Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи Советский патент 1990 года по МПК H02J7/10 

Иэобретение относится к электротехнике, может быть использовано для ускоренного заряда аккумуляторных батарей и является усовершенствованием изобретения по авт.св. N 1458929.

Цель изобретения - сокращение времени заряда аккумуляторной батареи.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит выпрямитель 1 , отрицательная клемма которого соединена с второй общей точкой устройства, а положительная клемма предназначена дпя подключения положительного -полюса заряжаемой батареи, датчик 2 тока, второй отвод которого подключен к второй общей точке устройства, задатчик 3 напряжения, регулятор 4 тока заряда, узел 5 сравнения, формирователь 6 импульсов, первый электронный ключ 7, вход которого соединен с первым отводом датчика 2 тока, выход соединен с первым входом регулятора 4 тока заряда и через резистор с второй общей точкой устройства, второй электронный ключ 8, вход

14)

которого соединен с входом первого электронного ключа 7, регулирующий элемент 9, состоящий из первого и второго транзисторов и двух резисто- ров, причем коллекторы обоих транзисторов соединены с клеммой, предназначенной для подключения к отрицательному полюсу заряжаемой батареи и первой .общей точке устройства, а эмиттер второго транзистора соединен с первым отводом датчика 2 тока, база первого транзистора регулирующего элемента 9 подключена через последовательно соединенные резистор и ди- од к выходу регулятора 4 тока заряда, корректирующего цепь 10, состоящую из последовательно соединенных емкости и резистора и включенную между коллектором и базой первого тран- зистора регулирующего элемента 9, третий электронный ключ 11, вход которо- г о подключен к базе первого транзистора регулирующего элемента 9, выход - к второй общей точке устройст- ва, а управляющий вход соединен через диод с выходом формирователя 6 импульсов, а через резистор - с второй общей точкой устройства, первый делитель 12 напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных резисторов, один конец которого соединен с выходом задатчика 3 напряжения, другой - с первой общей точкой устройства, а точка соединения резисторов подключена к интертиуующему входу узла 5 сравнения, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой резистивного делителя напряжения, один конец которого соединен с поло- жительным, а другой - с отрицательным полюсом заряжаемой батареи, четвертый электронный ключ 13, вход которого соединен с инвертирующим входом узла 5 сравнения,а выход - с первой общей точкой устройства, второй делитель 14 напряжения, состоящей из трех последовательно соединенных резисторов, одним концом подключенный к первой общей точке устройства,

другим через диод - к выходу узла 5 сравнения, первая точка соединения резисторов второго делителя 14 напряжения подключена к управляющему входу четвертого электронного ключа 13, первый оптронный переключатель 15 (инвертор), выход которого через диод соединен с второй точкой соединения резисторов второго делителя 14

5 0 5 9 Q Д5 ,п

„

5

напряжения, анод входного светодио- да первого, оптронного переключателя 15 через резистор соединен с положительной клеммой второго источника питания устройства, пятый электронный ключ 16, вход которого соединен с катодом входного светодиода переключателя 15, выход - с второй общей точкой устройства, а управляющий вход соединен через диод с выходом формирователя 6 импульсов, а через резистор - с второй общей точкой устройства, шестой электронный ключ 17, выход которого соединен с первой общей точкой устройства, управляющий вход через один резистор соединен так же с первой общей точкой устройства, а через другой резистор - с другим концом второго делителя 14 напряжения, оптронный переключатель 18 (инвертор), катод входного светодиода которого соединен с входом шестого электронного ключа 17, а анод через резистор - с положительной клеммой первого источника питания устройства, компаратор 19, один вход которого соединен с выходом переключателя 18, прямой выход - с управляющим входом ключа 8, третий делитель 20 напряжения, состоящий из двх последовательно соединенных резисторов, один конец которого соединен с второй общей точкой устройства, другой - с положительной клеммой второго источника питания устройства, а средняя точка подключена к другому входу компаратора 19, седьмой электронный ключ 21, вход которого соединен с выходом электронного ключа 8, выход - с вторым входом регулятора 4 тока заряда, а управляющий электрод - с инверсным выходом компаратора, четвертый делитель 22 напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных резисторов, один конец которого соединен с второй общей точкой устройства, другой - с выходом оптронного переключателя 18, а средняя точка через диод подключена к второму входу . регулятора 4 тока заряда, конденсатор 23, один конец которого подключен к второй общей точке устройства, а другой - к выходу электронного клю ча 8, усилитель 24 импульсов, вход которого соединен с первым отводом датчика 2 тока, пиковый детектор 25, вход которого подключен через резис тор к выходу усилителя 24 импульсоь,

