СПОСОБ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H01M10/44 H02J7/02 

Изобретение относится к электротехнике, касается вопросов заряда аккумуляторных батарей (АБ) от источников переменного тока, амплитудное напряжение которых превышает напряжение заряжаемой АБ, в частности улучшения технико-экономических показателей зарядных устройств с реактивными токоограничивающими сопротивлениями. Они также могут быть использованы для заряда емкостных накопителей энергии.

Электрические схемы устройств для заряда (УЗ) АБ согласно предлагаемым изобретениям представлены на фиг.1 и 2.

Известные способы заряда АБ и устройства для их реализации, осуществляющие заряд батарей от источников постоянного и переменного тока с выпрямлением последнего [1, 2, 3 и др.], реализуют различные законы регулирования зарядного тока/напряжения. Эти УЗ подразделяют на зарядные, подзарядные, буферно-зарядные, буферные, зарядно-разрядные и др. [3, 3с].

Так как заряд кислотных аккумуляторов от 1,7 В на аккумулятор при постоянном напряжении (2,35 В на аккумулятор) производят до тех пор, пока плотность электролита будет оставаться без изменений в течение 10 час [3, 30 с], такой процесс очень длителен и его применяют редко. Там же отмечается, что заряд постоянным током проводят в 2 ступени: током 0,2 С до достижения 2,5 В на аккумуляторе, а затем током 0,05 С - до признаков конца заряда (С - номинальная емкость АБ). Расчетная мощность зарядного источника в обоих способах в 1,5-2 раза превышает мощность заряда аккумуляторов. Время заряда существенно сокращается при комбинированном заряде: вначале производят форсированный заряд аккумуляторов повышенным током и за 2-2,5 часа сообщают им 80-95% от их емкости, а затем осуществляют так называемый "капельный" дозаряд малым током [2:186-188 с. и 3:30 с.]. Это увеличивает оборачиваемость АБ и сокращает их резервный парк, однако требует использования зарядных источников, мощность которых используется менее чем наполовину, что увеличивает потери мощности в них и соответственно снижает их КПД.

В простейшем известном УЗ АБ от источника постоянного напряжения по схеме фиг.3 между источником и заряжаемой батареей включают балластный резистор, ограничивающий ток заряда АБ [1, рис.12.5а - 179 с.].

Ряд номинальных напряжений постоянного тока: 6; 12, 28,5; 48; 62; 115; 230 и 460 В [ГОСТ 721-77]; для заряда стандартной АБ напряжением 12 В - при требуемом напряжении 15 В - характеризуется КПД не более 53% при любом способе заряда аккумуляторов.

Потери мощности непосредственно в цепи заряда АБ существенно уменьшаются при заряде от автономного генератора постоянного тока. В качестве генераторов используют различные электромашинные преобразователи (серии ЗП и др.), однако КПД преобразователей 60-70% и коэффициент мощности не более 0,8-0,9 приводят к увеличению мощности, потребляемой из питающей сети.

Известны также УЗ накопителей энергии от источников переменного напряжения с выпрямлением тока, ограничение тока в которых осуществляют в цепи переменного или выпрямленного тока (схема по фиг.4), что позволяет выбирать в качестве источника трансформатор с любым выходным напряжением [4, 58-63 с.].

Замена активного балласта реактивным сопротивлением конденсатора или индуктивности позволяет повысить КПД УЗ, однако украинские ученые отмечают [4, 250 с.]: "Коренным недостатком этих схем являются пониженный КПД при активном балласте и пониженный коэффициент мощности при индуктивном балласте".

Так как в мировой практике общепринятым является производство, распределение и потребление эл. энергии на основе переменного тока (преобразование его в постоянный ток с помощью электромашинных преобразователей энергии для заряда АБ характеризуется низкой эффективностью), эффективность любого УЗ с выпрямителем оценивают его КПД η и коэффициентом мощности λ, определяющими расчетную (так называемую "габаритную", т.е. кажущуюся) мощность S_т зарядного источника (трансформатора). Произведение этих коэффициентов представляет собой обобщенный энергетический показатель К_р=ηλ - коэффициент использования мощности источника КИМИ [5, 62 с.]. Там же показано, что при заряде АБ с ограничением тока источника резистором К_р≤0,66 и достигается при относительном зарядном напряжении где отношение напряжения АБ U_АБ к амплитуде напряжения U_m источника.

