Устройство для накопления электрической энергии Советский патент 1991 года по МПК H02J15/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для накопления электрической энергии в составе резервированных или импульсных автономных систем электропитания.

Цель изобретения - увеличение эффективной энергоемкости.

На фиг. 1 преведена структурная .схема предложенного устройства; на фиг. 2-4 - примеры реализации блока амплитудной селекции и пороговых элементов; на фиг. 5 и 6 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства и его отдельных узлов.

Устройство (фиг. 1) содержит батарею 1 накопительных элементов в виде п включенных последовательно конденсаторов 2, п дифференциальных усилителей 3, п элементов 4 задержки, блок 5 амплитудной селекции, п элементов И 6, п ключей 7, п шунтовых резисторов 8, п диодов 9, ограничительный резистор 10, коммутатор 11, датчик 12 тока, первый пороговый элемент 13, второй гГорогопый элемент 14 и третий пороговый элемент 15. При этом входная шина устройства 16 через коммутатор 11 и ограничительный резистор 10 соединена с выходной шиной 17 и с первым выводом батареи 1 накопительных элементов, второй вывод которой через датчик 12 тока соединен с шиной нулевого потенциала (не обозначена) и через первый пороговый элемент 13 - с первыми входами всех элементов И 6. Первый вывод каждого из ключей 7 соединен с первым выводом соответствующего конденсатора 2 батареи 1 накопительных элементов, с первым выводом соответствующего дифференциального усилителя 3 и с первым выводом одного из диодов 9, второй вывод которого соединен с вторым выводом того же дифференциального усилителя 3, с вторым выводом того же конденсатора 2 и

CJ

о t

р-а

через один из шунтовых резисторов 8 - с вторым выводом того же ключа 7, вход 18 управления которого соединен с выходом соответствующего элемента И 6. Выход каждого из дифференциальных усилителей 3 через один из элементов 4 задержки соединен с соответствующим входом блока 5 амплитудной селекции, адресные выходы 19 которого соединены с вторыми входами элементов И 6,

Вход 20 управления коммутатора 11 соединен с третьими входами элементов И 6 и с выходом второго порогового элемента 14, вход которого соединен с информационным выходом 21 блока 5 амплитудной селекции и через третий пороговый элемент 15 - с четвертыми входами элементов И 6.

Блок 5 амплитудной селекции (фиг, 2) содержит п операционных усилителей 22, п компараторов 23, п диодов 24, п резисторов 25, п рэзисторов 26 и инвертор 27. При этом каждый из входов блока 5 амплитудной се- докции через один из резисторов 25 соеди- г1ен с инвертирующим входом 28 соответствующего операционного усилителя 22 и с первым выводом одного из резисторов 26, вторые выводы которых соединены с первыми выводами диодов 24 УЗ через инвертор 27 - с информационным выходом 21 блока 5 амплитудной селекции. Выход каждого из операционных усилителей 22 соединен с вторым выводом одного из диодов 24 и неинвертирующим входом 29 соответствующего компаратора 23, выход которого соединен с соответствующим адресным выходом 19 блока 5 амплитудной селекции, а немнвертирующие входы 30 операционных усилителей 22 и неивертиру- ющие входы 31 компараторов 23 соединены с шиной нулевого потенциала (не обозначена).

Пороговые элементы 13 и 15 выполнены по идентичной структуре (фиг. 3) и содержат компаратор 32 и источник 33 напряжения, соединенный выходом с инвертирующим входом 34 компаратора 32, неинвертирующий вход 35 и выход которого являются соответственно входом и выходом пороговых элементов 13 и 15.

Пороговый элемент 14 (фиг. 4) содержит компаратор 36, коммутатор 37, источники 38, 39 напряжения, резистор 40 и конденсатор 41, При этом вход порогового элемента 14 соединен с инвертирующим входом 42 компаратора 36,выход которого соединен с выходом порогового элемента 14 и входом 43 управления коммутатора 37, подключенного первым и вторым входами к выходам источников 38, 39 напряжения, а неинвертирующий вход 44 компаратора 36 через

резистор 40 соединен с выходом коммутатора 37 и через конденсатор 41 с шиной нулевого потенциала (не обозначена).

