Устройство для заряда аккумуляторной батареи асимметричным током Советский патент 1992 года по МПК H02J7/10 

Изобретение относится к электрохимическим источника постоянного тока - аккумуляторным батареям (АБ), а именно к зарядным устройствам, используемым для формовки и заряда батарей асимметричным током

Известна система заряда АБ асимметричным током от источника переменного тока, содержащая управляемый мостовой выпрямитель, подразрядную емкость и блок контроля напряжения батареи и управления вентилями выпрямителя В указанном устройстве подразрядный импульс формируется в паузах между импульсами зарядного тока, что усложняет систему формирования

зарядчо-разрядных импульсов, так как под- разрядный конденсатор необходимо заряжать через дополнительный выпрямитель от второго источника переменного напряже ния Отключение основного источника от батарей во время формирования подрзз- рядного имульса, осуществляемое тир( торами управляемого выпрямителя, облегчая формирование подразрядного импульса, приводит к импульсному использованию мощности зарядного источника (т.е. его мощность so время пауз не используется), что завышаеттиповую мощность источника. Известна также система заряда АБ асимметричном током, содержащая источСЗЮЯ

чик переменного тока в виде трехфазного трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно так, чо две обмотки соединены между собой последовательно-согласно и встречно с третьей обмоткой, мостовой выпрямитель, клеммы выходной диагонали которого через токоофаничиваю- щее сопротивление, например, линейный дроссель, подключены к клеммам аккумуляторной батареи, электрическую разрядную емкость и блок контроля напряжения батареи и управления вентилями выпрямителя.

Так как формирование асимметричного тока в этой системе осуа1вствляется наложением на постоянный гок трехфазного выпрямителя отрицательных подразрядных импульсов и энергия этих подзарядных импульсов батареи рассеивается на составляющих активного сопротиеления системы, заряд батареи в таком устройстве характеризуется низким КПД,

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является система заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащая источник переменного тока в виде трехфазного трансформатора, вторичные обмотки которого включены последовательно так, что две обмотки соединены между собой последовательно-согласно и втстречно с третьей обмоткой, мостовой выпрямитель, клеммы выходной диагонали которого через токоог- раничивающее сопротивление, например, линейный дроссель, подключены к клеммам аккумуляторной батареи, электрическую разрядную емкость и блок контроля напряжения батареи и управления вентилями выпрямителя, причем электрическая разрядная емкость выполнена в виде двух конденсаторов, включенных в два накрест- лежащих плеча мостового выпрямителя, два другие плеча которого образуют тиристоры, а клеммы входной диагонали соединены со вторичными обмотками указанного трансформатора схема которой приведена.

В этой системе заряда (СЗ) формирование асимметричного тока (AT) осуществляется наложением на переменный ток (ограниченный емкостным сопротивлением зэрядно-разрядных конденсаторов) импульсов выпрямленного тока, постоянная составляющая которого, запасаемая в аккумуляторах, восполняет емкость АБ, израсходованную при ее разряде. Батарея в такой системе может быть заряжена до напряжения, вдвое превышающего амплитуду фаэнфгб напряжения ТИПТ, а передача $н@ргни в АБ осуществляется с КПД та,к как потери мощности в Д§НН9Й Ц61И примерно на два порядка

меньше, чем в цепи с активным сопротивлением. Однако невысокое значение зарядного напряжения ухудшает удельные энергетические показатели и этой системы.

Кроме того, весьма существенным недостатком этой СЗ является то, что она может быть использована только при заряде от автономного ТИПТ, обмотки которого включаются в ячейку последовательно, что исключает возможность использования данной системы для заряда от неавтономного источника, обмотки которого соединены, например, по схеме электрической звезды. Целью изобретения является улучшение удельных энергетических показателей системы заряда АБ AT путем увеличения скорости передачи энергии источника в заряжаемую батарею.

Поставленная цель достигается тем, что

устройство для заряда АБ асимметричным током, содержащее источник переменного тока в виде трехфазного трансформатора, мостовой выпрямитель, клеммы выходной диагонали которого подключены к клеммам

аккумуляторной батареи, электрическую разрядную емкость, выполненную в виде двух конденсаторов, включенных в два на- крестлежащих плеча мостового выпрямителя, два другие плеча которого образуют

диоды, а клеммы входной диагонали соединены с линейными выводами источника переменного тока, при заряде от источника, обмотки которого соединены в треугольник или звезду, оно дополнительно снабжено

блокирующим диодом, при этом один из ее конденсаторов имеет емкость по меньшей мере в 20 раз отличную от емкости другого конденсатора и параллельно конденсатору меньшей емкости включен блокирующий

диод, соединенный последовательно-согласно с диодом смежного плеча упомянутого мостового выпрямителя, а к клеммам выходной диагонали дополнительно подключена цепочка из включенных последовательно конденсатора и диода, точка соединения которых подключена к свободному линейному выводу упомянутого источника переменного тока, при этом емкость дополнительного конденсатора равна емкости конденсатора большей емкости.

