УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2017 года по МПК H02J7/06 H02J7/36 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для зарядки аккумуляторных батарей.

Известно зарядное устройство (патент RU 2118032, МПК H02J 7/00, H01M 10/46, опубликован 20.08.1998 бюл. №23). Известное устройство содержит силовой трансформатор, выпрямитель, ограничитель тока, реле максимального напряжения, реле времени и клеммы для подключения аккумулятора. При этом контакты реле времени включены в цепь включения клемм аккумулятора, а контакты реле максимального напряжения включены в цепь включения реле времени. Недостатком устройства является отсутствие контроля над режимом на заключительной стадии процесса заряда, т.е. отключение процесса заряда выполняется с заданной уставкой по времени, а значение тока при этом не контролируется.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для зарядки аккумуляторной батареи (патент RU 2530877, МПК H02J 7/04 (2006.01), опубликован 20.10.2014 бюл. №29).

Известное устройство содержит источник питания, ключ, стабилизаторы напряжения и тока, устройство управления, клеммы для подключения аккумуляторной батареи, измерительный преобразователь зарядного тока, измерительный преобразователь выходного напряжения, задатчик напряжения и задатчик тока, при этом источник питания посредством ключа подсоединен к стабилизатору тока, выход устройства управления подключен к управляющему входу ключа, выход стабилизатора напряжения подключен к первому входу стабилизатора тока, измерительный преобразователь зарядного тока включен в разрыв одного из проводов, соединяющих выходные зажимы стабилизатора тока с клеммами для подключения аккумуляторной батареи, измерительный преобразователь напряжения подсоединен параллельно клеммам для подключения аккумуляторной батареи и его выход соединен с первым входом стабилизатора напряжения, второй вход которого соединен с выходом задатчика напряжения, кроме этого выход измерительного преобразователя зарядного тока соединен со вторым входом стабилизатора тока и первым входом устройства управления, а второй вход устройства управления подключен к выходу задатчика тока.

В ряде случаев, например, на подводных автономных аппаратах аккумуляторная батарея состоит из нескольких последовательно включенных аккумуляторных модулей, имеющих индивидуальное конструктивное оформление. Для заряда такой аккумуляторной батареи известное устройство должно иметь соответствующие энергетические характеристики источника питания и стабилизатора тока, рассчитанные на заданный ток зарядки и на полное суммарное напряжение аккумуляторной батареи. Следствием этого являются увеличенные габариты, масса и стоимость устройства для зарядки, что представляет первый его недостаток. Этот недостаток является особо значимым при необходимости размещения устройства для зарядки на борту подводного аппарата.

