УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПОРТАТИВНАЯ СИСТЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H02J7/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к портативной системе аккумулирования электроэнергии и электроснабжения, пригодной для широкого множества беспроводных применений и безостановочного использования источника бесперебойного электропитания.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к универсальной портативной системе аккумулирования электроэнергии и электроснабжения. Как правило, источник электропитания, обычно, определяется характерным применением. Например, источник бесперебойного электропитания (UPS) используют только для поддержания электроснабжения, банк мощности, обычно, используют для электроснабжения некоторых устройств постоянного тока и так далее. Нет системы электроснабжения, которая могла бы служить в качестве источника бесперебойного электропитания, портативного источника электропитания переменным током и портативного источника электропитания постоянным током, которая обеспечивает возможность подзарядки системы при использовании сетевого источника электропитания переменным током, регулируемого источника электропитания постоянным током, или даже возобновляемого источника энергии, например фотоэлектрических батарей и ветротурбины. Расширяемые характеристики современных аккумуляторных модулей дополнительно увеличивают технологическую гибкость системы, используемой для многих применений и потребностей. Механизмы, которые дают возможность использования множества подзарядки и видов разрядки, конструкций совместимости между преобразователем, аккумуляторным модулем (аккумуляторными модулями) и панелью солнечной батареи и дополнительная уникальная конструкция интеграции системы, все вместе дают возможность системе аккумулирования электроэнергии и электроснабжения быть одновременно применимой для широкого множества применений.

Система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения, соответствующая настоящему изобретению, состоит из преобразователя и расширяемого числа модулей множества аккумуляторов, соединенных параллельно. Эта система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения обеспечивает возможность источнику электропитания постоянным током и переменным током подзарядки аккумуляторных модулей и в то же самое время обеспечивает возможность мощности переменного тока и постоянного тока при разрядке аккумуляторных модулей. Эта система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения может стать идеальным источником электропитания для всех портативных применений, например, газонокосилки, пылесоса, устройства для соединения с автомобильными аккумуляторами, источника бесперебойного электропитания, и даже аккумулятора для панели солнечной батареи. Конструкция и функции преобразователя, блока аккумуляторного модуля и способы интеграции преобразователя с аккумуляторными модулями, соединенными параллельно, будут подробно описаны ниже.

ОБЪЕКТ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Объектом настоящего изобретения является получение одной портативной системы аккумулирования электроэнергии и энергоснабжения, которая обеспечивает энергии в виде переменного тока и постоянного тока, которая принимает источники питания переменным током и постоянным током. Расширяемые характеристики аккумуляторных модулей и выходные характеристики переменного тока/постоянного тока обеспечивают возможность получения одной системы, которая применима для широкого множества применений, включая беспроводные устройства и даже безостановочную систему источника бесперебойного электропитания.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения, которая может заряжаться одновременно или отдельно от источников электропитания переменным током или постоянным током. Система предназначена для использования с широким множеством применений, требующих источников электропитания переменным током или постоянным током. Расширяемые характеристики аккумуляторных модулей, типы и конфигурации выходов постоянного тока на аккумуляторных модулях и выходы переменного тока, находящиеся в преобразователе, делают систему технологически гибкой, и в то же самое время применимой для широкого множества применений. Дополнительно описаны и проиллюстрированы требования и функции, предлагаемые для удовлетворения совместимости и возможности расширения системы, которая включает в себя преобразователь, аккумуляторные модули и источники возобновляемой энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - иллюстрация конструкции и функции преобразователя;

Фиг.2 - иллюстрация портативной системы аккумулирования и электроснабжения, которая может заряжаться и разряжаться переменным и постоянным током;

Фиг.3 - конструкция аккумуляторного модуля, который имеет расширяемые характеристики;

Фиг.4 - конфигурация контроллера, реле, термодатчика (или плавкого предохранителя) и конструкции выхода постоянного тока аккумуляторного модуля;

Фиг.5a - иллюстрация конфигурации системы, используемой в качестве источника электроснабжения для устройств переменного тока;

Фиг.5b - иллюстрация конфигурации системы, разряжаемой устройствами переменного тока и подзаряжаемой посредством сетевого источника электропитания переменным током;

Фиг.5c - иллюстрация конфигурации системы, разряжаемой устройствами переменного тока и подзаряжаемой источником электропитания (панелью солнечной батареи) постоянным током;

Фиг.5d - иллюстрация конфигурации системы, разряжаемой устройствами переменного тока и подзаряжаемой одновременно источником электропитания (панелью солнечной батареи) постоянным током и источником электропитания переменным током;

Фиг.6a - иллюстрация конфигурации системы, разряжаемой устройствами постоянного тока и подзаряжаемой сетевым источником электроснабжения переменным током;

Фиг.6b - иллюстрация конфигурации системы, разряжаемой устройствами постоянного тока и подзаряжаемой источником электроснабжения постоянным током (панелью солнечной батареи);

Фиг.6c - иллюстрация конфигурации системы, разряжаемой устройствами постоянного тока и подзаряжаемой одновременно источником электропитания (панелью солнечной батареи) постоянным током и источником электропитания переменным током; и

Фиг.7 - иллюстрация конфигурации системы, разряжаемой устройствами переменного тока и постоянного тока и подзаряжаемой одновременно источником электропитания (панелью солнечной батареи) постоянным током и источником электропитания переменным током.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Преобразователь

