Устройство для заряда аккумуляторной батареи асимметричным током Советский патент 1983 года по МПК H02J7/10 

Изобретение относится к электрохимическим источникам постоянного тока - аккумуляторным батареям (АБ), а именно к импульсным зарядным устройствам, используемым для формовки и заряда АБ асимметричным током как в стационарных условиях, так и на подвижных объектах.

Известно устройство для импульсного заряда АБ, состоящее из источник переменного тока (ИПТ) токоограничивающего конденсатора и двух диодов fl.

Данное устройство характеризуется высоким КПД заряда, но имеет сравнительно малые скорость передачи энергии из ИПТ в АБ и коэффициент мощности.

Известно также устройство для импульсного заряда АБ, содержащее токоограничивающий конденсатор, линейный дроссель и три диода 2}.

Это устройство характеризуется относительно высоким коэффициентом мощности, но его недостатком является сравнительно малая скорость передачи энергии из ИПТ в АН.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для заряда аккумуляторной

батареи асимметричным током, содержащее две выходные клеммы для подключения источника переменного тока, положительную и отрицательную выходные клеммы для соединения с заряжаемой АБ, токоограничивающий конденсатор, одна обкладка которого связанас одной входной клеммой,

i5 зарядно-разрядный конденсатор,одна обкладка которого подключена к положительной выходной клемме, и два вентиля, катод первого из которых соединен с положительной выходной клеммой, а анод - с катодом второго

15 вентиля С 31.

Недостатками этого устройства являются сравнительно малые скорость передачи энергии из источника переменного тока в АБ, коэффициент мощ20ности и напряжение, прикладываемое к зарядно-разрядному конденсатору. Все это ухудшает удельные энергетические характеристики зарядного устройства.

25

Цель изобретения - улучшение удельных энергетических .характеристик, путем увеличения скорости дачи энергии из источника переменного тока в аккумуляторную батарею,