В случае ограничения тока заряда АБ конденсатором, включенным между источником и выпрямителем, КПД УЗ возрастает до значений, близких к единице, однако, конденсатор, дифференцируя ток, укорачивает длительность импульсов тока и, как показывают исследования авторов, К_р≤,54. При ограничении тока заряда АБ дросселем (согласно ГОСТ 18624-73 термин "дроссель" к употреблению не рекомендован и, руководствуясь ГОСТ 19880-74 его заменяет термин "индуктивная катушка") КИМИ увеличивается до значения К_р≤0,81.

В известных энергосберегающих двухтактных УЗ емкостных накопителей энергии с индуктивным ограничением тока источника на частоте источника в цепь мостового выпрямителя включают 4 реактора по схеме фиг.5 [5, cx.21 на 62 с.]. Эти реакторы - индуктивные катушки (ИК), попарно ограничивая ток в одних тактах соответствующего полупериода изменения тока источника, запасают энергию в поле ИК, которую в следующих тактах через источник электрической энергии передают в накопитель. Работа источника характеризуется относительно низким значением коэффициента мощности, индуктивные катушки разделяют на 2 или 4 части и включают в цепь последовательно с вентилями выпрямителя. Они ограничивают ток источника на его частоте и разделение одной катушки на 2, включенные последовательно катушки половинной индуктивности (обеспечивая ту же индуктивность при их суммировании) позволяет при том же магнитопроводе повысить добротность ИК, уменьшить потери мощности в ней, а соответственно и потери мощности в УЗ. Наряду с симметричной схемой УЗ с 4 ИК применяют УЗ "с уменьшенным числом реакторов" по схеме фиг.6 [5, cx.22 на 62 с.], в котором используют 2ИК, работающие поочередно в различных полупериодах тока источника.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению по п.1 формулы изобретения является способ заряда аккумуляторной батареи от источника переменного тока с использованием токоограничивающей индуктивной катушки и двухполупериодного выпрямления тока, заключающийся в том, что в одном такте каждого полупериода изменения тока источника в индуктивной катушке запасают избыточную энергию источника, которую в следующем такте передают в батарею, схема устройства для реализации которого представлена на фиг.7 [6, задача 2.18, cx.2.47 на 51 с.].

В связи с тем, что энергия источника, запасаемая полем ИК в одном такте заряда АБ, передается в эту батарею (в другом такте) через источник, последний, работая на нагрузку с индуктивной реакцией, нагружается активно-индуктивным (отстающим по фазе от напряжения) током. Это снижает коэффициент мощности источника и КИМИ, достигающий в максимуме значения 0,81 (при относительном зарядном напряжении 0,8), и он резко уменьшается до нуля при дальнейшем увеличении относительного зарядного напряжения. Поэтому заряд АБ при ее напряжении, близком к амплитудному значению напряжения источника, требует, чтобы расчетная мощность последнего в несколько раз превышала величину зарядной мощности. Это существенно ухудшает технико-экономические характеристики зарядных устройств.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству по п.2 формулы изобретения является энергосберегающее устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее двухполупериодный мостовой тиристорный выпрямитель (ДПМТВ) переменного тока, блок контроля напряжений (БКН) и фазового управления тиристорами моста, клеммы входной диагонали которого подключены к источнику переменного тока (ИПТ), а положительная выходная клемма через индуктивную катушку - к положительной клемме заряжаемой аккумуляторной батареи по схеме фиг.7.

Недостатком этого устройства, реализующего энергосберегающий способ заряда АБ, является сравнительно низкое значение коэффициента мощности при его работе с относительным значением напряжения более 0,8, обусловленное малой угловой длительностью импульсов зарядного тока и малой скоростью передачи энергии источника в батарею - зарядной мощности. Это вынуждает выбирать источник с большим напряжением и, соответственно, увеличивать его типовую (расчетную) мощность. Кроме того, при этом увеличивается опасность перезаряда АБ.