Второй недостаток известного устройства обусловлен тем, что при выполнении зарядки последовательно включенных аккумуляторных модулей не контролируется напряжение на каждом из них и не принимаются меры по выравниванию этих напряжений в процессе зарядки, а также отсутствует функция прекращения зарядки отдельного аккумуляторного модуля при достижении напряжением на его клеммах требуемого значения и последующем снижении тока заряда до заданного уровня. Перезаряд литий-ионных аккумуляторов, широко применяемых в качестве автономного источника электроэнергии, в частности, в автономных подводных аппаратах, недопустим, т.к. приводит к повреждению аккумуляторов.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача устранить указанные недостатки, т.е. осуществить отключение аккумуляторного модуля от зарядного устройства при завершении процесса его зарядки, а также уменьшить габариты, массу и стоимость силовой части зарядного устройства.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для зарядки аккумуляторной батареи, содержащее источник питания, первый ключ заряда, стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, устройство управления, измерительный преобразователь зарядного тока, первый измерительный преобразователь напряжения, вход которого подсоединен к выводам аккумулятора, задатчик напряжения и задатчик тока, а также клеммы для подключения аккумуляторной батареи, при этом первый выход устройства управления подсоединен к первому входу стабилизатора напряжения, а второй выход устройства управления подключен к управляющему входу первого ключа разряда, измерительный преобразователь зарядного тока включен в разрыв провода, соединяющего первый выходной вывод стабилизатора тока с первой клеммой для подключения аккумуляторной батареи, выход стабилизатора напряжения подключен к первому входу стабилизатора тока, выход измерительного преобразователя зарядного тока соединен со вторым входом стабилизатора тока и первым входом устройства управления, задатчик напряжения подключен ко второму входу стабилизатора напряжения, задатчик тока подсоединен ко второму входу устройства управления, а выход первого измерительного преобразователя напряжения подключен к третьему входу устройства управления, дополнительно введены N-1 ключей заряда для осуществления зарядки N последовательно включенных аккумуляторных модулей, составляющих аккумуляторную батарею, кроме этого введены N ключей разряда, N диодов и N-1 измерительных преобразователей напряжения, при этом каждый аккумуляторный модуль состоит из аккумулятора, ключа заряда, ключа разряда и диода, первый вывод аккумуляторного модуля через замыкающий контакт ключа разряда соединен с первым выводом аккумулятора, а через размыкающий контакт ключа разряда соединен с вторым выводом аккумулятора, который является вторым выводом аккумуляторного модуля, третий вывод аккумуляторного модуля через последовательно включенные ключ заряда и диод соединен с первым выводом аккумулятора, при этом аккумуляторные модули включены последовательно так, что первый вывод первого аккумуляторного модуля является первым выводом аккумуляторной батареи, второй вывод первого аккумуляторного модуля соединен с первым выводом второго аккумуляторного модуля, далее второй вывод предыдущего аккумуляторного модуля соединен с первым выводом последующего аккумуляторного модуля, при этом второй вывод N-го аккумуляторного модуля является вторым выводом аккумуляторной батареи, соединенным с первой клеммой устройства для подключения аккумуляторной батареи, третьи выводы аккумуляторных модулей объединены вместе и подключены ко второму выходному выводу стабилизатора тока, соединенному со второй клеммой устройства для подключения аккумуляторной батареи, входы каждого из N измерительных преобразователей напряжения подключены на выводы каждого из N аккумуляторов, а выходы всех (N-1) измерительных преобразователей напряжения подсоединены к входам с 4-го по (n+2)-й устройства управления, каждый выход с 3-го по (n+1)-й устройства управления подключен на управляющий вход ключей с 2.2-го по 2.N-й заряда, каждый выход с (n+2)-го по (2n+1)-й устройства управления подключен на управляющий вход ключей с 11.1-го по 11.N-й разряда, а выход источника питания подсоединен к третьему входу стабилизатора тока.

В заявленном устройстве общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- источник питания;

- первый ключ заряда;

- стабилизатор напряжения;

- стабилизатор тока;

- устройство управления;

- измерительный преобразователь зарядного тока;

- первый измерительный преобразователь напряжения;

- задатчик напряжения;

- задатчик тока;

- клеммы для подключения аккумуляторной батареи.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного зарядного устройства и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- в устройство дополнительно введены (N-1) ключей заряда, N ключей разряда, N диодов и (N-1) измерительных преобразователей напряжения;

- каждый аккумуляторный модуль состоит из аккумулятора, ключа заряда, ключа разряда и диода, при этом первый вывод аккумуляторного модуля через замыкающий контакт ключа разряда соединен с первым выводом аккумулятора, а через размыкающий контакт ключа разряда соединен со вторым выводом аккумулятора, который является вторым выводом аккумуляторного модуля, третий вывод аккумуляторного модуля через последовательно включенные ключ заряда и диод соединен с первым выводом аккумулятора;

- аккумуляторные модули включены последовательно так, что первый вывод первого аккумуляторного модуля является первым выводом аккумуляторной батареи, второй вывод первого аккумуляторного модуля соединен с первым выводом второго аккумуляторного модуля, далее второй вывод предыдущего аккумуляторного модуля соединен с первым выводом последующего аккумуляторного модуля, при этом второй вывод N-го аккумуляторного модуля является вторым выводом аккумуляторной батареи, соединенным с первой клеммой устройства для подключения аккумуляторной батареи;

