СТАНЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНАЯ Российский патент 2008 года по МПК H02J7/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для заряда и разряда аккумуляторных батарей (АБ) на основе высокочастотных преобразователей с гальванической развязкой.

Известно зарядно-разрядное устройство [Патент Российской Федерации №2165669, Н02J 7/10, 2001], содержащее 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, при этом в устройство введены: исток дополнительного транзистора и катод дополнительного диода 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. Устройство предназначено, в частности, для проведения восстановительных циклов, включающих глубокий поэлементный разряд АБ на индивидуальную активную нагрузку. Недостатком известного устройства является возможность работы только от источника постоянного напряжения, а также отсутствие гальванической развязки АБ от питающей сети.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство [Патент Российской Федерации №2219638, Н02J 7/10, 2003] для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащим схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, три блока усилителей, блок аккумуляторной батареи, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда и блоком индикации, блок датчика напряжения, блок питания, соединенный с выводами питающего напряжения ˜220 В.

Данное устройство способно осуществлять продолжительный разряд АБ, однако величины зарядных и разрядных токов определяются емкостью конденсаторов, включенных в соответствующие цепи, что исключает возможность изменения зарядного или разрядного тока для различных типов АБ. Для заряда АБ большой номинальной емкости и напряжения, например электровозных АБ 42НК-125, потребуется использование конденсаторов очень больших габаритных размеров и веса, что делает применение данного устройства практически нереализуемым. Другими недостатками данного устройства являются отсутствие стабилизации зарядного или разрядного тока при колебаниях сетевого напряжения и отсутствие гальванической развязки АБ от питающей сети.

Задачей изобретения является создание станции автоматической зарядно-разрядной для ведения в автоматическом режиме заряда, разряда и тренировки АБ различных номинальных емкостей и напряжений стабилизированным асимметричным или постоянным токами, уменьшение размеров станции, питающейся от одно- или трехфазной сети переменного напряжения или от сети постоянного напряжения с гальванической развязкой АБ от питающей сети.

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащее схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, соединенный с выводами питающего напряжения, три блока усилителей, блок аккумуляторной батареи, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда и блоком индикации, блок датчика напряжения, блок питания, соединенный с выводами питающего напряжения, введены в схему управления силовой частью блок выпрямителя, соединенный с блоком фильтров, блок сетевого фильтра, соединенный с блоком сетевого выпрямителя, блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с блоком сетевого фильтра и с первым блоком усилителей, блок высокочастотного выпрямителя, соединенный с блоком регулируемого источника зарядного тока, блок фильтра, соединенный с блоком высокочастотного выпрямителя, блок ключа, соединенный со вторым блоком усилителей и с блоком фильтра, блок разряда конденсаторов, соединенный с точкой соединения блока фильтра и блока ключа, блок нагрузки, соединенный с блоком разряда конденсаторов, блок регулируемого источника разрядного тока, соединенный с блоком ключа, с третьим блоком усилителей и с точкой соединения блока ключа, блока разряда конденсаторов и блока фильтра, блок индуктора, соединенный с точкой соединения блока ключа и блока регулируемого источника разрядного тока, блок подключения аккумуляторных батарей, соединенный с блоком индуктора, блоком датчика напряжения и с блоком АБ, а в схему управления по заданному алгоритму введены блок датчика тока, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей, блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), соединенный с блоком датчика тока, блоком датчика напряжения и блоком управления, блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ), соединенный с блоком управления и с тремя блоками усилителей, блок звуковой сигнализации, соединенный с блоком управления, и блок пульта управления, соединенный с блоком задания режима заряда, при этом блок ШИМ, блок задания алгоритма заряда, блок АЦП, блок задания режима заряда и блок управления входят в состав блока однокристального микропроцессора (ОМП).

