Устройство зарядное Каскад Российский патент 2018 года по МПК H02J7/06 

Изобретение относится к электротехнике и предназначена для заряда электрохимических накопителей энергии, а именно заряда свинцовых стартерных аккумуляторных батарей.

Известно зарядное устройство, содержащее входной и сетевой фильтры, выпрямитель, управляемый высокочастотный (ВЧ) преобразователь, соединенный с первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка соединена с выходным выпрямителем, выходной фильтр, токовый датчик, первый и второй ключ с нагрузкой, программируемый блок управления и индикации, соединенный с управляемым ВЧ преобразователем через схему гальванической развязки [Патент РФ на полезную модель №87049. МПК H02J 15/00. Опубл. в БИ №26, 20.09.2009].

Недостатками этого зарядного устройства являются отсутствие защиты от неправильного подключения аккумулятора, а также сложное и дорогое устройство управления и индикации.

Известно малогабаритное зарядное устройство, содержащее входной фильтр, выпрямитель, полумостовую инверторную схему, выполненную на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором, узел гальванического разделения, высокочастотный трансформатор, выходной выпрямитель, сглаживающий дроссель и шунт, включенные последовательно с нагрузкой [Патент РФ на полезную модель №97880. МПК H02J 7/10. Опубл. в БИ №26, 20.09.2010].

Недостатками данного малогабаритного зарядного устройства являются отсутствие защиты от неправильного подключения аккумуляторной батареи и отсутствие индикации неправильного подключения.

Наиболее близким к предложенному устройству является зарядное устройство для аккумуляторны х батарей [Патент РФ на полезную модель №110561. МПК H02J 7/00. Опубл. в БИ №32, 20.11.2011], содержащее сетевой фильтр, выпрямитель, к входу которого подключен сетевой фильтр, первый сглаживающий фильтр, подключенный к выходу выпрямителя, преобразователь напряжения типа DC/DC, работающий на высокой частоте, к выходу которого подключен второй сглаживающий фильтр, делитель напряжения, подключенный к выходу второго сглаживающего фильтра, узел защиты и резистивный датчик тока, подключенные к выходу второго сглаживающего фильтра и включенные последовательно с заряжаемой аккумуляторной батареей, узел индикации, включенный параллельно заряжаемой аккумуляторной батарее, узел стабилизации, на первый вход которого подан сигнал с делителя напряжения, на второй и третий входы подан сигнал с датчика тока, а выход узла стабилизации через узел гальванической развязки соединен с управляющим входом преобразователя.

Задача, на решение которой направлена заявленное изобретение, заключается в создании зарядного устройства для получения постоянного зарядного тока и постоянного зарядного напряжения, за чет чего батареи зарядятся в 2-3 раза, при этом повысится эффективность работы батарей и экономится электроэнергия, а также увеличивается срок службы батарей.

Технический результат - заключается в повышении эффективность работы батарей, экономии электроэнергии и увеличении срока службы батарей.

Технический результат достигается за счет того, что зарядное устройство построено по блочному принципу.

Постоянное напряжение достигается за счет высокочастотной (инвентарной) модуляции с частотой 9 кГц по каждому каналу зарядного устройства, что обеспечивает высокую надежность и практически идеальные расчетные вольт-амперные выходные характеристики устройства. Устройство зарядное автоматическое УЗА «Каскад-4МЦ» содержит четыре полностью идентичных, взаимозаменяемых зарядных блока. Каждый блок обеспечивает заданные ему характеристики заряда АКБ и не зависит от работы других трех блоков.

Конструктивно зарядный блок состоит из передней (лицевой) (1) и задней (2) панелях, соединенных двумя стенками. На лицевой панели установлены потенциометр задания тока заряда; индикаторы - диоды, переключатель «включено-выключен, переключатель режима заряда, переключатель «12В - 24В», потенциометр подстройки рабочего напряжения, потенциометр задания тока перехода, автомат защиты, при этом все элементы связанны с платой цикла. На задней панели расположены зажимы подключения питающего блок напряжения и выходного провода «плюс АКБ».

Провод «минус АКБ», общий для всех четырех зарядных групп, подается на батареи, минуя зарядные блоки, непосредственно от силового выпрямителя устройства.

Боковые стенки, соединяющие лицевую и заднюю панели блока и придающие ему механическую прочность, изготовлены из листов разных металлов. Стенка из алюминиевого сплава выполняет функцию радиатора для силовых транзисторов и диодов. На этой стенке размещены и две платы электронных компонентов управления зарядным блоком. На второй стенке закреплены элементы выходного контура цепи заряда: измерительный шунт и воздушный дроссель. Стенка эта, выполненная из стального листа, экранирует магнитное поле дросселя, исключая взаимовлияние работающих блоков.

