Накопитель энергии Российский патент 2024 года по МПК H02J15/00 

Область техники

Устройство накопления энергии в конденсаторе относится к области электронной техники и, преимущественно, может быть использовано в специальной технике. Например, в системах управления и приборах (абонентах) космических аппаратов (КА) для устранения однократного импульса тока апериодической формы абонента в режиме включения. В частности, где в цепях первичного источника питания КА с целью повышения помехоустойчивости системы недопустим их пусковой ток с амплитудой много больше амплитуды тока абонента в штатном режиме его работы.

Уровень техники

Известен накопитель энергии в индуктивности [1]. Устройство состоит из источника питания постоянного тока, первый вывод которого соединен с последовательной цепью, состоящей из первого и второго ключей, а также первого вывода нагрузки, второй вывод которой соединен с вторым выводом источника питания постоянного тока. Между вторым выводом нагрузки и точкой соединения ключей включена индуктивность.

Способ накопления энергии состоит в том, что замыкают первый ключ. По достижении в индуктивности требуемого запаса энергии источник питания отключают первым ключом. Вторым ключом к индуктивности подключают нагрузку.

Недостаток устройства состоит в том, что он не обеспечивает необходимый постоянный уровень запасенной энергии при изменении напряжения источника питания постоянного тока. Например, в системах бортового питания КА (24 В…32 В). Другим недостатком являются большие габаритно массовые характеристики (ГМХ) индуктивности (недопустимые, например, в КА) для обеспечения пусковых токов нагрузки порядка 10 А…20 А (заданного уровня запасенной энергии). Также недостатком является отсутствие информации (сигнала) о достижении заданного уровня запасенной энергии.

Прототип

Из известных аналогов наиболее близкими по технической сущности является устройство, представленное в работе [2]. Устройство накопления энергии, содержит источник напряжения, три ключа, два конденсатора, устройство управления, первую и вторую выходные шины, генератор тока, шину включения.

Первый вывод источника напряжения соединен последовательно с генератором тока, первым ключом, первым конденсатором, вторым конденсатором, вторым выводом источника напряжения. Второй ключ включен между соединением генератора тока с первым ключом и точкой соединения конденсаторов. Третий ключ включен параллельно второму конденсатору. Вывод питания устройства управления соединен с первым выводом источника напряжения. Общий вывод устройства управления соединен с вторым выводом источника напряжения. Входы управления первого и третьего ключей соединены с первым сигнальным выходом устройства управления. Вход управления второго ключа соединен с вторым сигнальным выходом S₂ устройства управления, третий сигнальный выход которого соединен с входом выключения источника напряжения. Первый информационный вход устройства управления соединен с точкой соединения первого ключа и первого конденсатора, а также с одной выходной шиной. Второй информационный вход устройства управления соединен с точкой соединения конденсаторов. Шина включения соединена с входом включения источника напряжения и с входом включения устройства управления. Второй вывод источника напряжения соединен с другой выходной шиной.

Устройство управления содержит первое и второе пороговое устройство, первый и второй триггер, элемент И, элемент задержки. Первый информационный вход устройства управления соединен с входом первого порогового устройства, выход которого соединен с входом установки R первого триггера, прямой выход которого соединен с первым сигнальным выходом устройства управления. Второй информационный вход устройства управления соединен с входом второго порогового устройства. Вход питания и вход «Общ.» устройства управления подключены к выводам питания элементов устройства управления. Инверсный выход первого триггера соединен с одним входом элемента И, другой вход которого соединен с прямым выходом второго триггера. Выход элемента И соединен со вторым сигнальным выходом устройства управления. Выход второго порогового устройства соединен с входом установки R второго триггера и через элемент задержки - с третьим сигнальным выходом устройства управления. Вход включения устройства управления соединен с входами установки в S первого и второго триггеров.

Устройство обеспечивает заданный уровень запасенной в конденсаторах энергии при изменении напряжения питания.

Недостаток устройства состоит в сложности, обусловленной последовательным во времени зарядом конденсаторов и соответственно большим количеством элементов его устройства управления.

Цель изобретения

Целью изобретения является упрощение устройства.

Сущность изобретения

Устройство иллюстрируется фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. На фиг. 1 накопитель энергии содержит источник 1 напряжения, генератор 2 тока, диод 3, конденсатор 4, ключи 5 и 6, конденсатор 7, устройство 8 управления, выходные шины 9 и 10, шину 11 включения, выходную сигнальную шину 12.