Как правило, система источника бесперебойного электропитания имеет преобразователь, который преобразует сетевой источник электроснабжения переменным током в источник электроснабжения постоянным током, который подзаряжает аккумуляторы. Поскольку нет возможности входа внешних источников электроснабжения постоянным током (например, панели солнечной батареи) для стандартных применений системы источника бесперебойного электропитания, конструкция преобразователя стандартного источника бесперебойного электропитания является простой по сравнению с универсальной портативной системой аккумулирования электроэнергии и электроснабжения, соответствующей настоящему изобретению. Непревзойденные характеристики преобразователя, который готов к подключению к аккумуляторному модулю (модулям), а также описан в настоящем изобретении, дают возможность одной системе быть готовой к применению для широкого множества беспроводных применений. Конструкция преобразователя иллюстрируется на фиг.1. Функции преобразователя, иллюстрируемые на фиг.1, включают в себя: 1) преобразование сетевых источников электроснабжения переменным током (110 В / 220 В) в мощность постоянного тока более низкого напряжения (например, 14,6 В); 2) трансформирование источников электроснабжения постоянным током (например, 12-14 В) в мощность переменного напряжения высокого напряжения (например, 110/220 В) для устройств переменного тока; 3) подзарядку аккумуляторных модулей. Поскольку система, описываемая в настоящем изобретении, готова к принятию возобновляемых источников энергии (например, панели солнечной батареи и ветротурбины) и использованию ионно-литиевых аккумуляторов (предпочтительно типа оксида литий-железо-фосфора), логика и набор условий для преобразователя, соответствующего настоящему изобретению, совершенно отличны от стандартных преобразователей, которые имеют дело с более простыми условиями. Ниже подробно описаны логика и оговорки, используемые в настоящем изобретением.

Часть I. Когда соединен сетевой источник электроснабжения

1. Когда соединен сетевой источник электроснабжения переменным током (110/220 В), шунтируется выход переменного тока (110/220 В) от аккумуляторного источника электропитания. Это означает, что источник энергии выхода мощности переменного тока коммутируется от аккумулятора к сетевому источнику электроснабжения, как только сетевой источник электроснабжения переменным током становится доступным.

2. Когда соединен сетевой источник электроснабжения переменным током (110 В/220 В), аккумуляторные модули подвергаются подзарядке. Устанавливается и регулируется максимальный ток. Конечное плавающее зарядное напряжение также устанавливается как V_H и регулируется.

3. Если детектирование напряжения аккумулятора превышает предварительно установленное напряжение верхнего предела (обычно, немного большее плавающего зарядного напряжения, обозначенное V_H'), то сетевой источник электроснабжения переменным током (110/220 В), который заряжает аккумулятор, отключается до тех пор, пока не проводится возобновление действия (повторного включения в сетевой источник электроснабжения переменным током). Эта функция специально предназначена для предохранения преобразователя, заряжаемого внешним источником электропитания постоянным током (например, панелью солнечной батареи), который вызывает повреждение преобразователя, если напряжение источника питания постоянным током превышает зарядное напряжение (к аккумуляторным модулям) преобразователя.

4. Функция предотвращения избыточного заряда преобразователя: если напряжение аккумулятора превышает максимальное длительное напряжение преобразователя V_H” (например, длительность 16 В для преобразователя, который соединен с аккумуляторной системой 13 В), то выход переменного тока преобразователя будет отключен до тех пор, пока напряжение не упадет до длительного напряжения преобразователя. Опять, это функция, которая отвечает требованиям для случая, когда доступен источник питания панели солнечной батареи.

Часть 2. Когда не соединен сетевой источник электроснабжения

1. Когда не доступен сетевой источник электроснабжения, выходной конец (концы) переменного тока преобразователя активируется до тех пор, пока не достигается нижний предел напряжения постоянного тока (детектируемый со стороны, которая соединяется с аккумулятором, V_L). Это означает, что устройства начнут потреблять энергию от аккумуляторных модулей, когда не доступен сетевой источник электроснабжения переменным током.

2. Тогда как преобразователь преобразует постоянный ток (энергию аккумулятора) в переменный ток, если преобразователь соединен с сетевым источником электроснабжения переменным током, то работа устройств, соединенных с преобразователем, не осуществляется благодаря действиям преобразователя, которые выполняют функцию шунтирования и функцию подзарядки аккумулятора (смотри пункт 1 и 2 части 1).

3. Когда напряжение аккумулятора достигает нижнего предела напряжения, установленного преобразователем V_L, выход аккумулятора не возможен до тех пор, пока не будет достигнут предварительно установленный верхний предел V_L' напряжения. Эта функция опять препятствует любой возможности избыточного заряда аккумулятора в короткое время без должной подзарядки аккумулятора. В этом случае, только источник электропитания постоянного тока, например панель солнечной батареи, или сетевой источник электроснабжения переменным током может повторно активировать нормальную работу преобразователя, который использует аккумулятор как источник электропитания.

Аккумуляторный модуль

Часть 1. Управляющая часть аккумуляторного модуля

Для увеличения «простоты (низкой стоимости) технического обслуживания» и для характеристик «технологической гибкости (обеспечения возможности широкого диапазона солнечной системы или даже ветротурбины)» системы аккумулирования энергии внутри каждого аккумуляторного модуля размещен контроллер защиты ячеек. Контроллер осуществляет текущий контроль напряжения каждого аккумулятора, соединенного последовательно. Как только контроллер детектирует низкое напряжение (V_BL) или высокое напряжение (V_BH) каких-либо аккумуляторов, соединенных последовательно, контроллер передает сигнал для блокирования входа/выхода мощности с использованием реле. При условии избыточного заряда реле размыкается до тех пор, пока не будет достигнуто более низкое напряжение (V_BH'). В противоположность этому, при состоянии чрезмерной разрядки реле разомкнется до тех пор, пока вручную не будет нажата кнопка «возобновления» (или просто заменен аккумуляторный модуль). Во время состояния чрезмерной разрядки, звук устройства звуковой сигнализации или световой сигнал мигающего светодиода могут генерироваться для привлечения внимания к ненормальному состоянию. В общем, преобразователь отключит электроснабжение от аккумуляторных модулей прежде, чем достигается низкое напряжение (V_BL) для каждого аккумулятора, находящегося в аккумуляторных модулях. В настоящем изобретении, тип оксида литий - железо - фосфора (LiFexPyOz) ионно-литиевого аккумулятора является предпочтительным типом аккумулятора. При использовании ионно-литиевых аккумуляторов типа оксида литий-железо-фосфора, установленный верхний предел напряжения (V_BH) предпочтительно составляет 4,0 В, а установленный нижний предел напряжения (V_BL) предпочтительно составляет 2,0 В. В общем, эти пределы не будут достигаться, если работает преобразователь (то есть преобразователь достигает напряжения (V_H) и напряжения (V_L) прежде, чем достигаются напряжения (V_BH и V_BL)). Контроллер, внедренный в каждый аккумуляторный модуль, обеспечивает две основные функции: (1) Допустим, что один аккумуляторный модуль состоит из четырех аккумуляторов в последовательной конфигурации, и допустим, что аккумуляторный модуль поддерживается при напряжении 13,4 В (подобно другим аккумуляторным модулям, поскольку все модули соединены параллельно, как показано на фиг.2). В то время как один из аккумуляторов внутренне закорачивается (закорачивается внутри самого аккумулятора), падение напряжения одного из аккумуляторов, соединенных последовательно, инициирует сигнал «размыкания» реле, таким образом, предотвращая зарядку других аккумуляторных модулей (поддерживаемых при подобном напряжении 13,4 В), один из (модулей) которых имеет внутри дефектный аккумулятор. (2) При использовании функции звука устройства звуковой сигнализации пользователь может узнавать о целостности аккумуляторных модулей, судя по частоте генерации звука устройства звуковой сигнализации.

