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

Изобретение относится к электрохимическим источникам постоянноготока-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 выпрямителей, В указанном устройстве подразрядныи импульс формируется в паузах мзжду импульсами зарядного

тока, что усложняет систему формирования зарядмо-разрядных импульсов, так как под- разрядный конденсатор необходимо заряжать через дополнительный выпрямитель - от второго источника переменного напряжения. Отключение основного источник от батареи во время формирования подрез- рядного импульса, осуществляемое тиристорами управляемого выпрямителя, облегчая формирование подразрядного импульса, приводит к дискретному во времени - импульсному использованию мощности зарядного источника (т.е. мощность во время пауз не используется), что завышает типовую мощность зарядного источника. Энергия же второго источника для заррдз батареи не используется.

Известна также система заряда ,г куму- ляторной батареи асимметричный током, содержащая источник переменного тока, мостовой выпрямитель, клеммы выходной диагонали которого через тохоогракичмва- ющее сопротивление, например, линейный дроссель, подключены к клеммам АБ, электрическую разрядную емкость и блок контроля напряжения батареи и управления вентилями выпрямителя.

Так как формирование асимметричного тока в этой системе осуществляется наложением на постоянный ток трехфазного выпрямителя отрицательных подразрядных импульсов и энергия этих подразрядных импульсов батареи рассеивается на составляющих активного сопротивления системы, заряд батареи в таком устройстве характеризуется низким КПД.

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

В этой системе заряда формирование асимметричного тока осуществляется наложением на переменный ток (ограниченный емкостным сопротивлением зарядно-раз- рядных конденсаторов) импульсов выпряр-i- ленного тока, постоянная составляющая которого, запасаемая в аккумуляторах, не восполняет емкость АБ, израсходованную при ее разряде. Батарея в такой системе может быть заряжена до напряжения, вдвое превышающего амплитуду фазного напряжения трехфазного источника переменного тока, а передача энергии источника в АБ осуществляется с высоким КПД, так как потери мощности в данной цепи примерно на

два порядка меньше, чем в цепи с активным сопротивлением. Однако невысокое относительное значение зарядного напряжения (то есть заряд батареи только до амплитуды

напряжения источника переменного тока, что характеризуется относительным зарядным напряжением, равны единице) ухудшает удельные энергетические показатели и этой системы.

0 Кроме того, весьма существенным недостатком этой системы является то, что она может быть использована только при заряде от автономного трехфазного источника, обмотки которого включаются в ячейку по5 следовательно, что практически исключает возможность использования данной системы для заряда от неавтономного источника.

Цель изобретения - улучшение удель0 ных энергетических показателей системы заряда АБ AT путем увеличения скорости передачи энергии источника в заряжаемую батарею.

Поставленная цель достигается тем, что

5 система заряда аккумуляторной батареи и асимметричным током, содержащая источник переменного тока в виде трехфазного трансформатора, мостовой выпрямитель, клеммы выходной диагонали которого под0 ключены к клеммам аккумуляторной батареи, электрическую разрядную емкость и блок контроля напряжения батареи и управления вентилем выпрямителя, причем электрическая разрядная емкость выполнена в

5 виде двух конденсаторов, включенных в два накрестлежащих плеча мостового выпрямителя, два другие плеча которого образуют вентили, а клемма входной диагонали соединена с линейным выводом вторичной

0 обмотки указанного трансформатора, обмотки трехфазного источника соединены звездой с выведенной нейтралью, система дополнительно снабжена блокирующим диодом, при этом один из ее конденсато5 ров 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

0 вентилем смежного плеча упомянутого мостового выпрямителя, а к клеммам выходной диагонали дополнительно подключены две цепочки из пары включенных последовательно-согласно диодов, точки

5 соединения которых подключены к свободным линейным выводам упомянутого трансформатора непосредственно и через дополнительные конденсаторы - к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, а свободная клемма его входной

диагонали к выводу нейтрали звезды, при JTOM емкость дополнительных конденсаторов равна емкости конденсатора, зашунти- ровакного блокирующим диодом.

