Устройство для заряда аккумуляторной батареи Советский патент 1985 года по МПК H02J7/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для заряда и подзаряда аккумуляторных батарей в процессе их эксплуатации.

Известно зарядное устройство, содержащее согласующий трансформатор, одно- или двухполупериодный выпрямитель переменного тока, ограничивающий резистор и ключевой элемент на основе тиристора, установленные в цепи зарядного тока, контрольноуправляющий блок на основе тиристора.

Однонаправленный тиристорный ключ управляется анодным напряжением, приложенным к управляющему переходу, через резистор, а отключение однонаправленного тиристорного ключа происходит в момент достижения на клеммах аккумуляторной батареи заданного значения напряжения путем подачи на управляющий переход однонаправленного тиристорного ключа минуса источника зарядного тока с помощью контрольно-управляющего блока. Это осуществляется с помощью вспомогательного однонаправленного тиристорного ключа, анод которого через резистор соединен с выводом управляющего электрода основного однонаправлейного тиристорного ключа, катод - с минусом источника зарядного тока, а его управляющий электрод подключен к резисторному делителю напряжения, подключенному к выводам зарядного устройства. В процессе заряда аккумуляторной батареи по мере роста ЭДС на клеммах аккумуляторной батареи при постоянном значении сопротивления ограничивающего резистора величина зарядноого тока уменьщается, в результате чего увеличивается время полного заряда аккумуляторной батареи 1.

Недостатком такого устройства являются имеющиеся потери электрической мощности на ограничивающем резисторе на протяжении всего процесса заряда аккумуляторной батареи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для заряда аккумуляторной батареи, содержащее входные и выходные выводы, согласующий трансформатор, двухполупериодный выпрямитель переменного тока, однонаправленный тиристорный ключ и ограничивающий резистор в цепи зарядного тока, контрольно-управляющий блок, содержащий последовательно соединенные между собой конденсатор и резистор, при этом конденсатор подключен к плюсовому выходу, а резистор - к минусовому выходу двухполупериодного выпрямителя, транзистор, коллекторный вывод которого через резистор подключен к минусовому выходу двухполупериодного выпрямителя, а эмиттерный вывод - к его плюсовому выходу, стабилитрон, подключенный в прямом направлении к базовому выводу упомянутого транзистора и к точке последовательного соединения конденсатора и резистора, при этом силовые электроды однонаправленного тиристорного ключа подключены параллельно ограничивающему резистору, а управляющий электрод его через регулируемый резистор подсоединен к точке последовательного соединения коллекторного вывода транзистора с резистором 2.

Недостатками известного устройства являются значительное время заряда, сложность в обслуживании и контроле, недостаточно высокие КПД и надежность.