Введенные блок сетевого выпрямителя и блок сетевого фильтра позволяют осуществлять питание станции от одно- или трехфазной сети переменного напряжения или от сети постоянного напряжения. Введенные блок регулируемого источника зарядного тока, блок высокочастотного выпрямителя, блок фильтра и блок ШИМ, работающие на высокой частоте, позволяют уменьшить размеры станции и осуществляют гальваническую развязку АБ от питающей сети. Введенные блок ключа, блок индуктора, блок регулируемого источника разрядного тока, блок разряда конденсаторов и блок нагрузки предназначены для проведения разряда АБ. Введенный блок пульта управления позволяет осуществлять выбор режима работы станции - автоматический заряд, автоматический разряд или автоматическая тренировка АБ, выбор типа АБ, вид зарядного тока, задание тока заряда, тока разряда, времени заряда при тренировке АБ, конечную емкость АБ при тренировке. Введенные блок подключения аккумуляторных батарей и блок АЦП осуществляют обратную связь для стабилизации тока заряда и разряда. Введенный блок звуковой сигнализации предназначен для акустического извещения об окончании процесса заряда, разряда или тренировки.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство включает систему управления по заданному алгоритму (СУЗА) 1 и систему управления силовой частью (СУСЧ) 2. Блок 3 ОМП состоит из блока 4 управления, блока 5 задания алгоритма заряда, блока 6 ШИМ, блока 7 АЦП и блока 8 задания режима заряда и соединен с блоком 9 индикации, блоком 10 звуковой сигнализации, блоком 11 пульта управления, 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 14 подключения аккумуляторных батарей, входы которого соединены с блоком 15 АБ. Выходы блока 6 ШИМ соединены с входами соответствующих блоков 16, 17 и 18 усилителей, выходы которых соединены со входами блока 19 регулируемого источника зарядного тока, блока 20 ключа и блока 21 регулируемого источника разрядного тока соответственно. Питающее напряжение подается на блок 22 питания и на блок 23 фильтров. Выход блока 23 фильтров соединен со входом блока 24 сетевого выпрямителя, выход которого соединен со входом блока 25 сетевого фильтра. Выход блока 25 сетевого фильтра соединен со входом блока 19 регулируемого источника зарядного тока, выход которого соединен с блоком 26 высокочастотного выпрямителя. Блок 27 фильтра соединен с блоком 26 высокочастотного выпрямителя и с точкой соединения блока 20 ключа, блока 21 регулируемого источника разрядного тока и блока 28 разряда конденсаторов. Блок 29 нагрузки соединен с блоком 28 разряда конденсаторов. Блок 30 индуктора соединен с блоком 14 подключения аккумуляторных батарей и с точкой соединения блока 20 ключа и блока 21 регулируемого источника разрядного тока.

Устройство работает следующим образом. Питающее напряжение поступает на блок 22 питания, который вырабатывает постоянные стабилизированные напряжения для питания блока 10 звуковой сигнализации, блока 9 индикации, блока 14 подключения аккумуляторных батарей, блока 12 датчика тока, блока 13 датчика напряжения, блоков 16, 17 и 18 усилителей и блока 3 однокристального микропроцессора (ОМП), состоящего из блока 4 управления, блока 5 задания алгоритма заряда, блока 6 ШИМ, блока 7 АЦП и блока 8 задания режима заряда. При включении устройства сигналы с выхода блока 3 ОМП запирают блоки 16, 17 и 18 усилителей во избежание открытия силовых элементов схемы управления силовой частью 2. Команды, поступающие от оператора в блок 3 ОМП через блок 11 пульта управления, задают режим работы станции - заряд АБ, разряд АБ или тренировка АБ до набора емкости, выбор типа АБ, вид зарядного тока, задание тока заряда, тока разряда, времени заряда при тренировке АБ, конечную емкость АБ при тренировке с отображением данной информации в блоке 9 индикации, представляющего собой жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). Блок 10 звуковой сигнализации, представляющий собой акустический генератор, оповещает об окончании процесса заряда, разряда или тренировки. Входное переменное или постоянное напряжение, проходя через блок 23 фильтров, служащий для защиты сети от высокочастотных помех станции, преобразуется в блоке 24 сетевого выпрямителя, представляющего собой выпрямительный мост, и блоке 25 сетевого фильтра, представляющего собой Г-образный LC-фильтр, в постоянное напряжение. Блок 19 регулируемого источника зарядного тока собран из силовых ключевых элементов по мостовой или полумостовой схеме с подключенным к ней высокочастотным трансформатором, осуществляющим гальваническую развязку АБ от сети. Напряжение высокой частоты на вторичной обмотке трансформатора выпрямляется в блоке 26 высокочастотного выпрямителя, представляющего собой диодный мост или диодный полумост, и сглаживается в блоке 27 фильтра, представляющего собой Г-образный LC-фильтр.

