляторных батарей, а выход соединен с входом введенного дополнительного блока фильтров и катодом диода, анод которого соединен с выходом блока регулируемого источника зарядного тока, один вход которого соединен с выходом блока фильтров, другой вход - с выходом блока усилителей, выход введенного дополнительного блока фильтров соединен с одним входом блока регулируемого источника разрядного тока, другой вход которого соединен с выходом соответствующего блока усилителей, выход блока регулируемого источника разрядного тока соединен с блоком нагрузочного элемента, в схему управления по заданному алгоритму введены блок датчика тока, блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), блок звуковой сигнализации и блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ), выходы которого соединены со входами соответствующих блоков усилителей, а вход - с выходом блока управления, к которому подключен вход блока звуковой сигнализации, вход блока датчика тока соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей, выход соединен со входом блока АЦП, другой вход которого соединен с выходом блока датчика напряжения, выход блока АЦП соединен с соответствующим входом блока управления, блок подключения аккумуляторных батарей соединен с блоком датчика напряжения и блоком задания режима заряда, при этом блоки управления, задания алгоритма заряда, задания режима заряда, ШИМ, АЦП объединены в блок однокристального микропроцессора.