Часть 2. Функции и соединения аккумуляторных модулей

Как иллюстрируется на фиг.3, аккумуляторные модули физически соединены через контакты, позиционируемые на передней стенке каждого аккумуляторного модуля. Контакты предназначены для удерживания аккумуляторов, когда они соединены параллельно. Это предполагает, что когда соединено два аккумуляторных модуля, они могут удерживаться как только один аккумуляторный модуль. Помимо контактов, имеется два типа выходов, расположенных на каждом аккумуляторном модуле. Первый тип специально предназначен для больших токовых применений, например для соединения с автомобильным аккумулятором. Этот тип выхода расположен на верхней части каждого аккумуляторного модуля. Второй тип выхода, указанный двумя небольшими отверстиями, расположенными на верхней части или на стороне аккумуляторного модуля, специально предназначен для зарядки и разрядки аккумуляторных модулей (смотри фиг.3). Функции и конструкции выхода второго типа описаны ниже.

1. Эти выходы могут быть использованы для источника электропитания постоянным током. Например, они могут быть использованы для беспроводных применений, например портативной газонокосилки, пылесоса или других бытовых приборов.

2. Эти выходы могут быть использованы для зарядки аккумуляторного модуля (аккумуляторных модулей). Хотя при зарядке аккумуляторного модуля (аккумуляторных модулей) используется преобразователь, эти выходы могут быть использованы для соединения с первым аккумуляторным модулем (или преобразователем) и третьим аккумуляторным модулем, если мы считаем, что текущий аккумуляторный модуль назван вторым аккумуляторным модулем. Эти выходы, соединенные при использовании кабелей, обеспечивают возможность параллельной зарядки аккумуляторных модулей. Следует отметить, что если один из модулей не в порядке или достигает состояния отключения аккумулятора, другие аккумуляторные модули еще заряжаются должным образом без отрицательного влияния модулем, который не заряжается. Подробная конструкция этих выходов иллюстрируется на фиг.4.

3. Один термодатчик размещен на одном конце реле, как показано на фиг.4. Этот термодатчик контролирует «разомкнутое» или «замкнутое» состояние реле. В то время как температура высока, реле будет разомкнуто до тех пор, пока температура не упадет до нормальной. Эта функция специально предназначена для случая, в котором один из модулей изымается из нормального использования и когда он соединяется назад с другими модулями для зарядки. Можно ожидать, что большой ток может пойти в аккумуляторный модуль, который относительно пуст. Как будет описано далее, эта функция также не позволяет дополнительного ограничения ввода любой возобновляемой энергии.

4. Эти выходы могут быть подключены к панели солнечной батареи. Типы и спецификация панели солнечной батареи не ограничиваются, пока термодатчик не инициирует размыкания реле. Следует отметить, что панель солнечной батареи может быть подключена к выходу первого типа, если все выходы второго типа заняты.

Интегрированная система

Примеры, иллюстрируемые ниже, используют преобразователь мощностью 250 Вт, аккумуляторный модуль напряжением 13,2 В, емкостью 20 А-час и панель солнечной батареи, которая имеет пиковую мощность 75 Вт. Преобразователь имеет настройки, как описано в прежней секции с предварительной установкой V_H=14,6, V_H'=14,7, V_H”=16,0, V_L=11, V_L'=12,5. Аккумуляторный модуль также имеет функции и настройки, как описано ранее, с предварительной установкой V_BH=4,0, V_BH'=3,5, V_BL=2,0. Предельный ток из аккумулятора составляет 15 А, а предельный ток из преобразователя составляет 2,5 А (переменный ток, 110 В).

ПРИМЕР 1. Разрядка переменного тока, подзарядка источниками электроснабжения переменным током и постоянным током

В настоящем примере конфигурация системы иллюстрируется на фиг.5a. Во время разрядки системы низковольтное отключение контролируется преобразователем, который установлен на напряжение 11 В. Эта конфигурация системы хороша для таких применений, как в кемпинге, источник электропитания для небольшого портативного компьютера и так далее, когда необходим источник электроснабжения переменным током.

Случай 1. Разрядка переменного тока с зарядкой переменным током прежде, чем достигается предел отключения преобразователя

Как показано на фиг.5b, перед завершением разрядки переменного тока, если обеспечивается сетевой источник электроснабжения переменным током, то на функционирование устройства переменного тока не будет оказываться влияния во время переключения источника электроснабжения от аккумулятора к сетевой электроэнергии. Между тем, аккумуляторный модуль находится в состоянии подзарядки при наличии сетевого источника электроснабжения переменным током. Система находится в режиме подзарядки до тех пор, пока будет достигнут верхний предел напряжения 14,6 В.

