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

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

Известна система заряда батарей асимметричным током от источника переменного тока, содержащая управляемый мостовой выпрямитель, подразрядную емкость и блок контроля напряжения батареи и управления вентилями выпрямителя. В указанной системе подразрядный импульс формируется в паузах между импульсами зарядного тока, что усложняет систему формирования за- рядно-разрядных импульсов, так как под- разрядный конденсатор необходимо

заряжать через дополнительный выпрямитель от второго источника переменного напряжения. Отключение основного источника от батареи во время формирования подразрядного импульса, осуществляемое тиристорами управляемого выпрямителя, облегчая формирование под- разрядного импульса, приводит к дискретному во времени импульсному использованию мощности зарядного источника (т.е. его мощность во время пауз не используется), что завышает типовую мощность зарядного источника. Энергия же второго источника для заряда батареи не используется.

Известна также система заряда (СЗ) аккумуляторной батареи асимметричным 00

SJ

О 00

ком, содержащая источник переменного тока в виде трехфазного трансформатора, трехфазный мостовой выпрямитель, клеммы выходной диагонали которого через токоог- раничивающее сопротивление в виде линейного дросселя подключены к клеммам АБ. управляемую мостовым тиристорным инвертором, электрическую разрядную емкость и блок контроля напряжения батареи и управления вентилями выпрямителя.

Так как формирование асимметрического тока в этой системе осуществляется наложением на постоянный ток трехфазного выпрямителя отрицательных подразряд- ных 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 данному изобретению является система заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащая источник электрической энергии переменного тока, например, в виде трехзфазного трансформатора, мостовой выпрямитель, клеммы выходной диагонали которого подключены к клеммам аккумуляторной батареи, электрическую зарядно-разрядную емкость, выполненную в виде двух конденсаторов, которые включены в два накрест- лежащих плеча мостового выпрямителя, два другие плеча которого образуют диоды, а одна клемма входной диагонали соединена с линейным выводом источника переменного тока.

В этой системе заряда (СЗ) формирование асимметричного тока (AT) осуществляется наложением на переменный хок (ограниченный емкостным сопротивлением зарядно-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 фазного напряжения трехфазного источника, 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, сравнительно невысокое относительное значение зарядного напряжения (то есть, заряд батареи то лысо до амплитуды напряжения источника переменного тока, что характеризуется зарядным напряжением равным единице) ухудшает удельные электрические показа- тели и этой системы, в которой трансформатор, работая в однофазном режиме, используется всего на 2/3,

Кроме того, весьма существенным недостатком этой системы является то, что она

может быть использована только при заряде от автономного источника, обмотки которого включаются в ячейку последовательно, что практически 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 батареи и ускорения процесса заряда, т.е. скорости передачи энергии в батарею, оцениваемую численно средним значением зарядной мощности и

равной произведению зарядного напряжения батареи на среднее за период значение постоянной составляющей AT.

Поставленная цель достигается тем, что система заряда аккумуляторной батареи

асимметричным током, содержащая источник электрической энергии переменного тока, например, в виде трехфазного трансформатора, мостовой выпрямитель, клеммы выходной диагонали которого подключены к клеммам аккумуляторной батареи, электрическую зарядно-разрядную емкость, выполненную в виде двух конденсаторов, которые включены в два накрестле- жащих плеча мостового выпрямителя, два

другие плеча которого образуют диоды, а одна клемма входной диагонали соединена с линейным выводом источника переменного тока, обмотки источника соединены в электрическую звезду с выведенной нейтралыо и дополнительно введен блокирующий диод, при этом один из конденсаторов системы 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 плеча упомянутого мостового выпрямителя, к клеммам выходной диагонали дополнительно подключены две диодно0 конденсаторные цепочки, состоящие из соединенных последовательно диода и конденсатора, точки соединения которых подключены к свободным линейным выводам упомянутого источника переменного

5 тока, свободная клемма входной диагонали мостового выпрямителя подключена к выводу нейтрали звезды, при этом емкость каждого из дополнительных конденсаторов введенных диодно-конденсаторных цепочек равна емкости конденсатора плеча моетового выпрямителя, не зашунтированного блокирующим диодом.