Выполнение устройства с блокирующим диодом, включенным параллельно конденсатору меньшей емкости и соединенному последовательно-согласно с диодом

смежного плеча мостового выпрямителя и подключением к клеммам выходной диагонали дополнительной цепочки из последовательно соединенных конденсатора и диода, общая точка которых подключена к

свободному выводу источника переменного

тока, при этом емкость дополнительного конденсатора равна емкости конденсатора большей емкости, отличая ее от прототипа, обеспечивает улучшение удельных энергетических показателей системы за- ряда при заряде АБ от неавтономного ТИПТ.

На чертеже приведена электрическая схема устройства ДПР заряда,

В данном устройстве аккумуляторная батарея 1 подключена к выходным клеммам мостового выпрямителя 2, к клеммам 3, 4 и

5входной диагонали которого подключены выводы обмотки трехфазного источника переменного тока 6 (фазы А, В и С), соединен- ные в звезду или треугольник, В два нэкре&тлежащие плеча моста 2 включены конденсаторы 7 и 8 различной емкости, а два другие его плеча образуют диоды 9 и 10. Емкости конденсаторов 7 и 8 отличны друг от друга по меньшей мере в 20 раз и параллельно конденсатору с меньшей емкостью

(7) включен блокирующий диод 11, соединенный последовательно согласно с диодом 10.

Цепочка, состоящая из включенных последовательно конденсатора 12 и диода 13, подсоединена выходными зажимами к клеммам выходной диагонали моста. Общая точка соединения диодов и конденсатора данной цепочки подключена к линейному выводу 5 (фаза С) ТИПТ 6. Емкость конденсатора 12 введенной диодно-конденсатор- ной цепочки равна емкости конденсатора большей емкости (8).

Формирование асимметричного тока (AT) в данном устройстве заряда (УЗ) осуществляется путем наложения шести (за один период) однополярных (так называемых униполярных) зарядных импульсов тока ис- точника на переменный rose, протекающий поочередно через каждую фазу источника 6 и конденсаторы зарядно-подразрядной емкости. Конденсатор 7 вместе с конденсаторами 8 и 12 образуют два делителя переменного и два умножителя постоянного напряжения. Эти умножители повышают в два раза зарядное напряжение АБ.

Униполярные зарядные импульсы, создающие постоянную составляющую AT (за период изменения напряжения ТИПТ), формируются по восьми следующим цепям: источник 6-3-9-1-10-4 источник б, вторая цепь: источник 6 -5-13-1-10-4- источник б, третья цепь: 8-3-9-1-8, четвертая цепь1 7-1-10-4-7, пятая цепь: 12-5-13-1-12, шестая цепь: 8-3 - источник 6 - 4-7-1-8, седьмая цепь 7-1-12-5 - источник 6-4-7, восьмая цепь 12-5 источник

6- 3-9-1-12 (когда напряжение АБ меньше амплитудного линейного значения напряжения источника, т.е. UAE UTлипнет), а также по двум другим цепям: 8-3 - источник 6-5-13-1-8 и вторая цепь: 12 5 - источник 6 - 3-9-1-12, - когда напряжение батарей больше линейного амплитудного значения, по меньше удвоенного линейного амплитудного значения напряжения Утлин источника.

Переменная составляющая AT проводится по двум цепям: 1-7-4 источник 6-3-8-1 и 1-7-4 источник 6-5-12-1 - при подразряде АБ и запасания энергии в конденсаторах 7, 8 и 12, а также по цепям: источник 6-4-7-1-3- 3 - источник 6 и источник 6-4-7-1-12-5 - источник 6 (при возврате в АБ энергии под разрядного импульса).

Так как емкость конденсатора примерно в 20 рзз меньше емкости конденсаторов 8 и 12, при подразряде АБ на емкостные делители напряжения 7-8 и 8-12, конденсатор 7 заряжается от АБ 1 до напряжения, равного примерно 95%, а конденсаторы 8 и 12 - 5% от напряжения цепи: источник 6 - АБ 1.

Рассмотрим работу устройства для заряда за период изменения напряжения ТИПТ и при напряжении АБ, меньшем амплитудного линейного напряжения источника 6. Считаем, что в системе прямой порядок следования (чередования) фаз, т.е. А, В и С.