Случай 2. Разрядка переменного тока с зарядкой переменным током после того, как достигается предел отключения преобразователя

И в этом случае, как показано на фиг.5b, когда завершается разрядка переменного тока, в это время подача выходной мощности останавливается нижним пределом (11 В) напряжения преобразователя. Если обеспечивается сетевой источник электроснабжения переменным током, то функционирование устройства переменного тока возобновляется вследствие поступления электроэнергии из сети. Между тем, аккумуляторный модуль находится в состоянии подзарядки при наличии сетевого источника электроснабжения переменным током. Система заряжается до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел 14,6 В напряжения. Одно состояние возникает в том случае, когда, при отсоединении сетевой электроэнергии переменного тока перед достижением V_L (12,5 В), работа устройства переменного тока останавливается вследствие недостаточной зарядки для аккумулятора, которая может вызвать быстрый чрезмерный разряд аккумуляторного модуля.

Случай 3. Разрядка переменного тока с зарядкой постоянным током прежде, чем достигается предел отключения преобразователя

Как показано на фиг.5c, перед завершением разрядки переменного тока, если обеспечивается источник электропитания постоянным током, то на функционирование устройства переменного тока не будет оказываться влияние входом электроэнергии постоянного тока. Однако если достигается состояние чрезмерного заряда (более 4,0 В любого из аккумуляторов), то реле аккумулятора размыкается до тех пор, пока напряжение аккумулятора не упадет до меньшего напряжения V_BH'=3,5 В (замыкание реле). С другой стороны, если напряжение панели солнечной батареи превышает V_H” (16,0 В), то выход переменного тока преобразователя к устройству отключается до тех пор, пока напряжение не упадет ниже V_H”.

Случай 4. Разрядка переменного тока с зарядкой постоянным током после того, как достигается предел отключения преобразователя

И в этом случае, как показано на фиг.5c, когда завершается разрядка переменного тока, в это время подача выходной мощности останавливается нижним пределом (11 В) напряжения преобразователя. Если в это время обеспечивается источник электропитания постоянным током, то функционирование устройства переменного тока не возобновляется до тех пор, пока напряжение аккумулятора не превысит более высокое предварительно установленное напряжение V_L'=12,5 В. Тем не менее, если достигается состояние чрезмерного заряда (более 4,0 В любого из аккумуляторов), то аккумуляторное реле разомкнется до тех пор, пока напряжение аккумулятора не упадет до более низкого напряжения V_BH'=3,5 В (замыкание реле). С другой стороны, если напряжение панели солнечной батареи превышает V_H” (16,0 В), то выход переменного тока преобразователя к устройству будет отключен до тех пор, пока напряжение не упадет ниже V_H”.

Случай 5. Разрядка переменного тока с зарядкой переменным током и постоянным током прежде, чем достигается предел отключения преобразователя

Как показано на фиг.5d, перед завершением разрядки переменного тока, если предусмотрены источники электроснабжения как переменным током, так и постоянным током, устройство переменного тока обеспечивается электроэнергией сетевым источником электроснабжения переменным током, а аккумуляторный модуль также подзаряжается посредством как сетевого источника электроснабжения переменным током, так и панелью солнечной батареи. Однако если достигается состояние чрезмерного заряда аккумулятора (свыше 4,0 В любого из аккумуляторов), то аккумуляторное реле размыкается до тех пор, пока напряжение аккумулятора не упадет ниже напряжения 3,5 В (замыкание реле). Во время состояния чрезмерного заряда аккумулятора, напряжение аккумуляторного модуля может стать выше верхнего предела напряжения преобразователя для подзарядки напряжения аккумулятора (V_H=14,6 В) и это может повредить преобразователь. В таком состоянии отключается преобразователь, осуществляющий подзарядку функции аккумуляторного модуля (когда V_H'=14,7 В), до тех пор, пока не проводится действие повторного включения. С другой стороны, если напряжение панели солнечной батареи продолжает увеличиваться до тех пор, пока не превысит напряжения V_H” (16,0 В), выход переменного тока преобразователя к устройству отключается до тех пор, пока напряжение не упадет ниже V_H”. Однако поскольку имеется источник электроснабжения переменного тока, выход переменного тока еще является активным, но с источником электропитания от отключенных аккумуляторных модулей.

Случай 6. Разрядка переменного тока с зарядкой переменным током и постоянным током после того, как достигается предел отключения преобразователя

И в этом случае, как показано на фиг.5d, когда завершается разрядка переменного тока, в это время подача выходной мощности останавливается нижним пределом (11 В) напряжения преобразователя. Если в это время обеспечены источники электроснабжения как переменным током, так и постоянным током, то устройство переменного тока начинает потребление сетевой электроэнергии переменного тока, а аккумуляторный модуль также подзаряжается как посредством источника электроснабжения переменным током, так и панелью солнечной батареи. Одно состояние возникает, когда при отсоединении сетевой электроэнергии переменного тока перед достижением напряжения V_L' (12,5 В), работа устройства переменного тока останавливается вследствие недостаточной зарядки аккумулятора, которая может вызвать быструю чрезмерную разрядку аккумуляторного модуля. И в этом случае, подобное экстремальное состояние имеет место, если состояние чрезмерного заряда аккумулятора достигается вследствие источника электропитания постоянным током (свыше 4,0 В любого из аккумуляторов). В таком состоянии напряжение аккумуляторного модуля может стать выше верхнего предела напряжения подзарядки преобразователя (V_H, 14,6 В), которое может повредить преобразователь. В таком состоянии преобразователь, осуществляющий подзарядку функционирования аккумуляторного модуля, отключается до тех пор, пока не осуществляется повторное включение действия. Также если напряжение панели солнечной батареи продолжает увеличиваться до тех пор, пока напряжение не превысит V_H” (16,0 В), выход переменного тока преобразователя к устройству прекращается до тех пор, пока напряжение не упадет ниже V_H”. Однако поскольку имеется сетевой источник электроснабжения переменным током, выход переменного тока еще активен, но с отключенным источником электроэнергии от аккумуляторных модулей.