5I5

повторитель 26 напряжения, вход которого подключен к выходу пикового детектора 25, а выход соединен с входом управления формирователя 6 импульсов, делитель 27 напряжения, состоящий из двух резисторов, один конец которого соединен с первой общей точкой устройства, второй - с клеммой положительного потенциала вы- прямителя 1, а средняя точка соединена с неинвертирующим входом узла 5 сравнения. Подключение неинвертирующего входа узла 5 сравнения не к положительному полюсу последнего ак- кумулятора батареи, а к средней точке делителя 27 напряжения позволяет производить заряд герметичных батарей состоящих из нескольких аккумуляторов

и имеющих только два вывода (+ и -), а также дает возможность производить более качественный заряд батареи в случае, если последний аккумулятор батареи имеет плохие технические характеристики большое внутрен- нее сопротивление, сильный саморазряд и т.д.|.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства в сеть переменного тока без подключения нагрузки (батареи аккумуляторов) на выходе узла 5 сравнения появляется отрицательный потенциал, близкий по величине к напряжению (-U1) первого источника питания устройства (на неинвертирующем входе узла 5 сравнения напряжение отсутствует, а на инвертирующий подано положительное опорное напряжение Ь 0 , снимаемое со средней точки первого делителя 12 напряжения) . Электронные ключи 13 и 17 закрыты. На выходе оптронного переключателя 18 присутствует положительный потенциал логической единицы, величи- на которого больше величины напряжения UQ снимаемого с точки соединения резисторов третьего делителя 20 напряжения. На прямом выходе компаратора 19, собранного на двух операцион- ных усилителях, устанавливается напряжение, близкое по величине к положительному напряжению (+U2) второго источника питания устройства, а на инверсном выходе компаратора 19 уста- навливается напряжение, близкое по величине к отрицательному напряжению (-U2) второго источника питания устройства. Электронный ключ 8 открыт, а

b

Q 5

5

0 5

0 п $

И)

электронные ключи 21 и 7 закрыты. II,ч первом входе регулятора 4 токл заряда присутствует потенциал второй общей точки устройства, а на втором входе - положительный потенциал, снимаемый через диод со средней точки четвзртого делителя 22 напряжения, на другой конец которого подается сигнал логической единицы с выхода переключателя 18. Таким образом, на выходе регулятора 4 тока заряда присутствует положительный потенциал, величина которого близка к U2. На выходе формирователя 6 импульсов присутствует последовательность прямоугольных импульсов, которые открывают и закрывают электронные ключи 11 и 16. В те моменты времени, когда электронный ключ 1 закрыт, открыты транзисторы регулирующего элемента 9, и наоборот. Изменение закрытого состояния ключа 16 на открытое вызывает, соответственно, изменение потенциала на выходе переключателя 15 с уровня логической единицы на уровень логического нуля.

При подключении к устройству батареи аккумулятора в тот момент времени, когда электронный ключ 11 открыт, ничего не изменяется, но когда электронный ключ 11 закрывается, открываются транзисторы регулирующего элемента 9 и через батарею аккумуляторов течет ток, а конденсатор 23 заряжается че-1 рез ключ 8. При достижении зарядным током такой величины, когда величина напряжения снимаемого со средней точки делителя 27 напряжения, состоящего из двух резисторов (величины этих резисторов R1 и R2 выбраны таки - ми, чтобы величина падения напряжения на резисторе R2 была равна усредненному значению напряжения на одном

R1.

аккумуляторе батареи, т.е. --- п-1,

к/

где п - количество аккумуляторов в батарее), превышает величину опорного напряжения (U0), на выходе узла 5 сравнения потенциал изменяется на противоположный, становится близким к +U1, открываются электронные ключи 13 и 17, на выходе переключателя 18 потенциал изменяется с вепичины логической единицы на величину логического нуля, переключается компаратор 19 (U04 выбрано больше величины логического нуля, но меньше величины логической единицы на выходе переклю715

чателя 18), закрывается ключ 8, открываются ключи 7 и 21, на входах регулятора 4 тока заряда сравнивается величина напряжения на конденсаторе 23 (соответствующая величине падения напряжения на датчике 2 тока, при протекании которого величина напряжения, снимаемого со средней точки делителя 27 напряжения, стала равна значению U0) с величиной падения напряжения на датчике 2 тока (диод, соединяющий среднюю точку четвертого делителя 22 напряжения, с вторым вхо