Цель изобретения - упрощение, сокращение времени заряда, повыщение КПД и надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для заряда аккумуляторной батареи, содержащем входные и выходные выводы, согласующий трансформатор, двухполупериодный выпрямитель переменного тока, однонаправленный тиристорный ключ и ограничивающий резистор в цепи зарядного тока, одним выводом подключенный к минусовому выводу выхода устройства, контрольно-управляющий блок, включающий стабилитрон, постоянные и регулируемые резисторы, в контрольно-управляющий блок введен управляемый генератор, датчик тока, измерительный мост, выполненный так, что одно плечо образовано последовательно включенными первым стабилитроном и одним регулируемым резистором и подключено к выходным выводам устройства, причем один крайний вывод упомянутого резистора подключен к катоду стабилитрона, анод которого подключен к минусовому выводу выхода устройства, другой крайний вывод этого резистора подключен к плюсовому выводу выхода устройства, а средний его вывод подключен к катоду диода, анод которого подключен к входу управляемого генератора реализованного, например, на транзисторах, а через другой регулируемый резистор - к плюсовому выводу выхода устройства, другое плечо измерительного моста образовано последовательно включенными дополнительным стабилитроном и первым резистором, причем один вывод этого резистора подключен к аноду стабилитрона и минусовому выводу питания управляемого генератора, второй вывод первого резистора подключен к минусовому выводу выхода устройства, а катод стабилитрона подключен к плюсовому выводу питания управляемого генератора и к плюсовому выводу выхода двухполупериодного выпрямителя, который через датчик тока подключен к плюсовому выводу выхода устройства, а минусовой вывод выхода устройства подключен к одному выводу ограничивающего резистора и аноду тиристора, катод которого подключен к минусовому выводу выпрямителя и через ключ подключен к другому выводу ограничивающего резистора, а управляющий электрод тиристора через второй резистор подключен к выходу управляемого генератора. На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для заряда аккумуляторной батареи с датчиком тока - резистором; на фиг. 2 - то же, с датчиком тока- трнасформатором тока. Согласование ЭДС сети и аккумулятора осуществляется трансформатором 1. Выход мостового выпрямителя 2 через тиристор 3, шунтированный через кнопку 4 резистором 5 и через датчик тока - резистор 6, подключен к выходу устройства и зажимам аккумуляторной батареи, в результате чего образуется низковольтная силовая зарядная цепь аккумуляторной батареи. Остальные элементы схемы образуют контрольно-управляющий блок. Управляющий переход тиристора 3 через гасящий резистор 7 подключен к выходу управляемого генератора 8, питание которого осуществляется от стабилитрона 9, образующего с последовательно включенным резистором 10 одно плечо моста, подключенное к выходу устройства. Другое плечо моста, подключенное к выходу устройства, образовано последовательно включенными стабилитроном 11 и переменным резистором 12, средняя точка которого через диод 13 подключен к входу управляемого генератора 8, а вход генератора через резистор 14 задания тока заряда подключен к плюсовому выходному зажиму устройства. В качестве датчика тока может быть использован трансформатор 15 тока (фиг. 2)с выпрямителем 16 и нагрузочным резистором 17. Устройство работает следующим образом. При подключении аккумуляторной батареи, подлежащей зарядке с остаточным напряжением больще половины номинального, что имеет место в больщинстве случаев, через резистор 10 от батареи запитывается управляемый генератор 8, самовозбуждаеется и выдает узкие импульсы управления на тиристор 3 с частотой, заданной величиной резистора 14, которая выще периодических пульсаций выпрямленного напряжения сети, составляющего 100 Гц. При подключении устройства к сети появляется напряжение на выходе выпрямительного моста 2, под действием которого при включенном тиристоре 3 протекал бы ток заряда аккумуляторной батареи. Учитывая, что частота генератора не синхронизирована с частотой сети, первые импульсы управления после подключения устройства к сети могут появиться относительно моментов наличия положительного анодного напряжения на тиристоре 3 (условия включения) как с минимальными углами управления, обеспечивающими максимальную проводимость тиристора, так и с максимальными, обеспечивающими минимальную проводимость тиристора. Появление импу.льсов управления с минимальными углами вызывает протекание в цепи заряда болыиого амплитудного и среднего значений тока заряда. При протекании первого пульса тока на датчике тока- резистора 6 создается падение напряжения, знак которого направлен относительно входа генератора 8 встречно напряжению питания управляемого генератора 8, и среднее результирующее напряжение управления, приложенное к резистору 14, снижается, что вызывает снижение тока управления генератора 8 и снижение его частоты. Каждый снижающийся по амплитуде последующий пульс тока вызывает снижение частоты генератора 8 до тех пор, пока не наступает условие равновесия - частота генератора 8 снижается до 100 Гц, а фаза импульсов управления установится такая, что будет вызывать протекание величины тока заряда, обеспечивающего по цепи обратной связи частоту генератора 8, равную частоте пульсации выпрямленного напряжения 100 Гц. Время переходного процесса (от момента включения до момента достижения величин тока заряда установившегося значения) зависит от соотнощения параметров схемы и при соответствующем выборе их составляет практически 3-4 пульса тока (30-40 мс). По своему характеру действия схема эквивалентна астатическому регулятору тока (статическая ошибка близка к нулю), поддерживающему заданную величину тока при изменении параметров схемы, изменение напряжения сети и аккумуляторной батареи. Появление импульсов управления после подключения устройства к сети с максимальными углами управления вызывает малые значения амплитуды среднего тока заряда. Но, так как заданная частота генератора 8 выше частоты пульсаций выпрямленного напряжения, угол управления в каждый последующий пульс уменьщается и сдвигается с максимального значения до установившегося. Переходный процесс при этом протекает медленней, и скорость его определяется в основном величиной рассогласования частот - заданной генератору и пульсаций выпрямленного напряжения, а ток при этом нарастает от нулевого значения до номинального. При появлении первых импульсов управ-, ления после подключения устройства к сети в промежуточные значения между максимальными и минимальными углами характер переходного процесса будет промежуточным между двумя описанными. В любом случае после подключения устройства к сети ток заряда имеет конкретное значение, заданное величиной резистора 14. При росте ЭДС аккумулятора в процессе заряда форма тока изменяется, амплитуда ток падает, а длительность пульса возрастает таким образом, что средний ток за интервал проводимости поддерживается на постоянном уровне.