Первый вывод источника 1 напряжения соединен последовательно с генератором 2 тока, диодом 3, конденсатором 4, ключом 5, вторым выводом источника 1 напряжения. Ключ 6 включен между соединением генератора 2 тока с анодом диода 3 и точкой соединения конденсатор 4 с ключом 5. Конденсатор 7 включен между анодом диода 3 и вторым выводом источника 1 напряжения, который также соединен с общим выводом устройства 8 управления, выходной шиной 9. Вход управления ключа 5 соединен с сигнальным выходом S₁ устройства 8 управления и с первым входом управления ключа 6, второй вход управления которого соединен с выходной шиной 9. Другой сигнальный выход S₂ устройства 8 управления соединен с входом выключения источника 1 напряжения и с выходной сигнальной шиной 12. Информационный вход устройства 8 управления соединен с точкой соединения катода диода 3 и конденсатора 4, а также с выходной шиной 10. Шина 11 включения соединена с входом включения источника 1 напряжения. Первый вывод питания устройства 8 управления соединен с первым выводом источника 1 напряжения. Второй вывод питания устройства 8 управления соединен с анодом диода 3.

Ключ 5 выполнен на транзисторе КМОП n-типа. Ключ 6 выполнен на VT транзисторе КМОП р-типа и пассивном сумматоре из двух резисторов.

Параллельно конденсаторам 4 и 7 (пунктир) подключены регулировочные конденсаторы C_P1,2, один из которых устанавливают при необходимости выравнивания технологического разброса номиналов С₄ и С₇ конденсаторов 4 и 7 до равенства сумм C_P1+С₇=С_Р2+С₄.

Устройство 8 управления содержит пороговое устройство 13, элемент 14 задержки. Информационный вход устройства 8 управления соединен с входом порогового устройства 13, выход которого соединен с сигнальным выходом S₁ устройства 8 управления и с информационным входом элемента 14 задержки. Вывод питания порогового устройства 13 соединен с первым выводом питания устройства 8 управления, общий вывод которого соединен с общим выводом порогового устройства 13 и с общим выводом элемента 14 задержки. Второй вывод питания устройства 8 управления соединен с выводом питания элемента 14 задержки, выход которого соединен с сигнальным выходом S₂ устройства 8 управления.

Пороговое устройство 13 с выходом типа rail-to-rail.

В источнике 1 напряжения второй его выход соединен последовательно с генератором 15 постоянного напряжения, коммутатором 16 напряжения, вход включения которого соединен с входом включения источника 1 напряжения, а вход выключения соединен с входом выключения источника 1 напряжения, а выход соединен с первым выходом источника 1 напряжения. Коммутатор 16 напряжения может быть выполнен, например, по работе [4].

На фиг. 2 представлен вариант исполнения элемента 14 задержки, который содержит два резистора, КМОП транзистор n-типа, конденсатор.

Работа устройства

Работа накопителя энергии иллюстрируется диаграммами фиг. 3. Исходное состояние при t<t₀ источника 1 напряжения - отсутствие напряжения на входе генератора 2 тока, конденсаторы 4 и 7 разряжены. В момент времени to (фиг. 3) подают сигнал включения в виде импульса напряжения на шину 11 включения. Этим сигналом коммутатор 16 напряжения переводится в открытое состояние и на его выходе появляется напряжение U_п. При этом на выходе S₁ порогового устройства 13 формируется сигнал U₁₃ (положительной полярности) по уровню больше порогового напряжения ключа 5. Ключ 5 открывается. Резисторы ключа 6, например, равны по номиналу. Напряжение U_зи транзистора VT ключа 6 р-типа имеет положительную полярность и ключ 6 закрыт.

Соответственно на участке t₀-t₁ (фиг. 3) током генератора 2 тока конденсаторы 4 и 7 заряжаются одинаково во времени с учетом сумм C_P1+С₇=С_Р2+С₄. Заряд продолжается до обнаружения в момент времени t₁ (фиг. 3) пороговым устройством 13 заданного уровня напряжения U_пор на конденсаторах 4 и 7. Рекомендуется в диапазоне допустимого изменения U_вх__мин…U_{вх_мах} напряжения U_вх генератора 15 постоянного напряжения устанавливать этот уровень по значению:

U_пор≤0,5⋅U_{вх_мах} (1)

где U_{вх_мах} и U_вх__мин максимальное и минимальное значения напряжений источника 1 напряжения, U_вх__мин>>U_VD - падение напряжения на диоде 3 и, например, U_{вх_мах}/U_вх__мин≥1,3÷1,5 обычно принятого в технике. По достижении заряда конденсаторов 4 и 7 заданного уровня с напряжением (1) пороговым устройством 13 вырабатывается сигнал U₁₃ (фиг. 3) постоянного уровня логического 0. Соответственно закрывается ключ 5. Напряжение U_зи на затворе транзистора VT ключа 6 меняет полярность и принимает значение U_зи=-U(C₇)+U₁₃=-U(C₇)<0, где U(C₇) - напряжение на конденсаторе 7, U₁₃=0 - напряжение на выходе порогового устройства 13, |U(C₇)|>|U_зи|, где U_зи - пороговое напряжение затвора VT транзистора ключа 6. Соответственно открывается ключ 6 и, при обозначении U(C₄) - напряжение на конденсаторе 4, на выходных шинах 9-10 сформировано напряжение U_вых=[U(С₄)+U(С₇)]=2⋅U_пор≤U_{вх_мах} согласно принятому значению U_пор.