На чертеже показана электрическая схема системы,

В данной системе аккумуляторная батарея 1 подключена к выходным клеммам мостового управляемого зырямителя 2, к клеммам 3 и 4 входной диагонали которого подключены обмотки трехфазного источника переменного тока 5, соединенные в звезду с выведенной нейтралью. В два нэкрестлежащие плеча моста 2 включены конденсаторы 6 и 7 различной емкости, в два другие его плеча образуют диод 8 и тиристор 9, сигналы на открытие которого подаются от блока 10, осуществляющего контроль напряжения батареи и источника, а также фазовое управление тиристором, который может быть выполнен по любой известной схеме. Емкости конденсаторов 6 и 7 отличны друг от друга по меньшей мере в 20 раз и параллельно конденсатору с меньшей емкостью (7) включен блокирующий диод 11, который соединен последовательно согласно с диодом 8. Вывод нейтрали обмотки ТИПТ подключен к общей точке 12 соединения конденсатора 6 и тиристора 9.

Две цепочки, каждая из которых состоит из пары включенных последовательно-согласно диодов 13, 14 и 15. 16 подсоединены к клеммам выходной диагонали моста, Общие точки соединения диодов каждой этой цепочки непосредственно подключены к свободным линейным выводам 4 и 17 источники 5 и через дополнительные конденсаторы 18 и 19 - к положительной выходной клемме мостового выпрямителя.

При рассмотрении процессов в системе заряда будет считать, что тиристор 9 в соответствующие моменты времени открыт, т.е. проводит ток как обычный диод.

Формирование асимметричного тока в данной системе заряда осуществляется путем наложения шести (за один период) од- нополярных (так называемых униполярных) зарядных импульсов тока источника на переменный ток, протекающий поочередно через каждую фазу источника 5 и конденсаторы зарядно-подразрядной емкости. Конденсатор 6 вместе с конденсаторами 7, 18 и 19 образуют три делителя переменного и один умножитель постоянного напряжения. Этот умножитель повышает вдвое зарядное напряжение АБ.

Униполярные зарядные импульсы, создающие постоянную сосатвляющую асимметричного тока (за период изменения

напряжения трехфазного источника), формируются по трем следующим цепям: источник 5-12-9-1-8-3 - источник источник 5-12-9-1-14-4 - источник 5, источник 5-12-9- 1-16-17 - источник 5 (когда напряжение на АБ меньше амплитудного фазного значения напряжения источника, т.е. ф ист), а также по трем цепям: источник 5-3-11-1-6- 12 - источник 5; источник 5-4-13-1-6-12 0 источник 5; источник 5-17-15-1-6-12 - источник 5 - когда напряжение батареи меньше удвоенного значения UT ф ист.

Переменная составлющая AT проводится по трем цепям: 1-7-3 - источник 5-12-6-1:

5 1-18-4 - источник 5-12-6-1; 1-19-17 - источник 5-12-6-1 при подразряде АБ и запасание ее энергии в конденсаторах 7, 18 и 19, и по цепям: источник 5-3-7-1-6-12 - источник 5 при возврате в АБ энергии подразрядного

0 импульса.

Так как емкость конденсаторов 7, 18 и 19 примерно в 20 раз меньше емкости конденсатора 6, при подразряде АБ на емкостные делители напряжения 7-6, 18-6 и 19-6

5 конденсаторы 7, 18 и 19 заряжаются от АБ 1 до напряжения, равного примерно 95%, а конденсатор 6-5% от напряжения цепи, источник 5 - АБ 1,

Рассмотрим работу системы эа период

0 изменения напряжения первой фазы источника (верхней по чертежу) и при напряженки АБ меньшем амплитудного фазного напряжения источника 5, Будем считать в начальный момент фазовое напряжение

5 первой фазы положительным на клемме 12, на клемме 3 - отрицательным. Когда напряжение указанной фазы источника Б Превысит напряжение АБ 1. она заряжается по цепи: клемма 12, тиристор 9, батарея 1, вен0 тиль 8, клемма 3. Конденсаторы 6 и 7, включенные параллельно рассмотренной цепи заряда АБ 1, заряжаются соответственно через открытые вентили 8 и 9 до напряжения батареи и запасают при этом энергию

5 источника. Диод 11 находится в запертом состоянии, так как и к его катоду приложен положительный потенциал относительно анода.

Заряд батареи по рассматриваемой це0 пи продолжается до тех пор, пока напряжение первой фазы источника 5. возрастая пт абсолютной величине, а затем убывания. .,. станет равным напряжению батареи. Вентили 8 и 9 при этом перестают проводить ток

5 источника и их сопротивление бесконечно возрастает. В это время параллельно батарее оказывается включенной цепь из трех соединенных последовательно источников: конденсз тора 7, источника 5 и конденсатора 6, напряжения которых равны друг другу.