- третьи выводы аккумуляторных модулей объединены вместе и подключены ко второму выходному выводу стабилизатора тока, соединенному со второй клеммой устройства для подключения аккумуляторной батареи;

- входы каждого из (N-1) измерительных преобразователей напряжения подключены на выводы каждого из (N-1) аккумуляторов;

- выходы всех (N-1) измерительных преобразователей напряжения подсоединены к входам с четвертого по (n+2)-й устройства управления, каждый выход с 3-го по (n+1)-й устройства управления подключен на управляющий вход ключей с 2-го по N-й заряда, а каждый выход с (n+2)-го по (2n+1)-й устройства управления подключен на управляющий вход ключей с 1-го по N-й разряда,

- выход источника питания подсоединен к третьему входу стабилизатора тока.

Признаки «… в устройство дополнительно введены (N-1) ключей заряда, N ключей разряда, N диодов и (N-1) измерительных преобразователей напряжения, … каждый аккумуляторный модуль состоит из аккумулятора, ключа заряда, ключа разряда и диода, при этом первый вывод аккумуляторного модуля через замыкающий контакт ключа разряда соединен с первым выводом аккумулятора, а через размыкающий контакт ключа разряда соединен со вторым выводом аккумулятора, который является вторым выводом аккумуляторного модуля, третий вывод аккумуляторного модуля через последовательно включенные ключ заряда и диод соединен с первым выводом аккумулятора,... аккумуляторные модули включены последовательно так, что первый вывод первого аккумуляторного модуля является первым выводом аккумуляторной батареи, второй вывод первого аккумуляторного модуля соединен с первым выводом второго аккумуляторного модуля, далее второй вывод предыдущего аккумуляторного модуля соединен с первым выводом последующего аккумуляторного модуля, при этом второй вывод N-го аккумуляторного модуля является вторым выводом аккумуляторной батареи, соединенным с первой клеммой устройства для подключения аккумуляторной батареи, … третьи выводы аккумуляторных модулей объединены вместе и подключены ко второму выходному выводу стабилизатора тока, соединенному со второй клеммой устройства для подключения аккумуляторной батареи» обеспечивают последовательную поочередную зарядку отдельных аккумуляторов, совокупность которых составляет аккумуляторную батарею, от зарядного устройства с уменьшенными габаритами, массой и стоимостью его силовой части.

Признак «… каждый из (N-1) измерительных преобразователей напряжения подключен на выводы каждого из (N-1) аккумуляторов,... выходы всех (N-1) измерительных преобразователей напряжения подсоединены к входам с 4-го по (n+2)-й устройства управления, каждый выход с 3-го по (n+1)-й устройства управления подключен на управляющий вход ключей с 2-го по N-й заряда, а каждый выход с (n+2)-го по (2n+1)-й устройства управления подключен на управляющий вход ключей с 1-го по N-й разряда» обеспечивает контроль напряжения на каждом отдельном аккумуляторе в процессе его зарядки, а также отключение этого аккумулятора от зарядки при достижении напряжением на его клеммах требуемого значения и последующем снижении тока заряда до заданного уровня.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Указанные существенные признаки, отличающие заявленное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивает достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для зарядки аккумуляторной батареи; на фиг. 2 приведены графики изменения напряжения U_H(t) и тока заряда I(t), поясняющие работу устройства.