Одновременно на сигнальном выходе S₂ устройства 8 управления элементом задержки 14 формируется информационный выходной сигнал U_упр, который выключает коммутатор 16 и поступает через сигнальную шину 12 на внешнее устройство, сигнализируя о готовности накопителя энергии к совместной работе. Соответственно пороговое устройство 13 обесточивается и далее сохраняется уровень логического нуля на его выходе S₁. Заряженное состояние конденсаторов 4 и 7 сохраняется до момента времени t₂ (фиг. 3).

Диод 3 обеспечивает функцию неуправляемого ключа - разъединение конденсаторов 4, 7 при включении ключа 6, что следует из приложенного к нему напряжения заряженного конденсатора 4 обратной полярности (при этом ключ 5 закрыт).

В момент времени t₂ (фиг. 3) к накопителю энергии подключается по сигналу «ВКЛ нагрузку» внешний потребитель накопленной энергии (на фиг. 1 не показан). За время t₂-t₃ (фиг. 3) разряд конденсаторов 4 и 7 должен произойти до уровня не менее U_{вх min} - минимально допустимое рабочее напряжение нагрузки накопителя энергии. Это условие обеспечивается выбором величин емкостей конденсаторов 4 и 7 с учетом априорно известных предельно допустимой длительности (t₂-t₃) и тока потребления нагрузкой от накопителя энергии в режиме разряда конденсаторов 4 и 7. Например, для обеспечения мощности пускового импульса нагрузки. В частности, для нагрузки накопителя энергии в виде стабилизатора напряжения СПНМ27-50-36-1 пусковой ток порядка 10-12 А при его длительности 2-3 мс. Расчет производится по общеизвестным правилам, например, по работе [3]. На фиг. 3 приведены диаграммы для предельного случая разряда конденсаторов 4 и 7 - максимально допустимая нагрузка.

При необходимости сигнал U₁₃ порогового устройства 13 может использоваться и для управления внешней нагрузкой - шина 17 на фиг. 2.

Работа элемента 14 задержки осуществляется следующим образом. После подачи сигнала включения на шину 11 включения на информационном входе элемента 14 задержки (затвор КМОП транзистора) напряжение с выхода порогового устройства 13 примерно равное U_п. КМОП транзистор элементам задержки открыт, а его конденсатор разряжен. Напряжение питания (цепь А) элемента 14 задержки изменяется по мере заряда конденсатора 7. По окончании заряда конденсатора 7 на информационном входе элемента 14 задержки (затвор КМОП транзистора) напряжение с выхода порогового устройства 13 равно нулю. КМОП транзистор элемента 14 задержки резко закрывается. Соответственно на сигнальном выходе S₂ устройства 8 управления элементом 14 задержки формируется информационный выходной сигнал U_упр с параметрами, определяемыми напряжением U(C₇) полного заряда конденсатора 7, номиналами резистора и конденсатора элемента 14 задержки (в случае нагрузки с большим входным сопротивлением).

Величина длительности сигнала U_упр рекомендуется не менее 1 мкс для надежного срабатывания элементов устройства.

Технический результат

Применение накопителя энергии для электропитания некоторого изделия на этапе его пускового импульса позволяет существенно уменьшить ВЧ спектр помех в цепях первичного источника питания постоянного тока. При этом достижение указанного эффекта обеспечивается уменьшенным количеством элементов устройства. Особое значение устранение помех имеет в технике специального применения, например, в аппаратуре КА.

При этом электронная часть может быть исполнена в виде в виде кристалла ИМС аналогично СБИС, ГМХ которого по сравнению с ГМХ конденсатора при токе его разряда порядка 10 А…20 А пренебрежимо малы. Энергопотребление устройства при КМОП элементной базе определяется практически величиной запасенной энергии W.

В режиме хранения W энергопотребление практически отсутствует. При этом поддержание U_вых, определяемое последовательным соединением конденсаторов, обеспечивается в режиме хранения при отключенном источнике питания за счет управления ключом напряжением заряженного конденсатора устройства.