Целью изобретения в способе заряда АБ с использованием ИК и двухполупериодного выпрямления тока, при котором в одном такте каждого полупериода тока источника в катушке запасают избыточную энергию источника, которую в следующем такте передают в заряжаемую батарею, является улучшение технико-экономических характеристик УЗ батареи путем увеличения скорости передачи энергии источника в батарею, определяемой произведением зарядного тока АБ на ее напряжение - без увеличения расчетной мощности источника и его напряжения, то есть без увеличения массы УЗ в целом. С этой целью АБ выполняют двухсекционной, а токоограничивающую индуктивность разделяют на две и выполняют в виде двух ИК и одновременно с ограничением тока заряда одной секции АБ от источника и запасанием энергии в одной ИК производят передачу энергии, предварительно запасенной другой ИК, в другую секцию батареи непосредственно.

На фиг.1 и 2 представлены схемы УЗ АБ, реализующие способ согласно изобретению при выпрямлении тока тиристорами и диодами соответственно.

Целью изобретения в энергосберегающем устройстве заряда АБ, содержащем ДПМТВ переменного тока, БКН и фазового управления тиристорами моста, клеммы входной диагонали которого подключены к ИПТ, а положительная выходная клемма через ИК - к положительной клемме заряжаемой АБ, является улучшение его технико-экономических характеристик путем повышения коэффициента мощности за счет разгрузки источника электрической энергии (ИЭЭ) от отстающего тока и увеличения скорости передачи энергии источника в батарею за счет увеличения угловой длительности импульсов зарядного тока. С этой целью оно снабжено дополнительной индуктивной катушкой, аккумуляторная батарея - выводом ее средней точки, и ключом двухсторонней проводимости, а блок контроля напряжений - дополнительным выходом, при этом выводы дополнительной индуктивной катушки подключены к отрицательным выходной клемме ДПМТВ и аккумуляторной батареи, а выводы ключа двухсторонней проводимости - к выводу средней точки АБ и одной клемме входной диагонали упомянутого мостового выпрямителя и дополнительному выходу блока контроля напряжений и фазового управления тиристорами.

На фиг.1 и 2 представлены схемы устройств для заряда АБ с ДПМТВ и на обычных диодах соответственно, в которых аккумуляторная батарея 1 заряжается от двухполупериодного мостового выпрямителя 2, тиристоры 3-6 которого управляются блоком 7, контролирующим напряжения батареи 1 и источника 8 переменного тока, подключенного к клеммам входной диагонали моста. Положительная выходная клемма моста 2 через индуктивную катушку 9 подключена к положительной клемме заряжаемой АБ 1, отрицательная клемма которой через индуктивную катушку 10 соединена с отрицательной выходной клеммой моста 2. Батарея 1 выполнена в виде двух секций, и вывод ее средней точки через ключ двухсторонней проводимости 11 подключен к одной из клемм входной диагонали моста.

Блок контроля напряжений АБ и источника и фазового управления тиристорами (на схеме справа у блока указаны в скобках номера выходов для управления тиристорми 3, 4, 5 и 6) может быть выполнен по любой известной схеме, описанной в технической литературе [например, 2, 7 и др.], в качестве ключа двухсторонней проводимости 11 могут быть использованы, например, 2 соединенные параллельно (и пропускающие ток в обе стороны) тиристоры, либо симистор. В простейшем случае это может быть обычное реле, либо реле с "защелкой" (механической либо электромагнитной) - дистанционный переключатель, либо, наконец, обычный выключатель.

Прежде чем рассматривать реализацию заявляемых способа и УЗ для его осуществления, необходимо отметить, что это устройство из-за наличия в нем вентилей относится к так называемым параметрическим, существенно нелинейным и с многократной реконфигурацией цепей, причем параметрическая реконфигурация в нем определяется соотношением напряжений ИПТ-ИК-АБ, где последнее медленно, но непрерывно увеличивается по мере ее заряда. Кроме того, следует считать, что тиристоры полностью открыты и работают как обычные диоды.