За начальный отсчет времени примем время, когда напряжения фаз А и С положительны и равны, напряжение фазы В отрицательно и по абсолютной величине имеет наибольшее значение, далее напряжение фазы А растет, фаза С уменьшается (в соответствии с временным графиком работы трехфазной системы). Когда напряжение фазы А источника 6 превышает напряжение АБ 1, она заряжается по цепи: клемма 3, вентиль 9, АБ 1, вентиль 10, зажим 4. Конденсаторы 7 и 8, включенные параллельно рассмотренной выше цепи, заряжаются со- ответс гвенно через вентили 9 и 10 до напряжения батареи (имея положительный потенциал на верхней по схеме фиг.1 обкладке и отрицательный - на нижней) и зэ- насают при этом энергию источника. Диод 11 находится в запертом состоянии, так как к его катоду приложен положительный потенциал относительно анода - за счет шунтирования его конденсатором 7.

Заряд батареи по рассматриваемой цепи продолжается до тех пор, пок напряжение фазы А ТИПТ, возрастая по абсолютной величине а затем убызая, вновь станет равным напряжение батареи. Вентили 9 и 10 запираются и перестают проводить ток ис- тоиника 6 и их сопротивление бесконечно возрастает В это время параллельно батарее оказывается включенной цепь из трех последовательно соединенных источников: конденсатора 7, источника б и конденсатора 8, напряжения которых равны другу, однако суммарное напряжение рассматриваемой цепи в это время равно напряжению батареи, так как полярность напряжения фазы А ТИПТ обратна по отношению к полярности напряжений конденсаторов.

По мере уменьшения напряжения фазы А источника б суммарное напряжение рассматриваемой цепи возрастает и поэтому конденсаторы, разряжаясь, отдают батарее 1 энеогию, запасенную ими от источника 6.

Так как энергия, запасенная конденсатором 7, примерно в 20 раз меньше энергии, запасенной конденсатором 8, этот конденсатор 7 отдает свою энергию быстрее, чем конденсатор 8, который продолжает отдавать энергию в АБ через открывшийся диод 1 по цепи: 8-3 - источник А - 4-11-1-8. В момент времени, когда напряжение фазы 1 ТИПТ становится равным напряжению фазы В, конденсатор 8 разряжается до напряжения, равного напряжению батареи 1.

В дальнейшем напряжение фазы А становится меньше напряжения фазы В источника б, т.е. на клемме 4 потенциал выше, чем на клемме 3 фазы А источника 6. В этом случае полярность включения конденсатора 8 и полярность линейного напряжения ПАВ источника б становится согласной и конденсатор 8 продолжает разряжаться на АБ 1 по той же цепи: 8-3 - источник 6-4-11-1-8 до тех пор, пока мгновенное значение линейного напряжения UAB источника б не станет равным напряжению АБ. Конденсатор 8 в это врерля разряжен полностью. После зтого полярность напряжения конденсатора 8 изменяется, так как он, ограничивая ток заряда батареи 1, е это время начинает перезаряжаться. Заряд АБ 1 продолжается до тех пор, пока линейное напряжение UAB источника б не достигнет максимального згшче- ния и положительный потенциал будет на клемме 4. В это время зарядный импульс тока АБ прекращается. Напряжение на конденсаторе 8 в это время равно разности амплитудного значения линейного напряжения UAB источника и батареи и положительный потенциал - на нижней по схеме фиг.1 обкладке.

В дальнейшем с уменьшением мгновенного значения линейного напряжения UAB источника 6 (понижается потенциал на клемме 4) начинается подразряд АБ через источник б на конденсаторы 7 и 8, второй из которых, вновь разрядившись, снова перезаряжается. Подразрядный импульс продолжается до тех пор, пока потенциалы на зажимах 4 и 5 источника 6 не будут равны, т.к. линейное напряжение UBC будет равно нулю. В это время напряжение конденсатора 7 примерно равно напряжению батареи, а напряжение конденсатора 8 примерно равно нулю (по.крайней мере в 20 рзз меньше напряжения на конденсаторе 7). Диод 11 в это время вновь заперт.

