Многоканальная система электропитания Советский патент 1992 года по МПК H02J7/00 H02J7/35 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам электропитания постоянным током комплексов потребителей (нагрузок) с различными значениями номинального напряжения, мощности или требующих взаимной гальванической развязки, в которых использован низковольтный первичный источник электроэнергии, например термоэлектрический генератор.

Известно устройство для питания нагрузки, в котором секция аккумуляторов по- очередно подключается к источнику постоянного тока с помощью управляемых ключевых ячеек, соединенных между собой через конденсаторы Задающим органом является одновибратор который выдает импульс тока управления в первую ключевую ячейку, а она управляет следующей ячейкой с выдержкой времени. Последняя ключевая ячейка воздействует на одновибратор, и цикл поочередного заряда секции аккумуляторов повторяется. Последовательно соединенные секции аккумуляторов имеют одно общее устройство контроля их состояния и одну общую нагрузку.

Недостатком данного устройства является невозможность разъединения секций аккумуляторов, что исключает подключение к ним разных по напряжению и мощности нагрузок.

Кроме того, известно устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее ряд секций аккумуляторов, заряжаемых от источника электрической энергии (источника постоянного тока) через имеющие два силовых разнополярных входа и выхода управляемые ключевые ячейки. В состав устройства также входят блок контроля состояния аккумуляторов, блок коммутации (выполненный в виде регистра), тактовый генератор и каналы питания (за- рядно-разрядные блоки) по числу групп потребителей электроэнергии В каждый из

л

ел

00 VI

VJ о

каналов питания введены управляемые ключевые ячейки. При этом каждый канал питания имеет три управляющих вывода. Первый управляющий вывод связан с общим тактовым генератором, а второй и третий управляющие выводы соединены с соответствующим счетным выходом блока коммутации (регистра) и его тактовым входом. Каждый из каналов питания содержит распределитель импульсов, своими выводами подключенный к управляющим входам соответствующих ключевых ячеек, две двух- входовые схемы И-НЕ, у одной из которых входы соединены соответственно с первым и вторым управляющими выводами канала питания, а выход подключен через схему НЕ к тактовому входу распределителя импульсов. У второй схемы И-НЕ один вход соединен с выходом инвертора, второй вход связан с устройством контроля состояния аккумуляторов. В состав каналов питания входят также два формиро&ателя импульсов, вход одного из которых соединен с выходом второй схемы И-НЕ, вход второго подключен к последнему выходу распределителя импульсов, а их выходы связаны непосредственно со сбросом распределителя импульсов в исходное состояние и через диод с третьим управляющим выводом канала питания. В указанном устройстве реализован способ равномерного по времени восполнения емкости всех аккумуляторов батарей с минимальным для данного способа числом зарядно-разрядных циклов.

Указанное устройство имеет следующие недостатки.

Управление последовательностью подключения каналов питания к источнику электрической энергии блоком коммутацда (регистром) производится без учета неравномерности энергопотребления в группах потребителей электроэнергии и функциональной значимости потребителей. Tax. первой заряжается аккумуляторная батарея, подключенная к первой группе потребителей, затем - аккумуляторная батарея, подключенная к потребителям электроэнергии второй группы, и т.д. После сообщения дозы зарядной емкости последней из аккумуляторных батарей процесс цикли-э- ски повторяется. Графики энергопотребления объекта, на которых устанавливается устройство, определяются циклограммами работы систем - потребителей электроэнергии и, как правило, имеют неравномерный характер изменения по каждому из каналов электропитания. Нераено ерность графиков энергопотребления существенно увеличивается при многовариантности режимов работы объектов -л исключает возможность

неизменного энергосъема по каждому из каналов. Следовательно, заряд батарей в строго определенной последовательности приводит к тому, что по окончании заряда

очередной батареи отсутствует возможность перехода к заряду наиболее разряженной батареи или батареи, для которой планируется наиболее интенсивный разряд. В результате глубина разряда для таких ба0 тарей может превысить допустимое значение, что приводит к выходу их из строя, в то время как заряжаться будут аккумуляторные батареи, использование которых в ближайшее время не планируется.