В предложенном устройстве напряже

ние Ui6 на входной шине 16, сопротивление Rio резистора 10, напряжение Узз источника 33 порогового элемента 13, коэффициент передачи Кз дифференциальных усилителей 3, напряжение Узз источника 33 порогового

элемента 15, напряжения Уза, Узэ источников 38, 39 порогового элемента 14, сопротивления Ras, R26 резисторов 25, 26 блока 5 амплитудной селекции, задержка ГА элементов 4 и сопротивления RB резисторов 8

должны удовлетворять условиям:

Die ni)2p;

5

DU1S

Rio

0

5

0

5

Ui

I 1бмакс R12

K3

Rio

U Змакс

(Ui6-nU2p);

U2p Use Кз Dap ;

U39 U32 i

ui изэ ;

U25 ГА t ;

R8 U2P R1°

0)

L)16 - П U2p

где U2p - рабочее напряжение конденсаторов 2 батареи накопительных элементов 1; Ибмакс. - максимальный ток внешнего

источника;

Ri2 - сопротивление датчика 12 тока;

измакс - максимальное выходное напря- жение дифференциальных усилителей 3; (,ц - быстродействие ключей 7.

При этом полярность входов дифференциальных усилителей 3 и направление включения диодов 7 (фиг. 1) соответствуют положительному напряжению внешнего ис- с точника на входной шине 16 и положительным импульсам на выходной шине 17, Для формирования выходных сигналов отрицательной полярности необходимо в предложенном устройстве изменить направление Q включения элементов 3,7 на противоположное и подключить к входной шине 16 отрицательную шину внешнего источника.

Устройство работает следующим образом,

Предположим, что в некоторый момент,

например, непосредственно после включения, напряжения на всех конденсаторах 2 батареи 1 накопительных элементов, в частности на конденсаторах 21 (фиг. 5а) и 2 (фиг, 56), имеет нулевое значение, что определяет нулевой уровень напряжения на выходах дифференциальных усилителей 3, поступающего через элементы А задержки на входы блока 5 амплитудной селекции 5 и формирующего нулевое напряжение на его информационной выходе 21 (фиг. 5в).

Сигнал с информационного выхода 21 блока 5 амплитудной селекции поступает на вход порогового элемента 15 и далее на неинвертирующий вход 35 его компаратора 32, формирующий О на его выходе и на выходе порогового элемента 15 (фиг. 5г), который поступает на четвертые входы элементов И 6 и закрывает их, переводя все ключи 7 в закрытое состояние. Кроме того, сигнал с информационного выхода 21 блока 5 амплитудной селекции (фиг. 5в) поступает на вход порогового элемента 14 и далее на инвертирующий вход 42 компаратора 36, устанавливая на его выходе 1, поступающую на выход порогового элемента 14 (фиг. 5д), а также на вход управления 43 коммутатора 37. При этом перекидной контакт коммутатора 37 соединяется с его первым входом, вследствие чего сигнал с выхода источника 33 напряжения через коммутатор 37 и резистор 40 поступает на неинвертирующий вход 44 компаратора 37, подтверждая логическое состояние его выхода (фиг. 5д), а также одну из обкладок конденсатора41, фиксируя на нем напряжение источника 38.

Логическая. 1 с выхода порогового элемента 14 (фиг. 5д) поступает на третьи входы элементов И 6 и на вход 20 управления коммутатора 11, что приводит к его замыканию, поэтому при появлении напряжения внешнего источника на входной шине 16 (фиг. 5е) в цепи: Коммутатор 11 - конденсаторы 2 батареи 1 накопительных элементов-датчик 12 тока - шина нулевого потенциала, возникает ток, величина которого отражается напряжением на выходе датчика 12 тока (фиг. 5ж), поступающим на вход порогового элемента 13 и далее на неинвертирующий вход 35 компаратора 32, на выходе которого (благодаря выполнению условий (1)) формируется 1 (фиг. 5з), поступающая на первые выходы элементов И 6.