что обеспечивает стабилизацию тока в процессе заряда. Управляемый генератор представляет собой несимметричный мультивибратор, выполненный на транзисторах различной проводимости. В зависимости от изменения в определенном диапазоне тока управления на входе генератора пропорционально изменяется частота импульсов управления на выходе. Ток управления генератора 8 определяется величиной резистора 14 и разностью напряжений - напряжения питания генератора, застабилизированного стабилитроном 9, и напряжения обратной связи, снимаемого с датчика обратной связи резистора 6. Период колебания генератора состоит из двух интервалов времени узкого, когда оба транзистора 18 и 19 открыты, и широкого, когда оба транзистора закрыты. Переход с открытого состояния транзисторов

18и 19 в закрытое происходит под действием снижающегося до нуля тока заряда емкости 20, протекающего по цепям открытых транзисторов эмиттер - база транзистора 18 и коллектор - эмиттер транзистора 19. При снижении тока заряда в конце заряда конденсатора 20 до нуля п-р-птранзистор 18 закрывается, в результате чего закрывается транзистор 19. После этого происходит разряд конденсатора 20 током управления генератора 8 - щирокий интервал периода, когда транзисторы 18 и

19заперты. При перезаряде конденсатора

20до напряжения больше напряжения транзистора 18 он открывается и открывает транзистор 19, через который протекает ток управления тиристором 3. Затем цикл повторяется. При достижении в конце заряда напряжения аккумуляторной батареи, близкого к номинальному, сумма все возрастающего падения напряжения на. резисторе 10 и напряжения на емкости конденсатора 20 в конце перезаряда вызывает открывание диода 13, в результате чего ток управления шунтируется до цепи: диод 13, резистор 12 и стабилитрон 11, что вызывает снижение задания на частоту генератора 8 (снижение тока заряда) и быстрое прекращение работы его вообще, оба транзистора закрываются, импульсы управления не поступают на тиристор 3. В случае использования устройства для заряда аккумуляторной батареи большой емкости, когда зарядный ток большой, на датчике тока - резисторе 6 может рассеиваться большая мощность. С целью повышения КПД устройства на фиг. 2 приведена схема устройства для заряда аккумуляторной батареи с устройством согласования в цепи обратной связи, где в качестве датчика тока использован трансформатор 15 тока с выпрямителем 16 и нагрузочным резистором 17.

В известном устройстве могут возникать режимы в зависимости от напряжения сети, когда зарядный ток не достигает номинального значения или превышает его, что в первом случае устраняет возможность полной зарядки, а во втором случае возможен перезаряд аккумулятора, причем током, превышающим номинальное значение.