5 Таким образом, недостатком указанного устройства является его низкая эксплуатационная надежность при питании потребителя с неравномерным графиком энергопотребления. Устранение этого недостатка возможно

0 за счет увеличения мощности источника постоя иного тока. Однако при этом существенно ухудшаются его массоэнергетические показатели вследствие увеличения массы источника и коэффициента отдачи аккумулятор5 ной б атареи по энергии вследствие увеличения значений зарядного тока.

Наиболее близкой к предлагаемой является многоканальная система электропитания, содержащая источник постоянного

0 тока, тактовый генератор, блок коммутации с тактовым входом, К входами и К выходами по числу нагрузок, К каналов питания с двумя входными силовыми, двумя выходными силовыми и тремя управляющими выводами

5 а каждом, включающих секцию из М аккумуляторов, связанных с источником постоянного тока через М управляемых ключевых ячеек, каждая из которых имеет два входных силовых разнополярных, два выходных си0 левых разнополярных и один управляющий выводы, устройство контроля состояния аккумуляторов с двумя входными и одним выходным управляющим выводами, два формирователя импульсов, распределитель

5 импульсов, схему И на два входа и схему НЕ, при этом входные силовые выводы каждого канала питания подключены к источнику постоянного тока, а выходные силовые выводы - к нагрузке, первые управляющие выводы

0 каналов питания подключены к выходу тактового генератора, вторые управляющие выводы - к соответствующим выходам, а третьи управляющие выводы - к соответствующим информационным входам блока

5 коммутации, причем в каждом канале питания первый управляющий вывод подключен к первому входу схемы И, второй управляющий вывод - к ее второму входу, а выход этой схемы соединен с тактовым входом распределителя импульсоэ, гл-й выход которого подключен к управляющему входу соответствующей управляемой ключевой ячейки,и последний выход распределителя импульсов подключен к входу первого формирователя импульсов, выход тактового генератора подключен к тактовому входу блока коммутации, который выполнен в виде совокупности К информационных трактов, каждый из которых содержит схему ИЛИ на два входа, первую схему И на два входа, триггер запроса на заряд и вторую схему И с числом входов, равным номеру тракта, в каждом тракте первый вход первой схемы И соединен с единичным выходом триггера запроса на заряд, ее выход соединен с первым входом схемы ИЛИ, второй вход которой подключен к тактовому входу блока коммутации, а выход - к тактовому входу триггера запроса на заряд.

Недостатком известной системы являются большие аппаратурные затраты в цепях управления, что обуславливает низкую надежность, избыточную массу и габариты, а также повышенное энергопотребление цепей управления.

Цель изобретения - повышение надежности многоканальной системы электропитания и улучшение ее мэссоэнергетических показателей путем упрощения.