Суммарное напряжение рассматриваемой цепи равно напряжению батареи, так как полярность напряжения первой фазы источника обратна по отношению к поляр ости напряжений конденсаторов.

По мере уменьшения напряжения первой фазы источника суммарное напряжение рссматриваемой цепи возрастает и поэтому конденсаторы, разряжаясь, отдают батарее энергию, запасенную ими от источника. ISA как энергия, запасенная конденсатором 7, примерно в 20 раз меньше энергии запасенной конденсатором 6, этот конденсатор отдает свою энергию быстрее, чем конденсатор б, который продолжает отдавать энергию в АБ через открывшийся диод 11 по цепи: 6-12-3-11-1-6. В момент времени, когда напряжение первой фазы источника 5 становится равным нулю, конденсатор б разряжается до напряжения, равного напряжению батареи.

В следующем полупериоде изменения напряжения первой фазы источника 5, когда на клемме 3 положитепъный потенциал, б на клемме 12 - отрицательный, полярность включения конденсатора 6 и первой фазы источника 5 становится согласной и конденсатор б продолжает разряжаться на АБ по той же иепи: 6-12-3-11-1-8 до тех пор, пока Г 5гновенное значение напряжения первой фазы источника 5 не станет равным напряжению АБ, После этого полярность напряжения конденсатора б изменяется, так как он в это время перезаряжается, Заряд АБ продолжается до тех пор, пока напряжение первой фазы источника не достигнет максимального значения. В это время зарядный импульс тока АБ прекращается. Напряжение на конденсаторе б в это время равно разности амплитудного значения напряхсе- ния первой фазы источника и батареи.

В момент уменьшения мгновенного значения напряжения первой фазы источника начинается подразрядАБ через источник 5 на конденсаторы, б и 7, первый из которых снова перезаряжается. Подразряд- ный импульс продолжается до тех пер, пока напряжение источника не станет равным нулю. В это время напряжение конденстго- ра 7 примерно равно напряжению батареи, а напряжение конденсатора 6 примерно равно нулю (по крайней мере в 20 раз меньше напряжения на конденсаторе7). Диод 11 вновь заперт.

Подразрядный импульс АБ будет продолжаться и после обратной смены полярности напряжения первой фазы источника (начинается второй период изменения напряжения первой фазы источника) до тех пор, пока напряжение данной фазы не станет равным напряжению АБ, В это время подразрядный импульс прекращается, и если вентили 8 и 9 открыты, то источник осуществляет заряд АБ и подэаряд конденсаторов б и 7 от первой фазы источника аналогично рассмотренному выше.

Если тиристор 9 закрыт, ток источника в АБ через вентили 9 и 8(14, 16) не протекает. Изменяя время открытия тиристора 9

0 можно регулировать среднее значение тока заряда АБ а течение полупериода изменения напряжения каждой фазы источника 5, когда ча клемме 12 положительный потенциал,

5 Есчи напряжение АБ больше амплитудного фазного значения, напряжения источника, по меньше ее удвоенного значения иТфнс1 илБ 2и-|.ф.ист, зарядная цепь батареи от первой фазы источника 5 непосред0 ственно (источник 5-12-9-1-8-3 - источник 5) энергию в АБ не передзет, а батарея заряжается от источника только чзр-3 аольтодо- базоччый конденсатор 6, который, проводя переменную составляющую асимметрично5 го тока, заряжается от источника в полупериоды, когда на клемме 12 положительный потенциал и разряжается на АБ через источник 5 в полупериоды, когда на клемме 12 отрицательный потенциал. Так как макси0 мальное зарядное напряжение на конденсаторе б равно амплитудному фазному значению напряжения источника, то АБ может быть заряжена до напряжения, практически вдвое превышающего амплитудное

5 значение напряжения каждой фазы источника 5.

Работа системы заряда с учетом действия двух других фаз за период изменения напряжения (тока) источника 5 приводит к

0 тому, что число зарядных и подразрядных импульсов утраивается. Вследствие этого среднее значение постоянной составляющей асимметричного тока и зарядной мощности (по сравнению с прототипом) также

5 утраивается. Кроме того, так как источник 5 формирует зарядные импульсы тока со сдвигом на 120 ял.град., уменьшается неравномерность отбора мощности от источника, что приводит к повышению значения

0 коэффициента мощности источника, который работает в динамически уравновешенном режиме. Это приводит к дополнительному улучшению удельных энергетических показателей системы. Однако требует кспользо5 ванмя 7 (семи) вентилей.