Для осуществления режима автоматического заряда АБ по команде оператора из блока 11 пульта управления силовой ключ в блоке 20 ключа замыкается по сигналу из блока 3 ОМП через блок 17 усилителей, и зарядный ток начинает протекать через АБ. Стабилизация амплитуды зарядного тока осуществляется с помощью сигнала с блока 12 датчика тока, поступающего через блок 7 АЦП в блок 4 управления. По результатам сравнения полученного сигнала с заданной величиной блок 4 управления изменяет время подачи напряжения на первичную обмотку трансформатора в блоке 19 регулируемого источника зарядного тока, посылая соответствующий сигнал через блок 6 ШИМ в блок 16 усилителей, стабилизируя таким образом ток заряда. Если по команде оператора из блока 11 пульта управления был выбран асимметричный ток заряда, то импульсы зарядного тока чередуются импульсами разрядного тока, для чего через заданный интервал времени сигналы из блока 3 ОМП, поступающие в блоки 16 и 17 усилителей, закрывают силовые ключи в блоке 19 регулируемого источника зарядного тока и в блоке 20 ключа, останавливая протекание зарядного тока через АБ. После паузы заданной величины сигнал из блока 3 ОМП через блок 18 усилителей поступает в блок 21 регулируемого источника разрядного тока, формируя разрядный ток. Энергия разряда АБ накапливается на емкостном элементе блока 27 фильтра. Стабилизация амплитуды разрядного тока осуществляется с помощью сигнала с блока 12 датчика тока, поступающего через блок 7 АЦП в блок 4 управления. По результатам сравнения полученного сигнала с заданной величиной блок 4 управления изменяет время открытия силового элемента в блоке 21 регулируемого источника разрядного тока, посылая соответствующий сигнал через блок 6 ШИМ в блок 18 усилителей. Через заданный интервал времени сигнал из блока 3 ОМП, поступающий в блок 18 усилителей, закрывает силовой ключ в блоке 21 регулируемого источника разрядного тока, останавливая протекание разрядного тока через АБ. После паузы заданной величины снова включается зарядный ток, формируя новый период асимметричного тока. В течение заданного интервала времени сигнал из блока 3 ОМП через блок 17 усилителей поступает в блок 20 ключа для плавного разряда избыточного напряжения емкостного элемента блока 27 фильтра. Блок 30 индуктора служит для сглаживания пульсаций зарядного и разрядного тока.

Напряжение батареи контролируется по сигналу, поступающему из блока 14 подключения аккумуляторных батарей в блок 13 датчика напряжения и с его выхода - на блок 7 АЦП. На ЖКИ блока 9 индикации отображается информация о ходе заряда - выбранный тип АБ, вид зарядного тока, величина тока заряда, текущее время заряда, напряжение АБ. Окончание заряда определяется по критериям, характерным для выбранного типа АБ. При определении окончания заряда или по команде оператора из блока 11 пульта управления сигналы из блока 3 ОМП, поступающие в блоки 16, 17 и 18 усилителей, закрывают силовые ключи в блоке 19 регулируемого источника зарядного тока, в блоке 20 ключа и блоке 21 регулируемого источника разрядного тока, останавливая протекание зарядного тока через АБ. На ЖКИ блока 9 индикации выводится информация о принудительном прерывании заряда или об окончании заряда с включением в блоке 10 звуковой сигнализации акустического оповещения об окончании процесса заряда.