Окончание процесса накопления энергии W фиксируется специальным сигналом требуемой длительности. Величина напряжения заряда последовательного соединения конденсаторов может быть реализована в диапазоне напряжений от 0<U_вых=const≤2⋅U_вх__мин во всем диапазоне изменения U_вх. При этом величина накопленного заряда не зависит от изменения входного напряжения U_вх. Например, U_вых=const=U_{вх_max} в диапазоне (U_{вх_max}/U_{вх_min})≤2.

Источники информации

1. Лекция 11. Индуктивные накопители энергии, https://studopedia.su/9_29203_lektsiya--induktivnie-nakopiteli-energii.html?ysclid=llkm9hngls58310284

2. Устройство накопления энергии. Патент RU №223926, МПК H02J 15/00, 2023 г.

3. ФИЗИКА. Исследование процессов заряда и разряда конденсатора, С.С. Прошкин, В.В. Фицак, М.О. Силиванов. «Санкт-Петербургский горный университет». СПб, 2019 г.

4. Резервированный коммутатор напряжения питания. Патент RU №218650, МПК H03K 17/687, 2023 г.

Устройство накопления энергии в конденсаторе относится к области электронной техники и, преимущественно, может быть использовано в специальной технике. Например, в системах управления и приборах (абонентах) космических аппаратов (КА) для устранения однократного пускового импульса тока приборов. В частности, где в цепях первичного источника питания КА с целью повышения помехоустойчивости системы недопустим пусковой ток абонента с амплитудой много больше амплитуды тока абонента в штатном режиме его работы. Техническим результатом является устранение ВЧ помех при включении абонента в цепях первичного источника питания постоянного тока. Особое значение устранение помех имеет в технике специального применения, например, в аппаратуре КА. Использование вместо индуктивности в качестве накопителя энергии конденсатора позволяет сократить ГМХ устройства. При этом электронная часть может быть исполнена в виде кристалла ИМС аналогично СБИС, ГМХ которого по сравнению с ГМХ конденсатора при токе его разряда порядка 10 А…20 А пренебрежимо малы. Энергопотребление устройства определяется практически величиной запасенной энергии W. В режиме хранения W энергопотребление отсутствует. Окончание процесса накопления энергии W фиксируется специальным сигналом. Величина напряжения U_вых заряда последовательного соединения двух конденсаторов может быть реализована в диапазоне напряжений 0<U_вых=const<2⋅U_вх. При этом величина накопленного заряда не зависит от изменения входного напряжения U_{вх_min}≤U_вх≤U_{вх_max}. Например, U_вых=const=U_{вх_max} при (U_{вх_max}/U_{вх_min})≤2. Величина постоянного тока накопителя энергии в режиме накопления W может быть установлена равной или менее тока потребления нагрузки в штатном режиме ее работы. Время хранения энергии W определяется утечками заряда конденсаторов, их качеством. Положительный эффект - упрощение устройства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Накопитель энергии, содержащий источник напряжения, два ключа, два конденсатора, устройство управления, первую и вторую выходные шины, генератор тока, шину включения, причем шина включения соединена с входом включения источника напряжения, один вывод которого соединен с первым выводом первого конденсатора, общим выводом питания устройства управления, первым выводом первого ключа и с одной выходной шиной, другой вывод источника напряжения соединен с выводом питания устройства управления и через генератор тока - с первым выводом второго ключа, второй вывод которого соединен с вторым выводом первого ключа и с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с информационным входом устройства управления и с другой выходной шиной, вход управления первого ключа соединен с первым выходом устройства управления, второй выход которого соединен с входом выключения источника напряжения, отличающийся тем, что с целью упрощения в него введен диод, анод диода соединен с первым выводом второго ключа, а катод - с вторым выводом второго конденсатора, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом второго ключа, один вход управления которого соединен с первым выводом первого ключа, другой вход управления второго ключа соединен с входом управления первого ключа, дополнительный вход питания устройства управления соединен с анодом диода.

2. Накопитель энергии по п. 1, отличающийся тем, что второй ключ содержит КМОП транзистор р-типа и сумматор, причем сумматор пассивного типа содержит два последовательно соединенных резистора, точка соединения которых подключена к затвору КМОП транзистора р-типа, один вывод цепи из двух последовательно соединенных резисторов является одним входом управления второго ключа, другой вывод цепи из двух последовательно соединенных резисторов является другим входом управления второго ключа.

3. Накопитель энергии по п. 1, отличающийся тем, что в устройстве управления, содержащем пороговое устройство и элемент задержки, причем выход порогового устройства соединен с информационным входом элемента задержки и с первым выходом устройства управления, выход элемента задержки соединен с вторым выходом устройства управления, информационный вход которого соединен с входом порогового устройства, вывод питания порогового устройства соединен с выводом питания устройства управления, дополнительный вход питания устройства управления соединен с выводом питания элемента задержки, общий вывод которого соединен с общим выводом порогового устройства и с общим выводом устройства управления.