Выполнение конденсаторов 6 и 7,18,19 различной емкости и включение параллельно конденсаторам меньшей емкости 7, 18 и 19 соотпетственно диодов 11.13 и 15 исключает их перезаряд, а также позволяет использовать в качестве .этих конденсаторов любых электролитических конденсаторов, характеризуемых относительно болшими удельными энергиями Кроме того, бестрэн- сформзторным путем практически вдвое увеличивается зарядное напряжение в системе с результате чего повышается значение постоянной составляющей асимметричного тока и, соответственно, скорость передачи энергии источника в заряжаемую АБ, что исключает необходимость применения повышающего трансформатора.

Таким образом, снабжение системы заряда АБ с асимметричным током (содержащей мостовой вентильно-конденсаторный выпрямитель-формирователь асимметричного такэ) блокирующим диодом и выполнение делителя переменного и умножителя постоянного напряжения на двух конденсаторах выпрямителя-формирователя путем выбора различной емкости этих конденсаторов и шунтирование каждого конденсатора меньшей емкости блокирующи диодом с увеличением числа делителей переменного напряжения и умножителей постоянного напряжения приводит к увеличению зарядного напряжения и повышение скорости передачи энергии трехфазного источника, а также повышает значение зарядной мощности nyi ем уменьшения количества зарядных импульсов за период изменения напряжения источника В конечном итоге улучшается удельные энергетические показатели систем заряда от источника при соединения его обмоток по четырехпроводной схеме. Формула изобретения Система заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащая источник переменного тока в виде трехфазного трансформатора, мостовой управляемый выпрямитель, клеммы выходной диагонали которого подключены к клеммам аккумуляторной батареи, электрическую зврядно-разрядную емкость и блок контроля напряжения батареи и управления вентилями выпрямителя, причем электрическая за- рядно-разряднэя емкость выполнена в виде двух конденсаторов, включенных в два накрестлежащих плеча мостового выпрямителя, два других плеча которого образуют вентили, а клемма входной диагонали соединена с линейным выводом аторичной обмотки трансформатора, отличаю щзяс я тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей, обмотки источника соединены звездой с выведенной нейтралью, система дополнительно снабжена блокирующим диодом, при этом один

из ее конденсаторов имеет емкость, по меньше мере в 20 раз отличную от емкости другого конденсатора, и параллельно конденсатору меньшей емкости включен блокирующий диод, соединенный последовательно согласно с вентилем смежного плеча мостового выпрямителя, а к клеммам выходной диагонали дополнительно под- клюиены две цегпчки из пары включенных последовательно согласно диодов, точки соединения которых подключены к свободным линейным выводам трансформатора непосредственно и через дополнительные конденсатору - к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, свободная

клемма входной диагонали которого подключена к выводу нейтрали звезды, при этом емкость дополнительных конденсаторов равна емкости конденсатора, зашукти- рованного блокирующим диодом.

Использование ci/.стема заряда аккумуляторных батарей (АБ) асимметричным током от трехфазного источника переменного тока, обмотки которого соединены с звезду с выведенной нейтралью Сущность изобретения система содержит мостовой выпрямитель-формирователь асимметричного тока, два плеча которого образованы тиристорами (диодами) а два другие - заряднопсдраэрядными конденсаторами с разными номиналами. Параллельно конденсатору меньшей емкости включается блокирующий диод, соединенный последовательно-согласно с диодом плеча мостового выпрямителя, при этом соотношение емкостей зарядно-педразрядных конденсаторов равно примерно 1:20, К клеймам выходной диагонали выпрямителя подключены две цепочки из пары включенных последовательно-согласно диодов, то1ки соединения которых подключаются к свободным линейным выводам источника непосредственно и через дополнительные конденсаторы - к положительной выходной клемме выпрямителя, Емкость дополнительных конденсаторов равна емкости конденсатора, зашунтированного блокирующим диодом, При таком формировании асимметричного тока напряжение на выходе системы заряда увеличивается в 2 раза от амплитудного фазного напряжения трехфазного источника, что обеспечивает большой диапазон регулирования постоянной составляющей AT, 1 ил. fpststn %,