30 коэффициента мощности и напряжения. прикладываемого к зарядно-разрядном конденсатору. Поставленная цель достигается тем, что устройство для заряда акку муляторной батареи ассиметричным то ком, содержащее две входные клеммы для подключения источника переменного тока, положительную и отрицательную выходные клеммы для соедине ния с заряжаемой аккумуляторной батареей, токоограничивающий конденса .тор, одна обкладка которого связана с одноЯ входной клеммой, зарядно-ра рядный конденсатор, одна обкладка к торого подключена к положительной в ходной клемме, и два вентиля, катод первого из которых соединен с поло|Жительной выходной клеммой , а анод - с .катодом второго вентиля, дополйител но снабжено линейным дросселем с от водом от средней точки его обмотки, связанным с другой обкладкой токоогр ничиваюгцего конденсатора, причем од конец обмотки линейного дросселя подключен к отрицательнойвыходной клем ме, а другой ее конец - к свободной обкладке зарядно-разрядного конденсатора и к аноду второго вентиля, катод которого соединен с другой вхо ной клешлой. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства для заряда аккумуляторной батареи асимметричным током; на фиг. 2 - зависимости относительного напряжения Uj.f/U на выходных клеммах предлагаемого устройства СПУ) и устройства-прототипа (ПР) от относительного числа периодов п; на фиг. 3 - зависимости относительного напряжения на токоограничивающем -кон денсаторе предлагаемого устройства (ПУ) и устройства-прототипа (ПР) в конце нечетных полупериодов изменения напряжения источника от относительного числа периодов п, поясняющие кривые на фиг. 2. Устройство (фиг. 1) содержит две входные клеммы 1 и 2 для подключения ИПТ 3, положительную 4 и отрицательную 5 выходные клеммы для соединения с заряжаемой АБ б, токоограничивающий и зарядно-разрядный конде саторы 7 и 8, два диода 9 и 10 и линейный дроссель 11 с отводом от сред ней точки его обмотки. На фиг. 2 показаны зависимости относительного напряжения на выходных клеммах от относительного числа периодов (), где. п - число периодов изменения напряжения цсточнака; С 2Н /Ц эквивалентная емкость АБб, рассчитанная по максимальной энергии W, накопленной в АВ в конце заряда, и напряжению U на выходных ее клеммах 4 и 5; емкость токоограничивающего конденсатора (, поясняющие работу и преимущества предлагаемого устройства. На фиг. 3 приведены зависимости относительного напряжения на токоограничивающем конденсаторе (конденсаторе 7) и Uj-f/U в конце нечетных полупериодов изменения напряжения источника от относительного числа периодов п, т.е. Uc7/U х(г), при этом п п/(,), поясняющие кривые на фиг.3. В качестве первого диода 9 может быть применен управляемый диод (тиристор) , фазовое управление которым может быть осуществлено по любой известной схеме, описанной в научнотехнической литературе. При описании работы устройства по фиг. 1 будем предполагать,что в первый и последующие (3,5,7 и т.д.) нечетные полупериоды изменения напряже ния ИПТ 3 (Uo, Uy sincft, где U амплитуда напряжения, а ui - круговая частота ИПТ, t - время) потенциал входной клеммы 1 выше потенциала клеммы 2, тогда во второй и последующих (4,6,8 и т.д.) четные полупериоды изменения напряжения U ИПТ потенциал выходной клеммы 3 будет выше потенциала клеммы 1. Предположим, что емкость зарядно-разрядного конденсатора 8 мнсго меньше емкости токоограничивающего конденсатора (Cg,«C7) и, что заряд аккумуляторной батареи происходит от нулевого напряжения, что справедливо при формовке всех АБ и заряде щелочных АБ после хранения их в замкнутом состоянии . В нечетные полупериоды изменения напряжения ИРТ, когда потенциал клеммы 1 выше потенциала клеммы 2, происходит резонансный (собственная круговая частота LCR-контура fSJ равна круговой частоте JU источника ( (Xv,u;) заряд токоограничивающего конденсатора 7 через нижнюю полуобмотку линейного дросселя 11 по цепи источник; 3 - клемма 1 - конденсатор 7 нижняя полуобмотка дросселя 11 диод 10 - клемма 2 - источник 3 до определенного напряжения, зависящего от начального напряжения на токоограничивающем конденсаторе 7 (напряжение на нем в конце предыдущего четного полупериода). При убывании тока в этом зарядном контуре за счет трансформаторной (взаимно индуктивной) связи нижней полуобмотки .линейного росселя со всей его обмоткой происодит заряд АБ по цепи обмотки дроселя 11 - диод 10 - диод 9 - клемма - АБ 6 - клемма 6 удвоенным по равнению с ЭДС на нижней полуобмоте дросселя 11 напряжением. При возастании тока в нижней полуобмотке дросселя 11 за счет трансформатор ной (взаимоикдуктивной) связи нижней полуобмотки дросселя со всей обмоткой через зарядно-разрядный конденсатор 8 и АБ б проходит деполяризующий АБ импульс тока удвоенного напря жения по сравнению с напряжением на нижней полуобмотке дросселя 11 по цепи обмотка дросселя 1 - зарядноразрядный конденсатор 8 - клемма 4 АБ б - клемма 5 - обмотка дросселя 1 В четные полупериоды изменения напряжения источника 3, когда потенциал клеммы 2 вьоше потенциала клеммы 1, токоограничивающий конденсатор 7 соединяется последовательно согласно с ИПТ 3 и происходит его резонансные разряд и перезаряд (чере АБ) по цепи источник 3 - клемма 2 диод 9 - клемма 4 - АБ б - клемма 5 верхняя полуобмотка дросселя 11 конденсатор 7 - клемма 1 - источник 3 до напряжения другого знака, величина которого определяется начальным напряжением на токоограничивающем конденсаторе 7. Резонансные разряд и перезаряд токоограничивающего конденсатора 7 происходит потому,чт индуктивность верхней полуобмотки дросселя 11 равна индуктивности ниж ней его полуобмоткк, а эквивалентна емкость АБ б С , много больше емкости С токоограничивакнце конденсатора 7 ( С-), из-за чего собственная резонансная круговая ча тота U описанного LRC-контура с точ ностью до сомножителя (1+С7/Сб) рав на круговой частоте (л изменения на пряжения ИПТ 3 (ti/c. -Щ - Cf ) . В результате резонансных заряда, разряда и перезаряда токоограничивающего конденсатора 7 