Лоставленная цель достигается тем, что в многоканальной системе электропитания, содержащей источник постоят ого тока, тактовый генератор, блок коммутации с тактовым входом, К входами и К выходами по числу нагрузки. К каналов питания с двумя входными силовыми, двумя выходными силовыми и тремя управляющими выводами в каждом, включающих секцию из М аккумуляторов, связанных с источником постоянного тока через М управляемых ключевых ячеек, каждая из которых имеет два входных силовых разнополярных. два выходных силовых разнополярных и один управляющий выводы, устройство контроля состояния аккумуляторов с двумя входными и одним вы- ходным управляющим выводами, два формирователя импульсов, распределитель импульсов, схему И на два входа и схему ИЛИ, при этом входные силовые выводы каждого канала питания подключены к источнику постоянного тока, а выходные сило- вые выводы - к нагрузке, первые управляющие выводы каналов питания подключены к выходу тактового генератора, вторые управляющие выводы - к соответствующим выходам, а третьи управляющие выводы - к соответствующим информационным входам блока коммутации, причем в каждом канале питания первый управляющий вывод подключен к первому входу схемы И, второй управляющий выпод к % второму входу, а выход этой схемы соединен с тактовым входом распределителя импульсов, m-й выход которого подключен к управ 5 ляющему входу соответствующей управляемой ключевой ячейки, и последний выход распределителя импульсов подключен к входу первого формирователя импуль- сов, выход тактового генератора подключен 10 к тактовому входу блока коммутации, который выполнен в виде совокупности К информационных трактов, каждый из которых содержит схему ИЛИ на два входа, первую схему И на два входа, триггер запроса на 15 заряд и вторую схему И с числом входов, равным номеру тракта, в каждом тракте первый вход первой схемы И соединен с единичным выходом триггера запроса на заряд, ее выход соединен с первым входом схемы 0 ИЛИ, второй вход которой подключен к тактовому входу блока коммутации, а выход - к тактовому входу триггера запроса на заряд, в каждом канале питания второй управляющий вывод подключен к входу второго фор- 5 мирователя импульсов, выходы обоих формирователей импульсов подключены к входу сброса распределителя импульсов. выходной управляющий вывод устройства контроля состояния аккумуляторов через 0 схему НЕ соединен с третьим выводом, при этом в каждом информационном тракте блока коммутации информационный вход триггера запроса на заряд и второй вход первой схемы И подключены к соответствующему 5 информационному входу, единичный выход триггера запроса на заряд соединен с соответствующим номеру тракта входом второй схемы И, выход которой соединен с соответ ствующим выходом блока коммутации, кро- 0 метого. нулевые выходы триггеров запроса на заряд каждого тракта соединены с соответствующими номеру тракта входами вторых схем И всех следующих за ним трактов На фиг. 1 представлена функционэль- 5 ная схема многоканальной системы электропитания на три канала (К-3) В общем случае при К нагрузках должно быть К каналов и в зависимости от параметров нагрузок в секции аккумуляторов каждою канала пи- 0 тания должно быть М аькумулчторов и М управляемых ключевых ячеек

Многоканальная система электропитания содержит блок 1 коммутации имеющий информационные входы 2i 2-. тактовый 5 вход 3. выходы 41-4з. кзнэмы 51 Ьч питания. каждый из которых имеет дня PI силовых вывода 6к и 7к, ДРЗ пхх;нк, силовых вывода 8к и 9к и три упрле- - н-чцпч вывода . тактовый генлр-г р Н источник

14 постоянного тока и различные по напряжению и мощности нагрузки 15i-15s.

На фиг, 2 представлена функциональная схема типового (К-го канала питания.

Канал 5к питания имеет в своем составе распределитель 16 импульсов, управляемые ключевые ячейки , устройство 18 контроля состояния аккумуляторов, схему И 19, формирователи 20 и 21 импульсов, схему НЕ 22 и секцию аккумуляторов 23к1 23км. К выходным силовым выводам 6к и 7к канала питания подключена нагрузка 15к. Входные силовые выводы 8к и 9к соединены с источником 14 постоянного тока, но аккумуляторы не подключаются на заряд при закрытых ключерых ячейках 17к1-17км. Управляющий вывод 10к подключен к выходу тактового генератора 13, управляющий вывод 11К подключен к выходу 4к блока 1 ком- мутации, а управляющий вывод 12« подключен к информационному входу 2« блока 1 коммутации.

Функциональная схема блока 1 коммутации, содержащая три информационных тракта, представлена на фиг. 3.

Блок коммутации содержит схемы ИЛИ , схемы И 251-25з, триггеры запроса на заряд и схемы И 2 1-27з. Информационные 2-|-2з входы блока коммутации подключены соответственно к управляющим выводам 121-12з каналов 5i-5a питания (выходам устройства контроля состояния аккумуляторов), тактовый вход 3 соединен с выходом тактового генератора 13, а выходы 4-|-4з подключены соответственно к управляющим выводам Hi-Из каналов 5т-5з питания. Триггеры запроса на заряд выполнены на синхронных триггерах, срабатывающих по заднему фронту сигнала на тактовом входе.