Для осуществления режима автоматического разряда АБ по команде оператора из блока 11 пульта управления сигнал из блока 3 ОМП через блок 18 усилителей поступает в блок 21 регулируемого источника разрядного тока, формируя разрядный ток. Энергия разряда АБ накапливается на емкостном элементе блока 27 фильтра. Когда напряжение на емкостном элементе блока 27 фильтра достигнет порога срабатывания ключевого элемента блока 28 разряда конденсаторов, ключ откроется и избыточная энергия начнет преобразовываться в тепло на резистивном элементе блока 29 нагрузки, напряжение будет уменьшаться и по достижении нижней границы гистерезиса порогового элемента ключевой элемент закроется и напряжение на емкостном элементе снова начнет нарастать до порога срабатывания ключевого элемента блока 28 разряда конденсаторов, предохраняя таким образом емкостный элемент блока 27 фильтра от выхода из строя в результате перенапряжения. Стабилизация амплитуды разрядного тока осуществляется с помощью сигнала с блока 12 датчика тока, поступающего через блок 7 АЦП в блок 4 управления. По результатам сравнения полученного сигнала с заданной величиной блок 4 управления изменяет время открытия силового элемента в блоке 21 регулируемого источника разрядного тока, посылая соответствующий сигнал через блок 6 ШИМ в блок 18 усилителей. Блок 30 индуктора служит для сглаживания пульсаций разрядного тока.

Напряжение батареи контролируется по сигналу, поступающему из блока 14 подключения аккумуляторных батарей в блок 13 датчика напряжения и с его выхода - на блок 7 АЦП. На ЖКИ блока 9 индикации отображается информация о ходе разряда - выбранный тин АБ, величина тока разряда, текущее время разряда, напряжение АБ. Окончание разряда определяется по уровню напряжения, характерного для выбранного типа АБ. При определении окончания разряда или по команде оператора из блока 11 пульта управления сигналы из блока 3 ОМП, поступающий в блок 18 усилителей, закрывает силовой ключ в блоке 21 регулируемого источника разрядного тока, останавливая протекание разрядного тока через АБ. На ЖКИ блока 9 индикации выводится информация о принудительном прерывании разряда или об окончании разряда с включением в блоке 10 звуковой сигнализации акустического оповещения об окончании процесса разряда.

Для осуществления режима автоматической тренировки АБ по команде оператора из блока 11 пульта управления блок 3 ОМП осуществляет вышеописанный заряд АБ в течение времени заряда, заданного оператором через блок 11 пульта управления. После окончания заряда выдерживается пауза в течение заданного интервала времени для отгазовки батареи, после чего автоматически включается вышеописанный разряд АБ. После окончания разряда выдерживается пауза в течение заданного интервала времени для технологического обслуживания АБ, блок 3 ОМП сравнивает разрядную емкость АБ с заданной перед включением режима автоматической тренировки оператором емкостью по команде из блока 11 пульта управления. Если разрядная емкость меньше заданной, автоматически включается вышеописанный цикл заряда-разряда. Если разрядная емкость больше заданной, автоматически включается вышеописанный заряд АБ в течение заданного времени, по окончании которого на ЖКИ блока 9 индикации выводится информация об окончании тренировки с включением в блоке 10 звуковой сигнализации акустического оповещения об окончании процесса тренировки. Процесс автоматической тренировки может быть принудительно прерван по команде оператора из блока 11 пульта управления. В ходе автоматической тренировки на ЖКИ блока 9 индикации отображается информация о ходе тренировки - выбранный тип АБ, вид зарядного тока, текущее время заряда или разряда, напряжение АБ, заданная емкость АБ, текущая емкость АБ при разряде.

Цепь заряда состоит из блока 23 фильтров, служащего для защиты сети от высокочастотных помех, блока 24 сетевого выпрямителя, представляющего собой выпрямительный мост, блока 25 сетевого фильтра, представляющего собой Г-образный LC-фильтр, блока 19 регулируемого источника зарядного тока, управляемого через блок 16 усилителей от блока 3 ОМП и собранного из силовых ключевых элементов по мостовой или полумостовой схеме с подключенным к ней высокочастотным трансформатором, осуществляющим гальваническую развязку АБ от сети, блока 26 высокочастотного выпрямителя, представляющего собой диодный мост или диодный полумост, блока 27 фильтра, представляющего собой Г-образный LC-фильтр, блока 20 ключа, управляемого через блок 19 усилителей от блока 3 ОМП и служащего для плавного разряда избыточного напряжения емкостного элемента блока 27 фильтра после разрядного импульса асимметричного тока, блока 30 индуктора, служащего для сглаживания пульсаций зарядного тока, блока 14 подключения аккумуляторных батарей и блока 15 АБ.