дом регулятора 4 тока заряда, закрыт) ленных импульсов и через повторитель

20

и регулирующий элемент 9 переходит в режим стабилизации тока. Режим стабилизации тока заряда происходит до тех пор, пока с выхода формирователя 6 импульсов не придет сигнал, которым открываются ключи 11 и 16, Как только откроется электронный ключ 11, закрываются транзисторы регулирующего элемента 9, протекание тока через батерию прекращается, величина напряжения на 25 аккумуляторах падает и становится равной ЭДС. Открывание в этот же момент времени электронного ключа 16 вызывает изменение на выходе переключателя 15 величины напряжения с уров- зо ня логической единицы на уровень логического нуля, что приводит в свою очередь, к тому, что закрывается электронный ключ 13 (почти все напряжение на выходе узла 5 сравнения- падает на первом резисторе третьего делителя 14 напряжения), изменяется потенциал напряжения на противоположный на выходе узла 5 сравнения, закрывается электронный ключ 17, изменяется потенциал напряжения на выходе переключателя 18 с уровня логического нуля на уровень логической единицы, срабатывает компаратор 19, потенциалы на его выходах изменяются на противоположные, открывается электронный ключ 8, закрываются электронные ключи 7 и 21, конденсатор 23 начинает разряжаться через электронный ключ 8 и датчик 2 тока, потенциал на выходе регулятора 4 тока заряда становится близким к +U2 (на первом входе регулятора 4 - потенциал второй общей точки, а на втором - положительный потенциал, снимаемый через диод со средней точки делителя 22 напряжения) ; такое состояние схема сохраняет до тех пор, пока с формирователя 6 импульсов не придет сигнал, ко35

40

45

50

55

26 напряжения величина этого напряжения подается на вход управления фор- мирователя 6 импульсов. Формирователь 6 импульсов выполнен таким образом, что при величине напряжения на его входе управления :0,7 В на его выходе имеется чередование коротких отрицательных и длинных положительных импульсов, а в случае, когда вели чина напряжения на выходе повторителя 26 напряжения 1 В, на выходе формирователя 6 импульсов длительности положительных и отрицательных импульсов изменяются на противоположные Частота следования импульсов на выходе формирователя 6 импульсов 100Гц Компаратор 28 на операционном усилителе осуществляет сравнение опорного напряжения Иоа с напряжением, снимаемым с диодного моста, на котором осуществляется двухполупериодное выпрямление, на выходе компаратора 28 . имеется последовательность положитель ных и отрицательных прямоугольных импульсов со скважностью два, которая через резистивный делитель напряжения подается на вход интегратора 29, с выхода которого снимается двуполяр- ное пилообразное напряжение и подается на инвертирующий вход компаратора 30, на неинвертирующий вход которого через резистивный делитель подано двуполлрное опорное напряжение. Таким образом, компаратор 30 на операционном усилителе осуществляет сравнение величины пилообразного напряжения, поступающего на его инвертирующий вход, с величиной напряжения, снимаемого с резистивного делителя и подаваемого на его неинвертирующий вход, причем величина этого последнего напряжения может изменяться под действием напряжения, поступающего на вход управления формирователя 6

8

торым закрываются электронные ключи Н и 16. При закрывании этих ключей работа схемы аналогична описанной.

Таким образом, работа предлагаемого устройства без учета цепи обратной связи (усилитель 24 импульса, пиковый детектор 25 и повторитель 26 напряжения) аналогична работе известного. При прохождении импульсов тока через датчик 2 тока усилитель 24 импульсов их усиливает, на пиковом детекторе 25 происходит выделение амплитудного значения напряжения усиленных импульсов и через повторитель

0

5 зо

35

40

45

50

55

26 напряжения величина этого напряжения подается на вход управления фор- мирователя 6 импульсов. Формирователь 6 импульсов выполнен таким образом, что при величине напряжения на его входе управления :0,7 В на его выходе имеется чередование коротких отрицательных и длинных положительных импульсов, а в случае, когда величина напряжения на выходе повторителя 26 напряжения 1 В, на выходе формирователя 6 импульсов длительности положительных и отрицательных импульсов изменяются на противоположные. Частота следования импульсов на выходе формирователя 6 импульсов 100Гц- Компаратор 28 на операционном усилителе осуществляет сравнение опорного напряжения Иоа с напряжением, снимаемым с диодного моста, на котором осуществляется двухполупериодное выпрямление, на выходе компаратора 28 . имеется последовательность положительных и отрицательных прямоугольных импульсов со скважностью два, которая через резистивный делитель напряжения подается на вход интегратора 29, с выхода которого снимается двуполяр- ное пилообразное напряжение и подается на инвертирующий вход компаратора 30, на неинвертирующий вход которого через резистивный делитель подано двуполлрное опорное напряжение. Таким образом, компаратор 30 на операционном усилителе осуществляет сравнение величины пилообразного напряжения, поступающего на его инвертирующий вход, с величиной напряжения, снимаемого с резистивного делителя и подаваемого на его неинвертирующий вход, причем величина этого последнего напряжения может изменяться под действием напряжения, поступающего на вход управления формирователя 6