ПРИМЕР 2. Разрядка постоянного тока, подзарядка источниками электроснабжения переменным током и постоянным током

В настоящем примере конфигурация система иллюстрируется на фиг.3, как являющаяся только одним аккумуляторным модулем, достаточна для того, чтобы быть источником электропитания постоянным током. Во время разрядки системы низковольтное отключение контролируется аккумуляторным модулем, который установлен на напряжение V_BL=2,0. Этот автономный аккумуляторный модуль хорош для беспроводных применений, например пылесоса, газонокосилки, соединения с автомобильным аккумулятором и так далее, когда необходим источник электропитания постоянным током.

Случай 1. Разрядка постоянного тока с зарядкой переменным током прежде, чем достигается предел отключения преобразователя

Перед завершением разрядки постоянного тока, если аккумуляторный модуль размещен в системе и обеспечен сетевой источник электроснабжения переменным током, как показано на фиг.6a, аккумуляторный модуль будет заряжаться от сетевого источника электроснабжения переменным током и в то же самое время от другого аккумуляторного модуля, который не использовали ранее. Этот процесс зарядки продолжается до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел напряжения преобразователя (V_H, 14,6 В). Во время этого процесса подзарядки, если зарядный ток слишком велик, так что он вызывает нагрев заряжаемого аккумуляторного модуля, реле заряжаемого аккумуляторного модуля имеет функцию замыкания/размыкания при использовании термодатчика/выключателя, показанного на фиг.4. На функционирование устройства постоянного тока не оказывается влияния во время процесса зарядки, даже хотя при детектировании низковольтного аккумуляторного модуля выявляется перегрев во время процесса зарядки. Это имеет место, поскольку другой аккумуляторный модуль еще будет служить в качестве источника электропитания постоянным током для электроснабжения устройства постоянного тока.

Случай 2. Разрядка постоянного тока с зарядкой переменным током после того, как достигается предел отключения преобразователя

Когда завершается разрядка постоянного тока, в это время выход мощности останавливается нижним пределом (V_BL=2,0 В) напряжения аккумуляторного модуля. Если аккумуляторный модуль размещен в системе и обеспечен сетевой источник электроснабжения переменным током, как показано на фиг.6a, аккумуляторный модуль не будет функционировать до тех пор, пока не будет вручную нажата кнопка возобновления. В это время, аккумуляторный модуль будет заряжаться от сетевого источника электроснабжения переменным током и в то же самое время другим аккумуляторным модулем, который ранее не использовался. Процесс зарядки продолжается до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел (V_H, 14,6 В) напряжения преобразователя. Во время этого процесса подзарядки, если зарядный ток слишком велик, чтобы мог вызывать нагревание заряжаемого аккумуляторного модуля, реле заряжаемого аккумуляторного модуля имеет функцию размыкания/замыкания при использовании термодатчика/выключателя, показанного на фиг.4. На работу устройства постоянного тока не оказывается влияния во время этого процесса зарядки, даже если детектируется, что низковольтный аккумуляторный модуль перегревается во время процесса зарядки. Это имеет место, поскольку другой аккумуляторный модуль еще будет служить в качестве источника электропитания постоянным током для обеспечения устройства постоянного тока электроэнергией.

Случай 3. Разрядка постоянного тока с зарядкой постоянным током прежде, чем достигается предел отключения преобразователя

Перед завершением разрядки постоянного тока, если аккумуляторный модуль размещен в системе и обеспечивается источник электропитания постоянным током, как показано на фиг.6b, то аккумуляторный модуль будет заряжаться от источника электропитания постоянным током в то же самое время с другим аккумуляторным модулем, не используемым ранее. Этот процесс зарядки продолжается до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел напряжения аккумуляторного модуля (V_BH, 4,0 В). Во время этого процесса подзарядки, если зарядный ток слишком велик, так что он может вызвать нагревание заряжаемого аккумуляторного модуля, реле заряжаемого аккумуляторного модуля имеет функцию размыкания/замыкания при использовании термодатчика/выключателя, показанного на фиг.4. На работу устройства постоянного тока во время процесса зарядки не будет оказано влияние, даже если детектируется, что низковольтный аккумуляторный модуль перегревается во время процесса зарядки. Это имеет место, поскольку другой аккумуляторный модуль или панель солнечной батареи еще будет служить в качестве источника электропитания постоянным током для электроснабжения устройства постоянного тока. Кроме того, если все аккумуляторные реле разомкнуты и еще активен вход источника электропитания постоянным током от панели солнечной батареи, то возможно для напряжения (связанного с панелью солнечной батареи) превышать другой предел V”=16 В преобразователя. В таком случае функция выхода переменного тока преобразователя (источника из аккумуляторных модулей) отключается до тех пор, пока напряжение не упадет ниже V”.

Случай 4. Разрядка постоянного тока с зарядкой постоянным током после того, как достигается предел отключения преобразователя

Когда разрядка постоянного тока завершается, в то же самое время подача выходной мощности останавливается нижним пределом (V_BL=2,0 В) напряжения аккумуляторного модуля. Если аккумуляторный модуль размещен в системе и обеспечен источник электропитания постоянным током, как показано на фиг.6b, то аккумуляторный модуль не будет функционировать до тех пор, пока вручную не будет нажата кнопка возобновления. В то же самое время аккумуляторный модуль будет заряжаться от источника электропитания постоянным током в то же время от другого аккумуляторного модуля, который ранее не использовался. Этот процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел напряжения аккумуляторного модуля (V_BH, 4,0 В). Во время этого процесса подзарядки, если зарядный ток слишком велик, так что он может вызвать нагревание заряжаемого аккумуляторного модуля, реле заряжаемого аккумуляторного модуля имеет функцию размыкания/замыкания при использовании термодатчика/выключателя, показанного на фиг.4. На работу устройства постоянного тока не будет оказываться влияния во время этого процесса зарядки, даже если детектируется, что низковольтный аккумуляторный модуль перегревается во время процесса зарядки. Это имеет место, поскольку другой аккумуляторный модуль или панель солнечной батареи еще будет служить в качестве источника электропитания постоянным током для электроснабжения устройства постоянного тока. Кроме того, если все аккумуляторные реле разомкнуты, и вход источника электропитания от панели солнечной батареи еще является активным, то возможно для напряжения (связанного с панелью солнечной батареи) превышать другой предел V”=16 В преобразователя. В таком случае функция выхода переменного тока преобразователя (источник от аккумуляторных модулей) отключается до тех пор, пока напряжение не упадет ниже V”.