Устройство содержит источник питания 1, N ключей 2.1, 2.2, … 2.N заряда, стабилизатор 3 напряжения, стабилизатор 4 тока, устройство 5 управления, измерительный преобразователь 6 зарядного тока, N измерительных преобразователей 3.1, 3.2, … 3.N напряжения, задатчик 7 напряжения и за датчик 8 тока, клеммы 9, 10 для подключения аккумуляторной батареи, N ключей 11.1, 11.2, … 11.N разряда, N диодов 12.1, 12.2, … 12.N и N аккумуляторов 13.1, 13.2, … 13.N. Каждый аккумулятор, например, 13.1 совместно с ключом 2.1 заряда, ключом 11.1 разряда и диодом 12.1 сгруппированы в аккумуляторный модуль 14.1, при этом первый вывод аккумуляторного модуля 14.1 через замыкающий контакт ключа 11.1 разряда соединен с первым выводом аккумулятора 13.1, а через размыкающий контакт ключа 11.1 разряда соединен со вторым выводом аккумулятора 13.1, который является вторым выводом аккумуляторного модуля 14.1, третий вывод аккумуляторного модуля 14.1 через последовательно включенные ключ 2.1 заряда и диод 12.1 соединен с первым выводом аккумулятора 13.1, при этом аккумуляторные модули 14.1, 14.2, … 14.N включены последовательно так, что первый вывод первого аккумуляторного модуля 14.1 является первым выводом аккумуляторной батареи, второй вывод первого аккумуляторного модуля 14.1 соединен с первым выводом второго аккумуляторного модуля 14.2, далее второй вывод предыдущего аккумуляторного модуля соединен с первым выводом последующего аккумуляторного модуля, при этом второй вывод N-го аккумуляторного модуля 14.N является первой клеммой 9 для подключения аккумуляторной батареи, третьи выводы аккумуляторных модулей 14.1, 14.2, … 14.N объединены вместе, подсоединены к первому выходному выводу стабилизатора 4 тока и являются второй клеммой 10 для подключения аккумуляторной батареи. Входы каждого из N измерительных преобразователей 3.1, 3.2, … 3.N напряжения подключен на выводы каждого из N аккумуляторов 13.1, 13.2, …13.N, а выходы всех N измерительных преобразователей 3.1, 3.2, … 3.N напряжения подсоединены к входам с 5-го по (n+2)-й устройства 5 управления, первый выход устройства 5 управления подсоединен к первому входу стабилизатора 3 напряжения, а каждый выход со 2-го по (n+1)-й устройства 5 управления подключен на управляющий вход ключей 2.1, 2.2, … 2.N заряда, при этом каждый выход с (n+2)-го по (2n+1)-й устройства 5 управления подключен на управляющий вход ключей 11.1, 11.2, … 11.N раз ряда. Выход источника 1 питания подсоединен к третьему входу стабилизатора 4 тока, задатчик 7 напряжения подключен ко второму входу стабилизатора 3 напряжения, задатчик 8 тока подключен ко второму входу устройства 5 управления, а второй выходной вывод стабилизатора 4 тока через измерительный преобразователь 4 тока связан с первой клеммой 9 для подключения аккумуляторной батареи.

Устройство для зарядки аккумуляторной батареи работает следующим образом.

При включении устройства для зарядки аккумуляторной батареи в соответствии с алгоритмом функционирования, заложенным в устройство 5 управления, на выходах устройства 5 формируются управляющие сигналы, которые переводят все ключи 11.1, 11.2…11.N разряда в отключенное состояние и включают первый ключ 2.1 заряда, при этом остальные ключи 2.2…2.N заряда находятся также в отключенном состоянии. Образуется цепь зарядки первого аккумулятора 13.1: первый выходной вывод стабилизатора 4 тока - вторая клемма 10 для подключения аккумуляторной батареи - замкнутый ключ 2.1 заряда - диод 12.1 - аккумулятор 13.1 - второй вывод аккумуляторного модуля 14.1 - далее последовательная цепь, соединяющая второй вывод аккумуляторного модуля 14.1 через последовательно включенные замкнутые контакты ключей 11.2, … 11.N разряда с первой клеммой 9 для подключения аккумуляторной батареи, которая через измерительный преобразователь 6 тока соединена со вторым выходным выводом стабилизатора 4 тока.