15

импульсов и открывающего или закрывающего транзистор 31. В зависимости от величины напряжения, покупающего на вход управления формирователя 6 импульсов, скважность импульсов на его выходе будет изменяться в широких пределах. В случае, когда заряжаемая батарея полностью разряжена, амплитуда импульсов тока, протекаю- щего через датчик 2 тока, велика, величина напряжения, снимаемого с датчика тока и пропорционального амплитуде импульсов тока, усиливается усилителем 24 импульсов с коэффициентом усиления К (K R3/R4+1), амплитудное значение этого напряжения выделяется на амплитудном детекторе 25 и через повторитель 26 напряжения подается на вход управления формирователя 6 импульсов о В случае полностью разряженной батареи величина этого напряжения велика ( в), транзистор 31 открыт и с выхода формирователя 6 импульсов на входы электронных клю- чей 11 и 16 подается последовательность прямоугольных импульсов (по- ложительных), длительность которых мала по сравнению с длительностью паузы, а следовательно, длительность импульсов тока, протекающего через , датчик 2 тока, наоборот, велика по сравнению с длительностью пауз (в те моменты времени, когда ключ 11 открыт т.е. на его вход приходит положительный импульс напряжения, регулирующий элемент 9 закрыт и зарядный ток через батарею и датчик 2 тока не протекает). По мере заряда аккумуляторной бате- реи амплитуда импульсов зарядного то- ка уменьшается, следовательно, уменьшается и величина напряжения на выходе повторителя 26 напряжения, транзистор 31 закрывается, потенциал подаваемый на неинвертирующий вход 30, воз- растает и длительность положительных импульсов на выходе 30 увеличивается

0 5 0 д 5

5

30Ю

что, в свою очередь, приводит К уменьшению длительности импульсов тока, протекающего через батарею и датчик 2 тока (увеличение длительности положительных импульсов на выходе 30 приводит к более длительному открыванию ключ 11 и закрыванию транзисторов регулирующего элемента Ч), Таким образом, цепь обратной связи, состоя- тая из усилителя 24 импульсов, пикового детектора 25 и повторителя 26 напряжения, осуществляет изменение скважности импульсной последовательности (широтно-импульсную модуляцию) зарядного тока, протекающего через батарею, причем в начальный момент заряда скважность импульсной последовательности зарядного тока близка к единице (в случае сильно разряженной батареи), а по мере ее заряда постоянно возрастает и в конце заряда приближается к 20 и более.

Использование предлагаемого устройства для заряда аккумуляторных батарей позволяет существенно сократить время заряда, В начальный момент, когда коэффициент использования тока максимальный, заряч ведется при максимальной, для данного аккумулятора величине тока.

Формула изобретения

Устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи по авт.св. № 1458929, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени заряда, устройство содержит усилитель импульсов, вход которого соединен с первым отводом датчика тока, пиковый детектор, вход которого подключен через резистор к выходу усилителя импульсов, повторитель напряжения, вход которого подключен к выходу пикового детектора, а выход соединен с входом (управления формирователя импульсов.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для ускоренного заряда аккумуляторной батареи. Цель изобретения - сокращение времени заряда аккумуляторной батарей. Устройство содержит выпрямитель, датчик тока, задатчик напряжения, регулятор тока заряда, узел сравнения, формирователь импульсов, семь электронных ключей, регулирующий элемент, корректирующую цепь, четыре делителя напряжения, два оптронных переключателя инвертора, компаратор, конденсатор, а также усилитель импульсов, вход которого соединен с первым отводом датчика тока, пиковый детектор, вход которого подключен через резистор к выходу усилителя импульсов, повторитель напряжения, вход которого подключен к выходу пикового детектора, а выход соединен со входом управления формирователя импульсов, делитель напряжения, состоящий из двух резисторов, один конец которого соединен с первой общей точкой устройства, второй - с клеммой положительного потенциала выпрямителя, а средняя точка соединена с неинвертирующим входом узла сравнения. Устройство обеспечивает в процессе заряда изменение коэффициента заполнения импульсов заряда, причем при разряженной батарее коэффициент заполнения максимальный. 1 ил.

Составитель Г.Веденеев Редактор А.Огар Техред А.КравчукКорректор Л.Патай

Заказ 721

Тираж 421

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Подписное