По мере заряда конденсаторов 2 напряжение на каждом из них увеличивается, причем напряжение на конденсаторе с наименьшей емкостью, например, на конденсаторе 21 (фиг. 5а), увеличивается быстрее, чем на других конденсаторах, например на конденсаторе 2П (фиг. 56).

Уровень заряда каждого из конденсаторов 2 отражается напряжением на выходе соответствующего дифференциального усилителя 3, сигналы с выходов которых через элементы 4 задержки поступают на входы блока 5 амплитудной селекции и далее через резисторы 25 - на инвертирующие выходы 28 операционных усилителей 22, один из которых, в данном случае операционный усилитель 221, находится в линейном режиме и напряжение на его выходе повторяет напряжение на соответствующем входе

блока 5 амплитудной селекции с учетом инверсии сигнала и смещения на величину падения напряжения на диоде 241, что приводит к формированию 1 на выходе компаратора 232 и на выходе 191 блока 5

амплитудной селекции (фиг, 5и), а напряжение на выходах других операционных усилителей 22 имеет положительный уровень насыщения, что приводит к формированию на выходах компараторов 23 ...23П и на выходах 19 ...19 (фиг. 5к) логических О.

Напряжение с информационного выхода 21 блока 5 амплитудной селекции (фиг. 5в), отражающее напряжение на одном из конденсаторов 2, в данном случае напрлжение на конденсаторе 2 (фиг. 5а), поступает на вход порогового элемента 15 и далее на неинвертирующий вход 35 компаратора 32, формируя на его выходе 1 (фиг. 5г) в момент превышения напряжения источника

33 этого элемента, которая поступает на четвертые входы элементов И 6. При этом на выходе элемента И б1 формируется 1 (фиг. 5л), поступающая на вход 18 управления ключа 7 и переводящая его во включенное состояние, вследствие чего шунтовой резистор 8 оказывается включенным параллельно конденсатору 21 и шунтирует величину протекающего через него зарядного тока, что приводит к уменьшению скорости

нарастания напряжения на этом конденсаторе (фиг. 5а).

По истечении некоторого времени лидирующим становится напряжение на некотором другом конденсаторе 2, например на

конденсаторе 2П (фиг. 26), что приводит к появлению 1 на соответствующем входе 19, в данном случае на выходе 19 блока 5 амплитудной селекции (фиг. 5к), открыванию ключа 7П и шунтированию конденсатора 2П шунтовым резистором 8, уменьшающим скорость заряда этого конденсатора на некоторое время, большее величины Т4 (фиг. 56).

В дальнейшем устройство работает

аналогичным образом, поддерживая релаксационный процесс в блока 5 амплитудной селекции и формируя на каждом из его адресных выходов 19 импульсы такой скважности, что заряд всех конденсаторов

2 происходит практически равномерно и по истечении соответствующего времени напряжение на каждом из них практически достигает величины U2p, что приводит к появлению О на выходе компаратора 36 порогового элемента 14 (фиг. 5д), закрывающей коммутатор 11 и прекращающей зарядку батареи 1 накопительных элементов, а также поступающей на четвертые входы элементов И 6 и закрывающей их, прекращая шунтирование конденсаторов 2 резисторами 8, Кроме того, О с выхода компаратора 36 (фиг. 5д) поступает на вход 43 управления коммутатора 37, подключая неинвертирующий вход 44 компаратора 36 к выходу источника 39 напряжения и снижая уровень срабатывания порогового элемента 14, что исключит дребезг коммутатора 11 при снижении напряжения на конденсаторах 2 вследствие их естественного саморазряда.