происходит резонансная раскачка напряжения на его обкладках и за относительное числопериодов п n/() О 0,06, где п число периодов, относительное напря жение на нем ( возрастает от ну ля до максимума U -j/Uyy, 8,9, где Uyy, - амплитуда напряжения ИПТ 3 (кривая ПУ на фиг. 3). При дальнейшем росте п от 0,07 до 0,18 относительное напряжение убывает от 8,9 до 1. Так как скорость передачи энергии из ИПТ 3 в АБ б пропорциональна квадрату напряжения на токоограничивающем конденсаторе 7, всего за относительное число периодов п 0,18, как видно из кри вой ПУ на фиг. 3, происходит заряд АБ б до относительного напряжения Ц-я/и 1,81, составляющего немногим более 90% от максимально воз- можной величины относительного напряжения 2. Для сравнения, при том же самом соотношении емкостей С /C-j в прототипе заряд АБ б до относител ного напряжения U45/U 1,81 проис ходит за относительное число периодов п 2,06 (.кривая ПР на фиг. 2)., что объясняется тем,что относительное напряжение на токоограничивающем конденсаторе 7 прототипа в конце нечетных полупериодов будет неизменно и равно единице (кривая ПР на фиг. 3). Одновременно в четные полупериоды изменения напряжения ИПТ 3 при возрастании тока верхней полуобмотки линейного дросселя 11 за счет ее взаимоиндуктивной связи со всей обмоткой через АБ 6 по цепи обмотка дросселя 11 - зарядно-разрядный конденсатор 8 - клемма 4 - АБ 6 - клемма 5 - обмотка дросселя 11; проходит деполяризующий ее импульс тока удвоенного напряжения по сравнению с напряжением на верхней полуобмотке. Кроме того, в четные полупериоды изменения напряжения ИПТ 3 при убывании тока в верхней полуобмотке линейного дросселя 11 за счет взаимоиндуктивной связи ее со всей обмоткой дросселя 11 происходит заряд АБ б удвоенным напряжением по сравнению с напряжением на верхней полуобмотке дросселя 11 по цепи обмотка дросселя 11 - диод 10 - диод 9 клемма 4 - АБ б - клемма 5 - обмотка дросселя 11. Если предположить, что заряд АБ 6 до максимального относительного напряжения идЕр/и и происходит до If81, то как видно из сравнения кривых ПУ и ПР на фиг. 2, средняя скорость передачи энергии из ИПТ 3 в АБ б, обратно пропорциональна числу периодов заряда п (времени заряда) в предлагаемом устройстве ППР/ПУ,У, 2,Об/0,,4 раза больше, чем в прототипе. И это при тех же эквивалентной емкости АБ С, и емкости токоограничивающего конденсатора CT. Следует отметить, что для значительного упрощения исследования кривые (фиг. 2 и 3) построены без учета взаимоиндуктивных связей. Это возможно, так как взаимоиндук-тивные связи несколько увеличивают скорость передачи энергии из ИПТ 3 в АБ б. С увеличением относительного числа периодов п 0,18 относительное напряжение на токоограничивающем конденсаторе 7 предлагаемого устройства в конце нечетных полупериодов изменения напряжения источника становится таким же, как и у прототипа Up-. 1 и скорость передачи энергии из ИПТ в АБ уменьшается до ее значения в прототипе при том же относительном напряжении на АБ , 1,81. Так как в предлагаемом устройстве энергия от источника 3 (при нулевом напряжении на АБ) отбирается в продолжении всего периода изменения напряжения источника при резонансном заряде, разряде«и перезаряде токоограничивающего конденсатора 7 (скв ность Чу,у 1), а в прототипе - в те чении половины периода (скважность qijn, ,2), то максимальныйкЪэффициен мощности Х обратно пропорциональный корню квадратному из скважности в предлагаемом устройстве (Х,« 1/УЯрй 1) в 1,41 раза больше, чем в прототипе (Х. 0,707). Ввиду того, что деполяризующие АБ импульсы тока через зарядно-разрядный конденсатор 8 в предлагаемом устройстве в отличие от прототипа следует не один, а два раза в период изменения напряжения источника 3 при среднем максимальном напряжении,примерно в 6 раз большем, чем в прототипе даже при увеличении средней скорости передачи электрической энер гии из источника переменного тока в АБ в 11,4 раза, емкость зарядно-разрядного конденсатора 8 может быть уменьшена по сравнению с прототипом в 2- ,4 6,4 раза, что приводит к уменьшению его массы и, объема. Таким образом, в предлагаемом устройстве увеличение средней скорости передачи электрической энергии из ИПТ 3 в АБ б в 11,4 раза, а коэффициента мощности в 1,41 раза и умен шение емкости зарядно-разрядного кон денса.тора 8 в 6,4 раза по сравнению с прототипом приводят к существенному (в 1,96 раза) уменьшению удельных массы и объема предлагаемого устройства по сравнению с прототипом и, как следствие, к значительному улучшению удельных энергетических показателей. изобретения Устройство для заряда аккумуляторной батареи асимметричным током,содержащее две входные клеммы для под- ключения источника переменного тока, положительную и отрицательную выходные длеммы для соединения с заряжаемой аккумуляторной батареей, токоограничивающий конденсатор, одна обкладка которого связана с одной входной клеммой, зарядно-разрядный конденсатор, одна обкладка которого подключена к пдложительной выходной клемме, и два вентиля, катод первого из которых соединен с положительной выходной клеммой, а анод - с катодом второго вентиля, о ч ающе е с я тем,что,с целью улучшения удель-1 ных энергетических показателей путем увеличения скорости передачи электрической энергии из источника переменного тока Е аккумуляторную батарею и коэффициента мощности, оно дополнительно снабжено линейным дросселем с отводом от средней точки его обмотки, связанный с другой обкладкой токоограничивающего конденсатора, причем один конец обмотки линейного дросселя подключен к отрицательной выходной клемме, а другой ее конец к свободной обкладке зарядыо-разряц- ного конденсатора и к аноду второго вентиля, катод которого соединен с другой входной клеммой. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 543089, кл. Н 02 J 7/02, 1977. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2944518/24-07, кл, Н 02 J;7/lp, от 20.06.80.. 3.Авторское свидетельство СССР № 653681, кл. Н 02 J 7/10, 1976.

2,0

0,4 0,8 1,г

гм п

г.о

(риг.г