Подразрядный импульс АБ будет продолжаться и после того, как потенциал на зажиме 5 источника б станет выше потенциала на клемме 4 (произошла смена полярности линейного напряжения UBC) до тех пор,

пока линейное напряжение UBC вновь станет равным напряжению АБ. В это время псдразрядный импульс прекращается, вентили 10 и 13 открыты, источник б осуществляет заряд AS и заряд конденсаторов 12 и 7

от линейного напряжения UBC имея положительный потенциал на клемме 5. Далее работа устройства заряда АБ производится аналогично рассмотренному выше, только вместо конденсатора 8 в данном случае работает конденсатор 12,

Если напряжение АБ больше амплитудного линейного значения напряжения источника 6, то меньше ее удвоенного значения (ит.лин.мст..лйнист) зарядная цепь батареи от линейного напряжения UAB источника 6(при положительном потенциале на клемме 3} непосредственно (источник 6-3-9-1-10-4 - источник 6) энергию в АБ не передает, а батарея заряжается от источника только чероз вольтодобавочный конденсатор 8, который, проводя переменную составляющую AT, заряжается от источника 6 в полупериоды, когда на клемме 3 положительный потенциал и разряжается

на АБ через источник 6 в моменты времени, когда на клемме 3 отрицательный потенциал. Так как максимальное зарядное напряжение на конденсаторе 8 и 12 почти равно амплитудному линейному значению

напряжения источника, то АБ может быть заряжена до напряжения, практически вдвое превышающего амплитудное значение линейного напряжения источника 6.

Таким образом, в данном устройстве заряда АБ за каждый период изменения напряжения (тока) ТИПТ число зарядных и подразрядных импульсов равно, соответственно. 8 и 2 при линист. и при

.яинист. число зарядных и подразрядных импульсов равно 2. Вследствие этого среднее знамение постоянной составляющей AT и зарядной мощности (по срав- мению с прототипом) соответственно увеличивается. Кроме того, так как ТИПТ

формирует зарядные импульсы тока со сдвигом 120 эл. градусов, уменьшается неравномерность отбора мощности от источника, что приводит к повышению значения коэффициента мощности источника, который рабо- тает в динамические уравновешенном режиме. Это приводит к дополнительному улучшению удельных энергетических показателей устройства заряда

В данном устройстве заряда бестранс- форматорным путем практически вдвое увеличивается зарядное напряжение, в результате чего повышается значение постоянной составляющей AT, и, соответственно, скорость передачи энергии источника в заря- жаемую АБ, что исключает необходимость применения повышающего трансформатора, неизбежно увеличивающего массу устройства и тем ухудшающего удельные энергопоказатели.

В связи с тем, что самым тяжелым элементом (звеном) устройства заряда является источник переменного тока (на долю которого приходится примерно 85-90% массы системы), введение одного конденсатора и двух диодов практически не увеличивая массы формирования AT, приводит к полному использованию мощности и массы ТИПТ (трансформатора), позволяет улучшить практически в 1,5 раза использование его массы. Поэтому СЗ в целом за счет уменьшения массы ТИПТ более чем на 30% характеризуется улучшенными удельными энергетическими показателями.

Формула изобретения Устройство для заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащее источник переменного тока в виде трехфазного трансформатора, мостовой выпрямитель, клеммы выходной диагонали которого подключены к клеммам аккумуляторной батареи, электрическую разрядную емкость, выполненную в виде двух конденсаторов, включенных едва накрестлежащих плеча мостового выпрямителя, два других плеча которого образуют диоды, а клеммы входной диагонали соединены с выводами источника переменного тока, отличающееся тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей, обмотки трансформатора соединены в треугольник или звезду, а устройство дополнительно снабжено блокирующим диодом, при этом один из конденсаторов имеет емкость, по меньшей мере в 20 раз отличную от емкости другого конденсатора, и параллельно конденсатору меньшей емкости включен блокирующий диод, соединенный последовательно согласно с диодом смежного ппеча мостового выпрямителя, а к клеммам выходной диагонали дополнительно подключена цепочка из включенных последовательно конденсатора и диода, точка соединения которых подключена к свободному линейному выводу источника переменного тока, при этом емкость дополнительно конденсатора равна емкости конденсатора большей емкости

Использование: в системах заряда аккумуляторных батарей (АБ) асимметричным током от трехфазного источника переменного тока (ТИП Т), обмотка которого соединены в треугольник или в звезду без нейтрали. Сущность изобретения устройство содержит мостовой выпрямитель - формирователь асимметричного тока, два плеча которого образованы диодами, а два другие - зэряд- но-подразрядными конденсаторами. Параллельно конденсатору меньшей емкости включается блокирующий диод, соединенный последовательно-согласно с диодом смежного плеча мостового выпрямителя, при этом соотношение емкостей зарядно- подразрядных конденсаторов равно примерно 1:20 К клеммам выходной диагонали дополнительно подключена цепочка из включенных последовательно-согласно конденсатора и диода, точка соединения которых подключена к свободному линейному выводу источника переменного тока, при этом емкость дополнительного конденсатора разна емкости конденсатора большей емкости. Напряжение на выходе устройства увеличивается в 2 раза от амплитудного значения линейного напряжения источника 1 ил.