В стабилизаторе 3 напряжения определяется рассогласование между фактическим напряжением на выводах аккумулятора 13.1, которое измеряется первым измерительным преобразователем 3.1 напряжения и через устройство 5 управления поступает на первый вход стабилизатора 3 напряжения, и заданным значением напряжения аккумулятора, поступающим на второй вход стабилизатора 3 с выхода задатчика 7 напряжения.

Алгоритм обработки рассогласования в стабилизаторе 5 напряжения может быть, например, следующий:

где U_ЗТ - выходной сигнал стабилизатора напряжения, максимальное значение которого определяет заданное значение тока заряда;

U_ЗН - заданное значение напряжения аккумулятора;

U_H - фактическое напряжение аккумулятора.

Сигнал U_ЗТ является входным (задающим) для стабилизатора тока, в котором определяется рассогласование между сигналом U_ЗТ и сигналом U_T, который получается на выходе измерительного преобразователя тока и является пропорциональным фактическому значению тока заряда.

Обработка рассогласования в стабилизаторе тока может быть выполнена, например, аналогично выражению (1), т.е.

где I - выходной сигнал стабилизатора тока, т.е. ток заряда аккумулятора,

Графики изменения напряжения U_H(t) и тока заряда I(t) аккумулятора, приведенные на фиг. 2, поясняют работу устройства. На этом рисунке обозначено: U₀ - напряжение аккумулятора в начале процесса заряда; U_ЗН - напряжение полностью заряженного аккумулятора, I_ОТКЛ - значение зарядного тока, при котором выполняется отключение процесса заряда.

По мере заряда аккумулятора напряжение U_H возрастает, рассогласование в стабилизаторе 3 напряжения уменьшается и наступает момент (t1), когда его выходной сигнал U_ЗТ также начинает уменьшаться. Стабилизатор тока отрабатывает уменьшение задания на его входе, что приводит к уменьшению зарядного тока при поддержании постоянного значения напряжения U_H=U_ЗН на выводах аккумулятора. В устройстве 5 управления выполняется сравнение двух сигналов: сигнала U_T, который пропорционален фактическому значению тока заряда и с выхода измерительного преобразователя 6 тока поступает на первый вход устройства 5 управления, и сигнала U_{Т ОТКЛ}, который с выхода задатчика 8 тока поступает на второй вход устройства 5 и соответствует току Ι_ΟТКЛ отключения процесса заряда. Когда рассогласование между этими сигналами достигает заданного значения (момент t₂), устройство 5 управления отключает ключ 2.1 и заряд батареи 13.1 прекращается. Далее устройство 5 включает ключ 2.2 и осуществляется зарядка следующего аккумулятора 13.2, аналогично процессу, приведенному выше. Таким образом выполняется последовательная зарядка всех N аккумуляторов, входящих в состав аккумуляторной батареи.

После окончания зарядки последнего аккумулятора 13.Ν устройство 5 управления выдает сигналы управления на управляющие входы ключей 11.1, 11.2, … 11.N разряда, что переводит их во включенное состояние и создает возможность использования аккумуляторной батареи, состоящей из N последовательно включенных аккумуляторов, для питания нагрузки.

Диоды 12.1, … 12.Ν выполняют защитные функции и исключают возможность возникновения контуров короткого замыкания аккумуляторов при переключениях ключей заряда в процессе зарядки аккумуляторной батареи.