Случай 5. Разрядка постоянного тока с зарядкой переменным током и постоянным током перед тем, как достигается предел отключения преобразователя

Перед завершением разрядки постоянного тока, если аккумуляторный модуль размещен в системе и источники электроснабжения переменным током и постоянным током предусмотрены в то же самое время, как показано на фиг.6c, то аккумуляторный модуль будет заряжаться от преобразователя, источника электропитания постоянным током, в то же самое время другим аккумуляторным модулем, который ранее не использовался. Этот процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел напряжения аккумуляторного модуля (V_BH, 4,0 В) после размыкания аккумуляторного реле до тех пор, пока напряжение аккумулятора не упадет ниже напряжения 3,5 В (замыкания реле). Во время процесса чрезмерного заряда аккумулятора напряжение аккумуляторного модуля может стать выше верхнего предела напряжения преобразователя для подзарядки напряжения (V_H, 14,6 В) аккумулятора, и это может повредить преобразователь. При таком состоянии подзарядка инвертором функции аккумуляторного модуля отключается (когда V_H', 14,7 В) до тех пор, пока не проводится повторное приведение в действие. Кроме того, если все аккумуляторные реле разомкнуты и вход источника электропитания постоянным током еще является активным, то напряжение (связанное с панелью солнечной батареи) может превышать другой предел V”=16 В инвертора. В таком случае функция выхода переменного тока преобразователя отключается до тех пор, пока напряжения не упадет ниже V”. Однако поскольку имеется сетевой источник электроснабжения переменным током, выход переменного тока еще активен, но с отключенным источником электроэнергии от аккумуляторных модулей.

Во время всего этого процесса подзарядки, если зарядный ток слишком велик, так что он может вызвать нагревание заряжаемого аккумуляторного модуля, реле заряжаемого аккумуляторного модуля имеет функцию размыкания/замыкания при использовании термодатчика/выключателя, показанного на фиг.4. На работу устройства постоянного тока не оказывается влияние во время этого процесса подзарядки, даже если детектируется, что низковольтный аккумуляторный модуль перегревается во время процесса зарядки. Это имеет место, поскольку другой аккумуляторный модуль, панель солнечной батареи или мощность преобразователя еще служат в качестве источника электропитания для электроснабжения устройства постоянного тока.

Случай 6. Разрядка постоянного тока с зарядкой переменным током после того, как достигается предел отключения преобразователя

Когда завершается разрядка постоянного тока, в то же самое время подача выходной мощности останавливается нижним пределом (V_BL=2,0 В) напряжения аккумуляторного модуля. Если аккумуляторный модуль размещен в системе и в то же самое время предусмотрены источники электроснабжения переменным током и постоянным током, как показано на фиг.6c, то аккумуляторный модуль не будет функционировать до тех пор, пока вручную не будет нажата кнопка возобновления. В то же самое время, аккумуляторный модуль будет заряжаться от преобразователя, источника электропитания постоянным током, в то же самое время другим аккумуляторным модулем, который ранее не использовался. Этот процесс зарядки продолжается до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел напряжения аккумуляторного модуля (V_BH, 4,0 В) после размыкания аккумуляторного реле до тех пор, пока напряжение аккумулятора не упадет ниже напряжения 3,5 В (замыкания реле). Во время процесса чрезмерной зарядки аккумулятора напряжение аккумуляторного модуля может стать выше верхнего предела напряжения преобразователя для подзарядки напряжения (V_H, 14,6 В) аккумулятора, так что оно может повредить преобразователь. В таком случае подзарядка преобразователем функции аккумуляторного модуля отключается (когда V_H, 14,7 В) до тех пор, пока не проводится действие повторного включения. Кроме того, если все аккумуляторные реле разомкнуты и вход источника электропитания постоянным током от панели солнечной батареи еще активен, то напряжение (связанное с панелью солнечной батареи) может превышать другой предел V”=16 В преобразователя. В таком случае функция выхода переменного тока преобразователя (источника от аккумуляторных модулей) отключается до тех пор, пока напряжение не упадет ниже V”. Однако поскольку имеется сетевой источник электроснабжения переменным током, выход переменного тока еще активен, но с источником энергии от отключенных аккумуляторных модулей.

Во время всего этого процесса подзарядки, если зарядный ток слишком велик, так что он может вызвать нагревание заряжаемого аккумуляторного модуля, реле заряжаемого аккумуляторного модуля имеет функцию размыкания/замыкания при использовании термодатчика/выключателя, показанного на фиг.4. На работу устройства постоянного тока во время этого процесса подзарядки не будет оказываться воздействия, даже если детектируется, что низковольтный аккумуляторный модуль перегревается во время процесса подзарядки. Это имеет место, поскольку другой аккумуляторный модуль, панель солнечной батареи или энергия преобразователя еще будет служить в качестве источника электропитания постоянным током для электроснабжения устройства постоянного тока.