Система работает следующим образом. Нагрузка 15i является наиболее важной (имеет наивысший приоритет), а нагрузка 15з - наименее важной (наименьший приоритет). 8 исходном состоянии все секции аккумуляторов заряжены, тактовый генератор включен. Импульсы с выхода тактового генератора 13 поступают на тактовый вход 3 блока 1 коммутации и на первые управляющие выводы 101-10з каналов Si-Бз питания. В этом случае на управляющих выводах всех устройств 18i-18s контроля состояния аккумуляторов присутствуют сигналы высокого уровня ( 1). Данные сигналы через схему НЕ 22 инвертируются и поступают с управляющих выводов 121-12з каналов 5i- 5з питания соответственно на информационные входы 21-2з блока коммутации. При этом отсутствуют сигналы высокого уровня (1) на выходах блока коммутации.

Распределители 16т-16з импульсов канал.ов питания находятся в исходном состоянии (сигналы высокого уровня на всех выходах отсутствуют).

Все управляемые ключевые ячейки

17ц-17зм во всех каналах питания закрыты, т.е. источник 14 постоянного тока к аккумуляторам не подключен.

Сигналы низкого уровня подтверждаются по заднему фронту импульса тактового генератора 13 на единичных выходах триггеров 2б1-26з запроса на заряд блока 1 коммутации. Тактовые импульсы поступают на тактовые входы триггеров запроса на заряд

через схемы ИЛИ . На выходах схем И и, соответственно, на выходах 41-4з блока коммутации формируются нулевые потенциалы, что соответствует отсутствию разрешения на подключение

аккумуляторов любого из каналов питания к источнику 14 постоянного тока (т.е. отсутствию сигна лов на тактовых входах распределителей 1б1-1бз импульсов, что обеспечивает закрытие всех управляемых

ключевых ячеек.

Когда секция аккумуляторов в каком-либо из каналов питания, например 52, разрядится до определенной степени, об этом сигнализирует устройство 182 контроля состояния аккумуляторов путем подачи потенциального сигнала в виде О (потенциал низкого уровня).

Сигнал нулевого уровня инвертируется схемой НЕ 222 и через выход 122 канала 5а

питания поступает на вход 22 блока 1 коммутации, а затем на информационный вход триггера 262 запроса на заряд. Тактовый импульс генератора 13 переписывает запрос на заряд в триггер 262.

На выходе 42 блока 1 коммутации появляется высокий потенциал (поскольку схема И открывается единичными потенциалами с единичного выхода триггера 262 и нулевого выхода триггера 26i), что соответствует

разрешению на подключение секции аккумуляторов 2321-232М канала 52 питания к источнику 14 постоянного тока. Высокий потенциал с выхода 42 блока 1 коммутации поступает на второй управляющий вывод

O 112 канала 52 питания и через схему И 19з на тактовый вход распределителя 162 импульсов. По заднему фронту входного тактового импульса на первом выходе распределителя 16а импульсов появляется

5 высокий потенциал ( 1), который удерживается в течение такта (пауза плюс импульс), т.е. до окончания следующего тактового импульса. В результате за время действия потенциала на первом выходе распределителя

импульсов удерживается открытой управляемая ключевая ячейка 1721, обеспечивая прохождение зарядного тока от источника 14 постоянного тока к аккумулятору 2321в течение данного такта. При этом каналы 5i и 5з питания заблокированы нуле- выми логическими сигналами с выходов 4i и