Электрическая схема блока представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, способную работать как в режиме стабилизации зарядного тока, так и в режиме стабилизации зарядного напряжения. В основу системы заложен известный принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Между источником питающего напряжения и нагрузкой (АКБ) включен прерыватель (ключ), коммутирующий цепь источник-нагрузка с заданной частотой f. Период коммутации T=l/f состоит из двух интервалов: замкнутого состояния ключа (время импульса tи) и разомкнутого состояния (время паузы tп), т.е. Т=tи+tп.

Во время импульса ток нагрузки нарастает со скоростью, определяемой разностью напряжений источника питания Uп и напряжения батареи UAKB, и индуктивностью L цепи нагрузки: d1/dt=(Uп-UAKБ)/L.

После «размыкания» ключа, во время паузы, поддерживаемый накопленной дросселем энергии ток нагрузки спадает, замыкаясь через специально установленный диод (т.н. диод обратного тока).

Скорость спадания тока определены индуктивностью L и напряжением батареи: d1/dt=-UAKБ/L.

Среднее значение напряжения на участке цепи дроссель - АКБ, или напряжение на включенном параллельно этому участку диоду обратного тока, равно UL+UAKБ=Uп⋅tи/Т.

Поскольку среднее за период коммутации напряжение на дросселе равно нулю, то Uп⋅tи/Т=UAKБ, или Кз=UAKБ/Uп где Кз=tи/Т - коэффициент заполнения периода.

Широтно-импульсный модулятор зарядных блоков установки «Каскад-4МЦ» настроен на частоту коммутации 30 кГц, т.е. период Т=33 мкС. Выходное напряжение силового выпрямителя установки приблизительно 50В, т.е. Uп=50В.

Пренебрегая напряжением на открытом транзисторном ключе, на открытом диоде обратного тока и падением напряжения в соединительных проводах, определим время открытого состояния ключа для заряда при напряжении на АКБ 12В, 24В и 32В: Кз(12В)=12/50~0,25; Кз(24В)=24/50~0,5;

Кз(32В)=32/50~0,6.

Соответственно tи (12В)=8,25 мкС; tи (24В)=16,5 мкС; tи (32В)=21 мкС;

Максимальное значение Кф ~ 0,9 (параметр соответствующей м/схемы), отсюда значение напряжения холостого на выходе блока Uвых=0,9⋅50=45В.

Ниже приведено кратное описание основных узлов широтно-импульсного модулятора.

В качестве электронного ключа использованы два параллельно включенных полевых транзистора с изолированным затвором. Быстродействующие и имеющие сравнительно низкое значение прямого напряжения диоды Шоттке выполняют функции диода обратного тока. Защиту электронных приборов от коммутационных перенапряжений обеспечивает входной конденсатор большой емкости, установленный на задней стенке блока. Таким образом, на задней стенке защита от коммутационного перенапряжения, а на передней стенке защита от возможного нарушения параметров зарядного тока, возможных коротких замыканий).

Зарядный блок поясняется чертежами фиг. 1, 2 и 3.

1. Передняя панель.

2. Задняя панель.

3. Боковая стенка.

4. Ручка.

5. Сигнальная лампа «питание».

6. Сигнальная лампа «ошибка».

7. Переключатель «включено-выключено».

8. Вольтметр.

9. Амперметр.

10. Переключатель режима заряда.

11. Переключатель «12В-24В».

12. Потенциометр задания тока заряда.

13. Потенциометр подстройки рабочего напряжения.

14. Потенциометр задания тока перехода.

15. Крепежные винты.

16. Крепежные болты.

17. Автомат защиты.

18.Зажимы подключения.

19. Зажим выходной «+»

Кроме упомянутого выше воздушного дросселя, в силовую цепь входит датчик обратной связи по току - т.н. датчик Холла, впаянный непосредственно в печатную плату управления ШИМ. На этой плате установлены: генератор тактовых импульсов, микросхема ШИМ, работающая по принципу вертикального управления, драйвер силовых транзисторов и DC - DC преобразователь для питания цепей электронного управления.

Сигнал задания тока нагрузки формирует вторая печатная плата блока - плата цикла заряда.