Рассматривая работу энергоресурсосберегающего УЗ будем считать, что ключ 11 разомкнут и ДПМТВ заряжает обе секции АБ одновременно. Величина тока заряда батареи (пропорциональная разности напряжений ИПТ и АБ и обратно пропорциональная сопротивлению ИК) убывает по мере заряда батареи и увеличению ее напряжения.

Если к аноду тиристора 4 приложено положительное (а к катоду тиристора 5 - отрицательное) напряжение ИПТ 8, а с выходов блока 7 подан сигнал на их открытие, они открываются, а тиристоры 3 и 6 заперты напряжением источника. Тогда по цепи: 8-4-9-1-10-5-8 протекает ток, ограниченный сопротивлением катушек 9 и 10. Этот ток, запасая энергию в поле катушек, вначале растет, достигает максимума (в момент изменения полярности напряжения ИЭЭ), а затем (начиная с момента изменения полярности напряжения ИПТ) за счет энергии, накопленной в поле катушек, продолжает проходить по той же цепи по причине изменения полярности на выводах обмоток катушек, то есть катушки в одном такте, ограничивая ток заряда АБ, запасают избыточную энергию источника, а в следующем такте - отдают часть этой энергии АБ, поддерживая зарядный ток за счет ЭДС самоиндукции катушек. По завершении разряда катушек в начале следующего полупериода изменения напряжения ИПТ тиристоры 4 и 5 закрываются (путем самопогасания) и блок 7, подав сигналы на тиристоры 3 и 6, отпирает последние. Тогда по цепи: 8-3-9-1-10-6-8 будет протекать ток заряда батареи, катушки, ограничивая его величину, запасают энергию ИПТ, которую в следующем такте канализируют эту энергию в батарею по этой же цепи.

Длительность импульсов зарядного тока, равная 180 эл. град (пока относительное зарядное напряжение АБ не достигнет значения 0,637), в последующем уменьшается и АБ заряжается отдельными импульсами тока, начинающимися в момент времени, когда напряжение ИПТ, увеличиваясь по абсолютной величине, достигнет напряжения заряжаемой АБ. Обобщенный энергетический показатель - КИМИ, равный нулю при закороченном выходе УЗ возрастает по мере роста напряжения АБ, достигает максимального значения 0,81 при относительном зарядном напряжении 0,8, а затем убывает до нуля. При К_р=0,6 и при К_р=0,4, а при К_р=0,1, т.е. расчетная мощность ИПТ должна в 10 раз превышать зарядную мощность батареи.

В случае, когда выходная мощность ИЭЭ в несколько раз превышает требуемую зарядную мощность, ее ограничивают путем уменьшения угловой длительности импульсов зарядного тока за счет задержки в открытии тиристоров.

При замыкании ключа 11 вывод средней точки двухсекционной АБ подключается к одной из клемм ИЭЭ, и если положительное напряжение ИПТ приложено к аноду открытого тиристора 3 (тиристор 5 заперт), ток проходит по цепи: 8-3-9 - секция батареи 1-11-8. Во время заряда этой (верхней по схеме) секции УЗ, имеющее мостовую схему выпрямителя, проводит ток всего одним вентилем, т.е. выпрямитель является лучевым. Катушка 9, ограничивая ток, запасает энергию, а в момент изменения полярности ИПТ, если открыть тиристор 4, энергия дросселя по цепи: 9 - секция АБ1-11-4-9 передается в АБ непосредственно, т.е. минуя источник, разгружая его от отстающего тока. При этом выпрямленный ток проводится также одним вентилем, т.к. тиристор 3 при этом заперт, а тиристор 5, открываясь, проводит ток по цепи: 8-11 - нижняя секция 1-10-5-8. Тиристор 6 при этом заперт положительным напряжением источника. Энергия, запасенная в ИК 10 в течение этого такта, в следующем такте (когда открывают тиристор 3, как рассмотрено выше) по цепи: 10-6-11 - нижняя секция 1-10 передается в секцию батареи - помимо ИПТ. Далее процессы повторяются циклически. Во время заряда одной секции АБ от ИЭЭ другая заряжается энергией ИК и при обе секции заряжаются непрерывным током двух лучевых выпрямителей, разгружая ИЭЭ от проведения части тока заряда секций АБ. Батарея при этом может быть заряжена до удвоенного значения амплитуды напряжения источника.