Кроме того, в нем для ограничения тока заряда после подключения тиристора используемый трансформатор должен иметь достаточное для ограничения тока выходное сопротивление, так как других элементов, ограничивающих практически ток, в цепи заряда нет. Такой трансформатор по сравнению с обычным имеет пониженный КПД, что в целом снижает КПД устройства. Предлагаемое устройство имеет обычное испол, нение трансформатора с максимальным КПД, а ограничение тока осуществляется при помощи фазового управления тиристором регулированием времени его проводимости. Предлагаемое устройство имеет защиты от аномальных режимов эксплу0 атации: короткого замыкания, включение на согласованную ЭДС аккумулятора. При зарядке полностью разряженного аккумулятора, что в эксплуатации бывает крайне редко, когда его ЭДС недостаточная для работы генератора при нажатии кнопки

4, тиристор щунтируется резистором 5, выполняющим роль балластного и ограничивающего ток заряда на необходимом уровне. При достижении напряжения аккумуляторной батареи 0,4-0,6 номинального, что про- исходит за достаточно короткое время, кнопка отпускается, а устройство работает аналогично описанному.

Преимущества предлагаемого устройства по сравнению с известным заключаются в том, что при его использовании сокращается время заряда, упрощаются контроль заряда и обслуживание устройства, повышаются КПД процесса заряда и надежность работы устройства, упрощается устройство в целом, так как контроль тока заряда можно вести без электрического измерительного прибора, косвенно по положению заблаговременно отградуированного резистора 14. Упрощение контроля и обслуживания обеспечивается поддержанинием постоянства тока заряда и контролем

напряжения заряда аккумуляторной батареи. Использование принципа ограничения тока при помощи фазового управления тиристором позволяет использовать обычный трансформатор, обеспечивающий высокий КПД устройства. Соответствующим структурным построением устройства обеспечивается высокая надежность работы в аномальных режимах. Контрольно-управляющий блок запитывается от напряжения батареи. В случае короткого замыкания на выходе устройства контрольно-управляющий

5 блок обесточивается, импульсы управления не поступают на тиристор, тиристор закрывается и аварийный режим не возникает. В случае ошибочного подключения батареи

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ, содержащее входные и выходные выводы, согласующий трансформатор, двухполупериодный выпрямитель переменного тока, однонаправленный тиристорный ключ и ограничивающий резистор в цепи зарядного тока, одним выводом подключенный к минусовому выводу выхода устройства, контрольно-управляющий блок, включащий стабилитрон, постоянные и регулируемые резисторы, отличающееся тем, что, с целью упрощения, сокращения времени заряда, повыщения КПД и надежности, в контрольно-управляющий блок введен управляемый генератор, датчик тока, измерительный мост, выполненный так, что одно плечо образовано последовательно включенными стабилитроном и одним регулируемым резистором и подключено к выходным выводам устройства, причем один крайний вывод упомянутого резистора подключен к катоду стабилитрона, анод которого подключен к минусовому выводу выхода устройства, другой крайний вывод этого резистора подключен к плюсовому выводу выхода устройства, а средний его вывод подключен к катоду диода, анод которого подключен к входу управляемого генератора, а через другой регулируемый резистор - к плюсовому выводу выхода устройства, другое плечо измерительного моста образовано последовательно включенными дополнительным стабилитроном и первым резистором, причем один вывод этого резистора подключен к аноду стабилитрона и минусовому выводу питания управляi емого генератора второй вывод первого резистора подключен к минусовому выводу выхода устройства, а катод стабилитрона подключен к плюсовому выводу питания управляемого генератора и к плюсовому выводу выхода двухполупериодного выпрямителя, который через датчик тока подключен к плюсовому выводу выхода устройства, а минусовой вывод выхода устройства подключен к аноду тиристора, катод которого подключен к минусовому выводу выпрями теля и через ключ подключен к другому со оо выводу ограничивающего резистора, а управляющий электрод тиристора через второй резистор подключен к выходу управляемого СП генератора.