На плату цикла поступают следующие сигналы:

- Сигнал задания тока заряда (от потенциометра на лицевой панели блока)

- Сигнал задания тока перехода (от потенциометра задания тока (12) дозаряда на лицевой панели блока)

- Сигнал обратной связи по напряжению АКБ (с выходных зажимов блока).

Диодный определитель сигналов выполнен таким образом, что, в зависимости от разности напряжений АКБ и опорного напряжения задания (12В или 24В), на вход платы тока поступает один из трех сигналов:

- при напряжении АКБ меньше опорного (12 В или 24 В) ток заряда определен сигналом задания тока;

- при напряжении АКБ, близком к опорному, задание тока определяется разностью (рассогласованием) между опорным напряжением и напряжением АКБ.

По мере роста последнего задающий сигнал на входе тока уменьшается, зарядный ток падает;

- в момент, когда сигнал рассогласования напряжения становится меньше сигнала задания тока перехода, источником стабилизированного тока-тока дозаряда АКБ.

Стабильность заданного напряжения заряда обеспечивает операционный усилитель разности напряжения АКБ и опорного напряжения, установленный на плате цикла.

Таким образом, систему управления зарядом можно определить как стабилизатор тока, охваченный жесткой обратной связью по напряжению нагрузки.

Выбранное исполнение системы автоматического регулирования дает качественную стабилизацию заряда АКБ как на вертикальных, так и на горизонтальном участке вольт - амперной характеристики, ограничивает ток заряда во всех режимах, включая К.З.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение эффективности работы батарей, экономия электроэнергии и увеличение срока службы батарей. Зарядное устройство содержит четыре полностью идентичных, взаимозаменяемых зарядных блока. Каждый блок состоит из передней и задней панелей, соединенных двумя стенками. На лицевой панели установлены тумблеры и потенциометры, измерительные, защитные приборы и индикаторы. На задней панели расположены зажимы подключения питающего блок напряжения и выходного провода «плюс АКБ». Стенки, соединяющие лицевую и заднюю панели блока, изготовлены из листов разных металлов. Одна из стенок выполнена из алюминиевого сплава, на этой стенке размещены 2 платы электронных компонентов управления зарядным блоком. На второй стенке закреплены элементы выходного контура цепи заряда: измерительный шунт и воздушный дроссель, при этом стенка выполнена из стального листа. Электрическая схема представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, работающую по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при этом между источником питающего напряжения и нагрузкой (АКБ) включен прерыватель - ключ с заданной частотой f, период коммутации которого T=1/f состоит из двух интервалов: замкнутого и разомкнутого состояния ключа. В качестве электронного ключа использованы два параллельно включенных полевых транзистора с изолированным затвором. Защиту электронных приборов от коммутационных перенапряжений обеспечивает входной конденсатор большой емкости. В силовую цепь регулятора входит датчик обратной связи по току - датчик Холла, впаянный непосредственно в печатную плату управления ШИМ, на которой установлены: генератор тактовых импульсов, микросхема ШИМ, работающая по принципу вертикального управления, драйвер силовых транзисторов и DC - DC преобразователь для питания цепей электронного управления. 3 ил.

Зарядное устройство, отличающееся тем, что оно содержит четыре полностью идентичных, взаимозаменяемых зарядных блока, при этом каждый блок состоит из передней и задней панелей, соединенных двумя стенками; на лицевой панели расположены: потенциометр задания тока заряда; индикаторы - диоды, переключатель «включено-выключено», переключатель режима заряда, переключатель «12В - 24В», потенциометр подстройки рабочего напряжения, потенциометр задания тока перехода, автомат защиты, при этом все элементы связаны с платой цикла; на задней панели расположены зажимы подключения питающего блок напряжения и выходного провода «плюс АКБ»; стенки, соединяющие лицевую и заднюю панели блока, изготовлены из листов разных металлов, одна из стенок выполнена из алюминиевого сплава, на этой стенке размещены 2 платы электронных компонентов управления зарядным блоком; на второй стенке закреплены элементы выходного контура цепи заряда: измерительный шунт и воздушный дроссель, при этом стенка выполнена из стального листа; электрическая схема представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, работающую по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), в которую входит питающий «плюс АКБ», два параллельных силовых транзистора с изолированным затвором, работающих в режиме ключа, измерительный шунт; датчик обратной связи по току - датчик Холла, впаянный в печатную плату управления ШИМ, воздушный дроссель, кроме того, на этой плате установлены: генератор тактовых импульсов, микросхема ШИМ, работающая по принципу вертикального управления, драйвер силовых транзисторов и DC - DC преобразователь для питания цепей электронного управления.