Использование – в области электротехники. Технический результат – своевременное отключение аккумуляторного модуля от зарядного устройства, снижение массогабаритных показателей силовой части. Согласно изобретению устройство содержит источник питания, первый ключ заряда, стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, устройство управления, измерительный преобразователь зарядного тока, первый измерительный преобразователь напряжения, задатчик напряжения и задатчик тока. В устройство дополнительно введены N-1 ключей заряда для осуществления зарядки N последовательно включенных аккумуляторных модулей, составляющих аккумуляторную батарею, кроме этого введены N ключей разряда, N диодов и N-1 измерительных преобразователей напряжения. Каждый аккумуляторный модуль состоит из аккумулятора, ключа заряда, ключа разряда и диода, при этом аккумуляторные модули включены последовательно. Входы каждого из N измерительных преобразователей напряжения подключены на выводы каждого из N аккумуляторов, выход измерительного преобразователя тока и выход задатчика тока подключены соответственно на первый и второй входы устройства управления, а выходы всех N измерительных преобразователей напряжения подсоединены к входам с 3-го по (n+2)-й устройства управления, каждый выход с 2-го по (n+1)-й устройства управления подключен на управляющий вход ключей с 2.1-го по 2.N-й заряда, каждый выход с (n+2)-го по (2n+1)-й устройства управления подключен на управляющий вход ключей с 11.1-го по 11.N-й разряда, а выход источника питания подсоединен к третьему входу стабилизатора тока. 2 ил.

Устройство для зарядки аккумуляторной батареи, содержащее источник питания, первый ключ заряда, стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, устройство управления, измерительный преобразователь зарядного тока, первый измерительный преобразователь напряжения, вход которого подсоединен к выводам аккумулятора, задатчик напряжения и задатчик тока, а также клеммы для подключения аккумуляторной батареи, при этом первый выход устройства управления подсоединен к первому входу стабилизатора напряжения, а второй выход устройства управления подключен к управляющему входу первого ключа разряда, измерительный преобразователь зарядного тока включен в разрыв провода, соединяющего первый выходной вывод стабилизатора тока с первой клеммой для подключения аккумуляторной батареи, выход стабилизатора напряжения подключен к первому входу стабилизатора тока, выход измерительного преобразователя зарядного тока соединен со вторым входом стабилизатора тока и первым входом устройства управления, задатчик напряжения подключен ко второму входу стабилизатора напряжения, задатчик тока подсоединен ко второму входу устройства управления, а выход первого измерительного преобразователя напряжения подключен к третьему входу устройства управления, отличающееся тем, что в него дополнительно введены N-1 ключей заряда для осуществления зарядки N последовательно включенных аккумуляторных модулей, составляющих аккумуляторную батарею, кроме этого введены N ключей разряда, N диодов и N-1 измерительных преобразователей напряжения, при этом каждый аккумуляторный модуль состоит из аккумулятора, ключа заряда, ключа разряда и диода, первый вывод аккумуляторного модуля через замыкающий контакт ключа разряда соединен с первым выводом аккумулятора, а через размыкающий контакт ключа разряда соединен со вторым выводом аккумулятора, который является вторым выводом аккумуляторного модуля, третий вывод аккумуляторного модуля через последовательно включенные ключ заряда и диод соединен с первым выводом аккумулятора, при этом аккумуляторные модули включены последовательно так, что первый вывод первого аккумуляторного модуля является первым выводом аккумуляторной батареи, второй вывод первого аккумуляторного модуля соединен с первым выводом второго аккумуляторного модуля, далее второй вывод предыдущего аккумуляторного модуля соединен с первым выводом последующего аккумуляторного модуля, при этом второй вывод N-го аккумуляторного модуля является вторым выводом аккумуляторной батареи, соединенным с первой клеммой устройства для подключения аккумуляторной батареи, третьи выводы аккумуляторных модулей объединены вместе и подключены ко второму выходному выводу стабилизатора тока, соединенному со второй клеммой устройства для подключения аккумуляторной батареи, входы каждого из N измерительных преобразователей напряжения подключены на выводы каждого из N аккумуляторов, а выходы всех (N-1) измерительных преобразователей напряжения подсоединены к входам с 4-го по (n+2)-й устройства управления, каждый выход с 3-го по (n+1)-й устройства управления подключен на управляющий вход ключей с 2.2-го по 2.N-й заряда, каждый выход с (n+2)-го по (2n+1)-й устройства управления подключен на управляющий вход ключей с 11.1-го по 11.N-й разряда, а выход источника питания подсоединен к третьему входу стабилизатора тока.