4з блока 1 коммутации, прикладываемыми к выводам 11i и 11з, и тактовые импульсы генератора 13 не вызывают их срабатывания. На следующем такте появляется потен- циальный сигнал на втором выходе распределителя 162 импульсов (одновременно с исчезновением потенциального сигнала на первом выходе). При этом закрывается управляемая ключевая ячейка 1721 и открывается ячейка 1722. обеспечивая протекание зарядного тока через аккумулятор

2322в течение данного такта. Таким образом, за каждый такт (пауза плюс импульс) тактового генератора происходит смена за- ряжаемого аккумулятора в данном канале питания. После закрытия управляемой ключевой ячейки 172М в канале 52 питания по заднему фронту тактового импульса, соответствующему переходу последнего выхода распределителя 172 импульсов из состояния 1 в состояние О, формирователь 212 импульса по заднему фронту сигнала выра- батывает импульс, который обеспечивает сброс схемы распределителя 162 импульсов в исходное (нулевое) состояние. По заднему фронту следующего тактового импульса появляется потенциал на первом выходе распределителя 162 импульсов. Аналогично описанному заряд по круговому циклу сек- ции аккумуляторов канала 52 питания будет осуществляться до тех пор, пока на выходе устройства 182 контроля состояния аккумуляторов не появится высокий потенциал, сигнализирующий о заряде аккумуляторов секции (1). Сигнал 1 устройства 18г контроля состояния аккумуляторов поступает

на вход схемы НЕ 222 и инвертируется.

Инвертированный сигнал через вывод 122 канала 52 питания и информационный вход 22 блока 1 коммутации поступает на информационный вход триггера 262 запроса на заряд и через схемы И 252 и ИЛИ 242 (с задержкой) на тактовый вход триггера 262 запроса на заряд (схема И 252 подготовлена сигналом, с единичного выхода триггера 262). Триггер 262 устанавливается в нулевое состояние, что соответствует отсутствию разрешения на заряд секции аккумуляторов канала 52 питания,

Кроме того, задний фронт сигнала на входе 112 канала 52 питания обеспечивает срабатывание формирователя 202 импульсов, который выдает импульс на сброс распределителя 1б2 импульсов в исходное состояние.

При разряде аккумуляторов секции более важной (более приоритетной) нагрузки во время заряда аккумуляторов менее важной (менее приоритетной) нагрузки, например 15i и 152, на информационный вход 2t блока 1 коммутации поступает сигнал высокого уровня (1). Тактовый импульс генератора 13 переписывает запрос на заряд в триггер 26t. Низкий потенциал с нулевого выхода триггера 16i закрывает схему И 272 (сброса триггера 262 не происходит) менее важного тракта, сбрасыв сг в исходное состояние распределитель 162 импульсов и разрешает подключение к источнику 14 постоянного тока аккумуляторов более важной нагрузки при отключении аккумуляторов менее важной нагрузки-. По окончании заряда секции аккумуляторов канала 5i питания сигнал высокого уровня с выхода устройства 18i контроля состояния аккумуляторов через схемы НЕ 22i, И 25т и ИЛИ 241 задним фронтом осуществляет установку в исходное состояние триггера 26i запроса на заряд.

Кроме того, задний фронт сигнала на входе 11i канала 5i питания обеспечивает сброс распределителя 16i импульсов в исходное состояние. Открывается схема И в тракте менее важной нагрузки, что обеспечивает продолжение заряда аккумуляторов канала 52 питания.

Таким образом, появление запроса на заряд аккумуляторов секции наиболее важного канала питания прерывает заряд аккумуляторов секции менее важного канала питания. Заряд аккумуляторов секции менее важного канала питания возобновляется только после заряда аккумуляторов секции более важного канала питания.

Известная система содержит в цепях управления каждого канала питания два формирователя импульсов, схему И, схему ИЛИ, схему И-НЕ, а в каждом тракте блока коммутации-два триггера, схему НЕ, схему ИЛИ и две схемы И.