Цепь разряда состоит из блока 15 АБ, блока 14 подключения аккумуляторных батарей, блока 30 индуктора, дроссель которого является индуктивным элементом повышающего ШИМ-преобразователя регулируемого источника разрядного тока, блока 21 регулируемого источника разрядного тока, управляемого через блок 18 усилителей от блока 3 ОМП, которым задается и поддерживается необходимый уровень разрядного тока, энергия импульса разрядного тока преобразуется в заряд конденсатора блока 27 фильтров и используется для создания зарядного тока, блока 28 разряда конденсаторов, предохраняющего емкостный элемент блока 27 фильтров от выхода из строя при разряде, и блока 29 нагрузки.

Введение в систему управления силовой частью блока сетевого выпрямителя, блок сетевого фильтра, блока регулируемого источника зарядного тока, блока высокочастотного выпрямителя, блока фильтра, блока ключа, блока индуктора, блока регулируемого источника разрядного тока, блока разряда конденсаторов, блока нагрузки и в систему управления по заданному алгоритму блока пульта управления, блока подключения аккумуляторных батарей, блока АЦП и блока звуковой сигнализации позволяют создать станцию автоматическую зарядно-разрядную для ведения в автоматическом режиме заряда, разряда или тренировки АБ различных номинальных емкостей и напряжений стабилизированным асимметричным или постоянным током, уменьшить размеры станции, питающейся от одно- или трехфазной сети переменного напряжения или от сети постоянного напряжения с гальванической развязкой АБ от питающей сети.

Использование: для автоматического заряда, разряда и тренировки аккумуляторных батарей (АБ) на основе высокочастотных преобразователей с гальванической развязкой. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства. Зарядная часть станции выполнена по мостовой или полумостовой схеме с высокочастотным трансформатором, разрядная часть выполнена на основе повышающего ШИМ-преобразователя с рекуперацией энергии в емкостный элемент. Станция питается от одно- или трехфазной сети переменного напряжения или от сети постоянного напряжения. По командам оператора задается режим работы станции - заряд АБ, разряд АБ или тренировка АБ до набора емкости, выбор типа АБ, вид зарядного тока, задание тока заряда, тока разряда, времени заряда при тренировке АБ, конечную емкость АБ при тренировке с отображением данной информации на жидкокристаллическом индикаторе. 1 ил.

Станция автоматическая зарядно-разрядная, содержащая схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, соединенный с выводами питающего напряжения, три блока усилителей, блок аккумуляторной батареи, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда и блоком индикации, блок датчика напряжения, блок питания, соединенный с выводами питающего напряжения, отличающаяся тем, что в схему управления силовой частью введены блок выпрямителя, соединенный с блоком фильтров, блок сетевого фильтра, соединенный с блоком сетевого выпрямителя, блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с блоком сетевого фильтра и с первым блоком усилителей, блок высокочастотного выпрямителя, соединенный с блоком регулируемого источника зарядного тока, блок фильтра, соединенный с блоком высокочастотного выпрямителя, блок ключа, соединенный со вторым блоком усилителей и с блоком фильтра, блок разряда конденсаторов, соединенный с точкой соединения блока фильтра и блока ключа, блок нагрузки, соединенный с блоком разряда конденсаторов, блок регулируемого источника разрядного тока, соединенный с блоком ключа, с третьим блоком усилителей и с точкой соединения блока ключа, блока разряда конденсаторов и блока фильтра, блок индуктора, соединенный с точкой соединения блока ключа и блока регулируемого источника разрядного тока, блок подключения аккумуляторных батарей, соединенный с блоком индуктора, блоком датчика напряжения и с блоком АБ, а в схему управления по заданному алгоритму введены блок датчика тока, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей, блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), соединенный с блоком датчика тока, блоком датчика напряжения и блоком управления, блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ), соединенный с блоком управления и с тремя блоками усилителей, блок звуковой сигнализации, соединенный с блоком управления и блок пульта управления, соединенный с блоком задания режима заряда.