ПРИМЕР 3. Разрядка переменного тока/постоянного тока с зарядкой переменным током/постоянным током после того, как достигнут предел отключения аккумуляторного модуля

В настоящем примере анализируется один из самых сложных случаев. Это случай одновременной разрядки устройств переменного тока и постоянного тока и сложная разрядка аккумуляторного модуля. На фиг.7 иллюстрируется конфигурация всей системы. Когда устройства переменного тока и постоянного тока все соединены с системой, как показано на фиг.7, устройство переменного тока отключится от преобразователя первым с последующим отключением устройства постоянного тока, отключаемого аккумуляторным модулем. В таком случае, если обеспечено оба источника электроснабжения переменным током и постоянным током, то устройство переменного тока будет обеспечиваться электропитанием сетевой электроэнергией переменного тока, а аккумуляторный модуль будет подзаряжаться сетевой электроэнергией переменного тока и панелью солнечной батареи. Следует отметить, что одно из реле (или все, в зависимости от того сколь глубока разрядка) аккумуляторных модулей, которые соответствуют требованиям низковольтного отключения, приводятся в действие вручную перед нормальной зарядкой. Когда реле аккумуляторного модуля возобновляется, аккумуляторный модуль заряжается от преобразователя и источника электропитания постоянного тока. Поскольку все аккумуляторные модули были сбалансированы во время процесса разрядки, не ожидается зарядного тока, поступающего от других аккумуляторных модулей. Этот процесс зарядки продолжается до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел напряжения аккумуляторного модуля (V_BH, 4,0 В), с последующим размыканием аккумуляторного реле до тех пор, пока напряжение аккумулятора не упадет до более низкого напряжения 3,5 В (замыкания реле). Во время процесса чрезмерного заряда аккумулятора напряжение аккумуляторного модуля может уже стать выше напряжения (V_H, 14,6 В) верхнего предела напряжения преобразователя для зарядки аккумулятора, так что оно может повредить преобразователь. В таком случае преобразователь, подзаряжающий функцию аккумуляторного модуля, отключается (когда V_H' соответствует 14,7 В) до тех пор, пока не проводится действие повторного включения. Кроме того, если все аккумуляторные реле разомкнуты, а вход источника электропитания постоянным током от панели солнечной батареи еще активен, то возможно для напряжения (связанного с панелью солнечной батареи) превышать другой предел V”=16 В преобразователя. В таком случае функционирование выхода переменного тока преобразователя (источника, соединенного с аккумуляторным модулем) отключается до тех пор, пока напряжение не упадет ниже V”. Однако поскольку имеется сетевой источник электроснабжения переменным током, выход переменного тока еще активен, но с отключенным источником электроэнергии от аккумуляторных модулей.

Во время всего этого процесса подзарядки, если зарядный ток слишком велик, так что он может вызвать нагревание заряжаемого аккумуляторного модуля, реле заряжаемого аккумуляторного модуля имеет функцию размыкания/замыкания при использовании термодатчика/выключателя, показанного на фиг.4. Во время этого процесса зарядки не будет оказываться влияние на функционирование устройства постоянного тока, поскольку имеются источники электропитания переменным током и постоянным током. Даже если электроэнергия переменного тока для подзарядки отключена вследствие условия чрезмерного заряда (>14,7 В), панель солнечной батареи еще обеспечивает электроэнергию до тех пор, пока подача солнечной энергии не станет слабой (падение напряжения), что фактически препятствует чрезмерному заряду аккумуляторных модулей. Таким образом, аккумуляторные модули могут нормально работать (с замкнутым реле) в качестве источника электропитания для устройства постоянного тока. В случае устройства переменного тока, пока имеется сетевая электроэнергия переменного тока, нет проблем с источником электроснабжения во время всего процесса зарядки, описанного выше. Как только сетевой источник электроснабжения переменным током отсоединяется, устройство переменного тока снова зависит от источника электроэнергии аккумуляторного модуля, если напряжение аккумуляторного модуля не меньше напряжения V'_L (12,5 В), работа устройства переменного тока остановится вследствие недостаточной зарядки аккумулятора, что может вызвать быструю чрезмерную разрядку аккумуляторного модуля.

ПРИМЕР 4. Система источника бесперебойного электропитания

В настоящем примере анализируется одно из уникальных применений переменного тока. Использование функции источника бесперебойного электропитания, соответствующей настоящему изобретению, которая отличается от стандартных функций источника бесперебойного электропитания, поскольку имеется возможность входа постоянного тока. Можно вообразить, что если сетевой источник электроснабжения переменным током отсутствует в течение ночи, то аккумуляторные модули будут работать в качестве источника электроснабжения по умолчанию. Если аккумуляторные модули могут быть жизнеспособными для использования электроэнергии в течение ночи до тех пор, пока не обеспечивается вторичная зарядка дневным солнечным светом, работа устройства переменного тока будет непрерывной как результат безостановочного источника бесперебойного электропитания. Имеющийся рабочий механизм был описан в более ранней секции как случай «разряда переменного тока с зарядкой переменным и постоянным током прежде, чем достигается предел отключения преобразователя» (смотри также фиг.5d), который был анализирована в примере 1. Истинный безостановочный источник бесперебойного электропитания, сравнимый со стандартным источником бесперебойного электропитания, может быть получен при использовании преобразователя и аккумуляторных модулей настоящего изобретения.