Предлагаемая система содержит в цепях управления каждого канала питания два формирователя импульсов, схему И, схему НЕ, а в каждом тракте блока коммутации - триггер, схему ИЛИ и две схемы И. Следовательно, в предлагаемой системе сокращены аппаратурные затраты на К триггеров. К схем ИЛИ, К схем НЕ и К схем И (К - число нагрузок).

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить надежность и массоэнергетические показатели путем упрощения.

Формула изобретения Многоканальная система электропитания, содержащая источник постоянного тока, тактовый генератор, блок коммутации с тактовым входом, К информационными входами и К выходами по числу нагрузок, К каналов питания с двумя входными силовыми, двумя выходными силовыми и тремя уп- равляющими выводами в каждом, включающих секцию из М аккумуляторов, связанных с источником постоянного тока через М управляемых ключевых ячеек, каждая из которых имеет два входных силовых разнополярных, два выходных силовых раз- нополярйых и один управляющий выводы, устройство контроля состояния аккумуляторов с двумя входными и одним выходным управляющими выводами, два формирователя импульсов, распределитель импульсов, схему И на два входа и схему НЕ, при этом входные силовые выводы каждого канала питания подключены к источнику постоянного тока, а выходные силовые выводы - к нагрузке, первые управляющие выводы каналов питания подключены к выходу тактового генератора, вторые управляющие выводы - к соответствующим выходам, а третьи управляющие выводы - к соответствующим информационным входам блока коммутации, причем в каждом канале питания первый управляющий вывод подключен к первому входу схемы И, второй управляющий вывод - к ее второму входу, а выход этой схемы соединен с тактовым входом распределителя импульсов, гл-й выход которого подключен к управляющему входу соответствующей управляемой ключевой ячейки и последний выход распределителя импульсов подключен к входу первого формирователя импульсов, выход тактового генератора подключен к тактовому входу блока коммутации, который выполнен в виде совокупности К информационных трактов, каждый из которых содержит схему ИЛИ на

два входа, первую схему И на два входа, триггер запроса на заряд и вторую схему И с числом входов, равным номеру тракта, в каждом тракте первый вход первой схемы И соединен с единичным выходом триггера

запроса на заряд, ее выход соединен с первым входом схемы ИЛИ, второй вход которой подключен к тактовому входу блока коммутации, а выход - к тактовому входу триггера запроса на заряд, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности многоканальной системы электропитания и улучшения ее массоэнергетических показателей путем упрощения, в каждом канале питания второй управляющий вывод

подключен к входу второго формирователя импульсов, выходы обоих формирователей импульсов подключены к входу сброса распределителя импульсов, выходной управляющий вывод устройства контроля состояния

аккумуляторов через схему НЕ соединен с третьим управляющим выводом, при этом в каждом информационном тракте блока коммутации информационный вход триггера запроса на заряд и второй вход первой схемы

И подключены к соответствующему информационному входу, единичный выход триггера запроса на заряд соединен с соответствующим номеру тракта входом второй схемы И, выход которой соединен с

соответствующим выходом блока коммутации, кроме того, нулевые выходы триггеров запроса на заряд каждого тракта соединены с соответствующими номеру тракта входами вторых схем И всех следующих за ним

трактов.

fj

г,

&

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам электропитания постоянным током комплексов потребителей с различными значениями напряжения, мощности или требующих гальванической развязки. Цель изобретения - повышение надежности и упрощение системы. Система содержит источник постоянного тока, тактовый генератор, блок коммутации, К каналов питания по числу нагрузок. Блок коммутации выполнен в виде совокупности информационных тактов на основе логических элементов и элементов памяти. Каждый канал питания содержит секцию из М аккумуляторов, М управляемых ключевых ячеек, устройство контроля состояния аккумуляторов, два формирователя импульсов, распределитель импульсов и логические элементы И и НЕ. При появлении запроса на заряд секции аккумуляторов наиболее важного канала питания система обеспечивает прерывание заряда секций аккумуляторов менее важных каналов. 3 ил. (Л

Г

Л

Г

|