В случае замены тиристоров 3-6 обычными диодами (схема по фиг.2, где ключ 11 соединен с другой клеммой входной диагонали моста 2), если ключ 11 разомкнут, АБ заряжается аналогично рассмотренному выше. Если ключ 11 замкнут, ток заряда верхней секции АБ проходит вначале по цепи: 8-4-9-1-11-8, а затем ИК 9 отдает энергию по цепи 9-1-11-3-9.

Сочетание обоих режимов заряда АБ (батареи целиком и посекционно) позволяет регулировать не только необходимое значение напряжения, но и скорость заряда батареи, т.к. при посекционном заряде лучевыми выпрямителями ток батареи (равный току заряда каждой секции) пропорционален разности амплитуды напряжения источника и полубатареи и обратно пропорционален сопротивлению половины общей индуктивности, превышает ток мостового выпрямителя, при этом каждая ИК, разряжаясь в диапазоне в течение до 180 эл. град помимо источника, т.е. разгружая его, улучшает показатели УЗ в целом.

Разделение ИК на два индуктивных устройства половинной индуктивности каждое, а АБ - на две секции создает следующие 2 существенные отличия заявленных способа и устройства от прототипа при соединении одной из клемм входной диагонали моста со средним выводом двухсекционной (ДС) батареи через ключ двухсторонней проводимости.

Во-первых, мостовой выпрямитель разделяется на 2 независимых лучевых.

Разгрузка ИЭЭ от отстающего тока и передача энергии ИК в секции АБ непосредственно - помимо ИПТ - увеличивая длительность импульсов тока, повышает коэффициент мощности источника. Потери мощности в вентилях выпрямителя при этом уменьшаются вдвое.

Во-вторых, ток посекционного заряда ДС АБ превышает ток заряда батареи мостовым выпрямителем при увеличении вдвое ее зарядного напряжения.

Увеличение зарядных тока и напряжения повышают скорость передачи энергии ИЭ в батарею - зарядную мощность.

Сочетание обоих режимов работы УЗ (заряда ДС АБ посекционно от лучевых и заряда батареи целиком от мостового выпрямителя) позволяет регулировать необходимые значения зарядных мощности и напряжения при минимальном превышении расчетной (габаритной) мощности источника над зарядной мощностью АБ.

Новизна предложений не следует явным образом из известного уровня техники, обеспечивает изобретательский уровень данных изобретений, которые могут быть использованы, как отмечено выше, при соответствующем выборе напряжения ИПТ, как для форсированного начального заряда АБ, так и для ее "капельного" дозаряда без опасности перезаряда последней.

Таким образом, в способе заряда аккумуляторной батареи от источника переменного тока с использованием токоограничивающей индуктивной катушки и двухполупериодного выпрямления тока, заключающимся в том, что в одном такте каждого полупериода изменения тока источника в индуктивной катушке запасают избыточную энергию источника, которую в следующем такте передают в батарею, если ее выполняют двухсекционной, а индуктивность - в виде двух индуктивных устройств, и одновременно с ограничением тока заряда одной секции батареи от источника и запасанием энергии в одном индуктивной устройстве производят передачу энергии, предварительно запасенной в другом индуктивном устройстве, в другую секцию непосредственно, технико-экономические характеристики УЗ улучшаются.

Следовательно, если устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее двухполупериодный мостовой тиристорный выпрямитель переменного тока, блок контроля напряжений и фазового управления тиристорами моста, клеммы входной диагонали которого подключены к источнику переменного тока, а положительная выходная клемма через индуктивную катушку - к положительной клемме заряжаемой аккумуляторной батареи, а УЗ снабжено дополнительной индуктивной катушкой, аккумуляторная батарея - выводом ее средней точки, и ключом двухсторонней проводимости, блок контроля напряжений - дополнительным выходом, при этом выводы дополнительной индуктивной катушки подключены к отрицательным выходной клемме мостового выпрямителя и аккумуляторной батареи, а выводы ключа двухсторонней проводимости - к выводу средней точки аккумуляторной батареи и одной клемме входной диагонали упомянутого мостового выпрямителя и дополнительному выходу блока контроля напряжений и фазового управления тиристорами, технико-экономические характеристики устройства улучшаются.