Настоящее изобретение относится к портативной системе аккумулирования электроэнергии и электроснабжения, пригодной для широкого множества беспроводных применений и безостановочного использования источника бесперебойного электропитания. Объектом настоящего изобретения является получение одной портативной системы аккумулирования электроэнергии и энергоснабжения, которая обеспечивает энергии в виде переменного тока и постоянного тока, которая принимает источники питания переменным током и постоянным током. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения имеет средства для зарядки переменного тока, зарядки постоянного тока, разрядки переменного тока и разрядки постоянного тока и управляющие средства для управления только одним из средств для зарядки и разрядки переменного тока и постоянного тока, или двух или более средств для одновременной зарядки и разрядки переменным током и постоянным током, преобразователь, по меньшей мере, с одним аккумуляторным модулем, электрически соединенным с преобразователем. В портативной системе аккумулирования электроэнергии и электроснабжения n преобразователь контролируется, чтобы шунтироваться, когда электроэнергия переменного тока доступна из сетевого источника электроснабжения переменного тока, соединенного с преобразователем, обеспечивать электроэнергию постоянного тока к аккумуляторным модулям при верхнем напряжении (V_H) для зарядки аккумуляторных модулей, останавливать обеспечение электроэнергии постоянного тока для подзарядки аккумуляторных модулей, когда (V)≥(V_H'), где V_H' - напряжение, предохраняющее преобразователь от зарядки, в то время как он подзаряжает аккумуляторные модули, и останавливать обеспечение электроэнергии переменного тока к устройствам, когда (V)≥(V_H”), где V_H” - напряжение, предохраняющее преобразователь от повреждения входом высокого напряжения постоянного тока, и разрешать разрядку аккумуляторных модулей до тех пор, пока напряжение (V) аккумуляторных модулей не достигнет состояния (V)<(V_L), где V_L - нижний предел напряжения преобразователя, и разрешать дополнительную разрядку аккумуляторных модулей, когда напряжение возвращается к состоянию (V)>(V_L), где V_L находится в нормальном рабочем диапазоне напряжения преобразователя, как только возникло состоянием (V)<(V_L) в более ранней разрядке. Технический результат - обеспечение работы множества средств зарядки и разрядки одновременно. 14 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения, включающая средства для зарядки переменного тока, средства для зарядки постоянного тока, средства разрядки переменным током и средства разрядки постоянным током, где указанные средства зарядки постоянным током включают средства ввода электрической энергии от возобновляемого источника энергии, и управляющие средства для управления, по меньшей мере, двумя средствами зарядки и, по меньшей мере, одним средством разрядки одновременно или, по меньшей мере, двумя средствами разрядки и, по меньшей мере, одним средством зарядки одновременно.

2. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.1, имеющая преобразователь, по меньшей мере, с одним аккумуляторным модулем, электрически соединенным с преобразователем.

3. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.2, в которой портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения имеет множество аккумуляторных модулей, соединенных параллельно, и все аккумуляторные модули имеют, по существу, подобные электрические характеристики.

4. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.2, в которой преобразователь контролируется, чтобы шунтироваться, когда электроэнергия переменного тока доступна из сетевого источника электроснабжения переменного тока, соединенного с преобразователем, обеспечивать электроэнергию постоянного тока к аккумуляторным модулям при верхнем напряжении (V_H) для зарядки аккумуляторных модулей, останавливать обеспечение электроэнергии постоянного тока для подзарядки аккумуляторных модулей, когда (V)≥(V_H'), где V_H' - напряжение, предохраняющее преобразователь от зарядки, в то время как он подзаряжает аккумуляторные модули, и останавливать обеспечение электроэнергии переменного тока к устройствам, когда (V)≥(V_H''), где V_H'' - напряжение, предохраняющее преобразователь от повреждения входом высокого напряжения постоянного тока, и разрешать разрядку аккумуляторных модулей до тех пор, пока напряжение (V) аккумуляторных модулей не достигнет состояния (V)<(V_L), где V_L - нижний предел напряжения преобразователя, и разрешать дополнительную разрядку аккумуляторных модулей, когда напряжение возвращается к состоянию (V)>(V_L'), где V_L' находится в нормальном рабочем диапазоне напряжения преобразователя, как только возникло состоянием (V)<(V_L) в более ранней разрядке, и в которой каждый аккумуляторный модуль содержит множество аккумуляторных ячеек, соединенных последовательно, контроллер, который осуществляет текущий контроль каждой аккумуляторной ячейки, соединенной последовательно, токовый или плавкий предохранитель для отсоединения аккумуляторного модуля от преобразователя, если имеет место чрезмерный заряд или перегрев, средство для отсоединения аккумуляторного модуля от преобразователя, если напряжение (V) аккумуляторной ячейки > высокого напряжения (V_BH) аккумулятора, и для повторного соединения аккумуляторного модуля с преобразователем, если (V)<(V_BH'), где V_BH' находится в нормальном рабочем диапазоне напряжения аккумулятора, и средство для отсоединения аккумуляторного модуля от преобразователя, если напряжение (V) аккумуляторной ячейки < нижнего напряжения (VB_L) аккумулятора.

5. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.4, дополнительно содержащая средство для обеспечения визуального или звукового сигнала, если (V)<(V_BL).

6. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.2, в которой преобразователь и один или более аккумуляторных модулей соединены вместе при использовании контактов для удерживания преобразователя и аккумуляторного модуля (аккумуляторных модулей) вместе.

7. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.1, в которой средство для разрядки постоянного тока включает в себя контактные зажимы для вмещения кабелей для соединения с автомобильным аккумулятором и выход для вмещения электрического штекера постоянного тока.

8. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.1, в которой средство для зарядки постоянным током включает в себя средство для ввода электроэнергии от возобновляемого источника энергии.

9. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.2, в которой каждый аккумуляторный модуль содержит аккумуляторные ячейки оксида лития-железа-фосфора.

10. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.2, в которой каждый аккумуляторный модуль включает в себя, по меньшей мере, один контроллер для управления реле для электрического соединения с преобразователем.

11. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.2, в которой каждый аккумуляторный модуль включает в себя датчик для обеспечения сигнала к контроллеру для прерывания электрического соединения с преобразователем, когда имеет место состояние высокой температуры или высокого тока.

12. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.2, в которой портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения имеет множество аккумуляторных модулей, соединенных параллельно, а все аккумуляторные модули имеют, по существу, подобные физические характеристики.

13. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.2, в которой каждый аккумуляторный модуль отделен от системы для обеспечения электроэнергии постоянного тока.

14. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.13, в которой каждый аккумуляторный модуль включает в себя контактные зажимы для вмещения кабелей для соединения с автомобильным аккумулятором и выход для вмещения электрического штекера постоянного тока.

15. Портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения по п.1, в которой система используется как безостановочный источник бесперебойного электропитания.