При подключении внешнего потребителя к выходной шине 17 возникает ток в цепи конденсаторов 2, протекающий также через датчик 12 тока и вызывающий падение напряжения на нем (фиг. 5ж), поступающий на вход порогового элемента 13 и фиксирующий О на его выходе (фиг. 5з), закрывающий элементы И 6. При этом по мере разряда конденсаторов 2 напряжение на них уменьшается (фиг. 5а, б), причем наиболее быстро уменьшается напряжение на конденсаторе наименьшей емкости, в данном случае на конденсаторе 22 (фиг. 5а), и в некоторый момент напряжение на этом конденсаторе меняет полярность, что приводит к открыванию диода 91, препятствующего перезарядке конденсатора 21 и замыкающего через себя цепь выходного тока устройства в целом. По мере разряда остальных конденсаторов 2 в соответствующий момент переключаются другие диоды 9, обеспечивая питание нагрузки до полного разряда конденсатора 2 с наибольшей емкостью, обеспечивая передачу потребителю энергии

,2.

где Сб - суммарная емкость батареи, которая для случая батареи 1 из двух конденсаторов 2 с номинальной емкостью Со и допусками АС составляет

w-ttf -&:ЈЈ.

В процессе разряда конденсаторов 2 напряжение на информационном выходе 21 блока 5 амплитудной селекции становится меньше напряжения источника 39 порогового элемента 14, на выходе которого в соответствующий момент формируется 1 (фиг. 5д), открывающая коммутатор 11, поэтому при использовании тока внешнего потребителя устройство автоматически .

переходит в режим накопления энергии в батареи 1 для последующих циклов разряда.

Использование в предложенном устройстве новых элементов в их связи с известными узлами выгодно отличает его от известного, выбранного за прототип, так как позволяет в тех же конденсаторах 2 баратеи 1 накопить большее количество энергии и полностью передать ее потребителю в

процессе разрядки.

Формула изобретения Устройство для накопления электрической энергии, содержащее батарею из включенных последовательно накопительных элементов, первый вывод которой соединен с выходой шиной устройства и через включенные последовательно ограничительный резистор и коммутатор с его входной шиной, отличающееся тем, что, с

целью увеличения эффективной энергоемкости, в него введены л диодов, п диффере- циальных усилителей, п ключей, п шунтовых резисторов, п элементов И, п элементов задержки, датчик тока, блок амплитудной селекции и три пороговых элемента, один из которых - с гистерезисом, причем второй вывод батареи накопительных элементов через датчик тока соединен с шиной нулевого потенциала и через первый пороговый

элемент - с первыми входами элементов И, выходы которых соединены с входами управления ключей, первый вывод каждого из которых соединен с первым выводом соответствующего накопительного элемента, с

первым входом соответствующего дифференциального усилителя и с первым выводом одного из диодое, второй вывод которого соединен с вторым входом того же дифференциального усилителя, с вторым

выводом того же накопительного элемента и через один из шунтовых резисторов - с вторым выводом того же ключа, а выходы дифференциальных усилителей через соответствующие элементы задержки соединены с входами блока амплитудной селекции, адресные выходы которого соединены с вторыми входами элементов И, третьи входы которых соединены с входом управления коммутатора и с входом второго порогового

элемента, выполненного с гистерезисом, вход которого соединен с информационным выходом блока амплитудной селекции, который через пороговый элемент соединен с четвертыми входами элементов И.

E-Q IF

%

гт

Я

К VK

I

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - увеличение эффективной энергоемкости. Устройство позволяет в результате отслеживания заряда каждого последовательно включенного конденсатора и управления зарядом конденсаторов путем их шунтирования осуществить заряд каждого из конденсаторов равномерно и получить на каждом конденсаторе и на всей батарее требуемый уровень рабочего напряжения, б ил.

-

/

5/

к.«

Р

гг

У

«

г

г

7яч

F1

I

в

/

1«

/

,у

о

лг

У/

1991С91

Фиг.З

ПорогоЬый элемент

kl

ИИ

7

г

JP

Фае.1