Экспериментальные исследований макета устройства для заряда батарей, выполненного по схеме фиг.2, проведенные в лаборатории электроснабжения, подтвердили его хорошую работоспособность и реальность достижения целей по обоим пунктам формулы изобретения.

При заряде батареи предлагаемым УЗ как в форсированном режиме, так и в режиме ее медленного дозаряда, работоспособность устройства практически не зависит от колебаний как напряжения, так и частоты в сети.

Примечание. При составлении описания и формулирования предметов изобретений были приняты во внимание следующие источники информации.

1. А.Г.Николаев и др. Системы электроснабжения, электрические сети и освещение. Уч. пособие. Л:ВИКИ им. А.Ф.Можайского, 1978 - 332 с., ил.

2. А.Е.Зорохович и др. Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей. М.: Энергия, 1975. - 208 с., ил.

3. А.И.Бухаров и др. Средства заряда аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Справочник М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с., ил.

4. Пентегов И.В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. Киев.: Наук. Думка, 1982 - 424., ил.

5. А.Г.Николаев Определение и совершенствование энергетических показателей систем заряда аккумуляторов. Электричество, 1984, №11, 61-64 с.

6. Силовая электроника: Примеры и расчеты / Ф.ЧАКИ и др. Пер с англ. - М: Энергоиздат, 1982 - 348 с., ил.

7. A.M.Вайлов, Ф.И.Эйгель. Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей. М.: Связь, 1975 - 152 с., ил.

Изобретение относится к способу заряда аккумуляторной батареи (АБ) током двухполупериодного выпрямления, ограничиваемого индуктивной катушкой (ИК) и к устройству для заряда (УЗ) батарей. Техническим результатом является улучшение технико-экономических характеристик УЗ АБ путем повышения коэффициента мощности и зарядной мощности. УЗ состоит из мостового выпрямителя на тиристорах, двухсекционной АБ, токоограничивающей ИК и блока контроля напряжения и управления тиристорами. Выполнение ИК в виде двух индуктивных устройств, включенных между одноименно-полярными выводами выходных клемм моста и клемм АБ и соединение вывода средней точки батареи с одной из клемм входной диагонали моста через ключ двухсторонней проводимости обеспечивает энергосберегающие форсированный заряд и "капельный" дозаряд АБ при минимальных потерях мощности в устройстве. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ заряда аккумуляторной батареи от источника переменного тока с использованием токоограничивающей индуктивной катушки и двухполупериодного выпрямления тока, заключающийся в том, что в одном такте каждого полупериода изменения тока источника в индуктивной катушке запасают избыточную энергию источника, которую в следующем такте передают в батарею, отличающийся тем, что батарею выполняют двухсекционной, токоограничивающая индукционная катушка разделена на два индуктивных устройства половинной индуктивности и одновременно с ограничением тока заряда одной секции батареи от источника и запасанием энергии в одном индуктивном устройстве производят передачу энергии, предварительно запасенной другим индуктивным устройством, в другую секцию непосредственно.2. Устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее двухполупериодный мостовой тиристорный выпрямитель переменного тока, блок контроля напряжений и фазового управления тиристорами моста, клеммы входной диагонали которой подключены к источнику переменного тока, а положительная выходная клемма через индуктивную катушку - к положительной клемме заряжаемой аккумулярной батареи, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной индуктивной катушкой, аккумуляторная батарея - выводом ее средней точки, и ключом двухсторонней проводимости, а блок контроля напряжений - дополнительным выходом, при этом выводы дополнительной индуктивной катушки подключены к отрицательным выходной клемме мостового выпрямителя и аккумуляторной батареи, а выводы ключа двухсторонней проводимости - к выводу средней точки аккумуляторной батареи и одной клемме входной диагонали упомянутого мостового выпрямителя и дополнительному выходу блока контроля напряжений и фазового управления тиристорами.