Выполнение системы заряда с дополнительным блокирующим диодом и подключением к клеммам выходной диагонали дополнительно двух диодно-конденсатор- ных цепочек и соединенных последовательно диода и конденсатора, общие точки которых подключены к свободным ЁЫВОДЭМ трехфазного источника переменного тока, при этом емкость каждого дополнительного конденсатора равна емкости большего по величине конденсатора разрядной емкости, отличая ее от резьбового объекта и прототипа, обеспечивает улучшение удельных энергетических показателей системы заряда при разряде АБ от неавтономного ТИПТ.

На чертеже приведена электрическая схема системы заряда согласно изобрете-1 нию. В данной системе аккумуляторная батарея 1 подключена к выходным клеммам мостового выпрямителя 2, к клеммам 3, 4 и 5 входной диагонали которого подключены обмотки трехфазного источника переменного тока 6 (фазы А, В и С), соединенные в электрическую звезду с выведенной нейтралью 0. В два накрестлежащие плеча моста 2 включены конденсаторы 7 и 8 различной емкости, а два другие его плеча образуют диоды 9 и 10. Емкость конденсаторов 7 и 8 отлична друг от друга по меньшей мере в 20 раз и параллельна конденсатору с меньшей емкостью (8) включен блокирующий диод 11, соединенный последовательно - согласно с диодом 9. Вывод нейтрали обмотки источника (0) подключен к общей точке 12 соединения конденсатора 8 и диода 9.

Две цепочки, каждая из которых состоит из пары включенных последовательно конденсатора 13 и диода 14, а также конденсатора 15 и диода 16, подсоединены к клеммам выходной диагонали моста. Общие точки соединения диодов и конденсаторов каждой этой цепочки непосредственно подключены к линейным выводам 4 и 5 источника. Емкость каждого из конденсаторов 13 и 15 введенных диодно-конденсаторных цепочек равна емкости конденсатора большей емкости (7).

Формирование асимметричного тока (AT) в этой системе заряда осуществляется путем наложения шести (за один период) однополярных (так называемых униполярных) зарядных импульсов тока источника на переменный ток, протекающий поочередно через каждую фазу источника б и конденсаторы зарядно-разрядной емкости. Конденсатор 8 вместе с конденсаторами 7, 13 и 15 образуют три делителя переменного и три умножителя постоянного напряжения. Эти

умножители повышают в два раза зарядное напряжение АБ.

Униполярные зарядные импульсы, создающие постоянную составляющую тока 5 (за период изменения напряжения источника), формируются по трем следующим цепям: источник 6-12-9-1-10-3 - источник 6; вторая цепь: источник 6-12-9-1-14-4 - источник 6 и третьея цепь: источник 6-12-90 1-16-5 - источник 6 (когда напряжение АБ меньше амплитудного фазного значения напряжения источника, т.е. UAB ит.фист), а также по трем другим цепям: источник 6-3- 7-1-11-12 - источник 6; вторая цепь: источ5 ник 6-4-13-1-11-12 - источник 6 и третья цепь: источник 6-5-15-1-11-12 - источник 6 - когда напряжение батареи меньше удвоенного амплитудного значения напряжения 11т.ф. источника.

0 Переменная составляющая AT проводится по трем цепям: 1-7-3 - источник 6- 12-8-1; 1-13-4 - источник 6-12 и 1-15-5 - источник 6-12-8-1 - при подраз- ряде АБ и запасании энергии в конденсато5 pax 7, 13, 15 и 8, а также по цепям: источник 6-3-7-1-8-12 - источник 6; источник 6-4- 13-1-8-12 - источник 6 и источник 6-5-15- 1- 8-12 - источник 6 при возврате в АБ энергии подразрядного импульса.

0 Так как емкость конденсатора 8 примерно в 20 раз меньше емкости конденсатора 7, 13 и 15, то при подразряде АБ на емкостные делители напряжения 7-8 и 15-8, конденсатор 8 заряжается от АБ 1 до напряжения,

5 равного примерно 95%, а конденсаторы 7, 13 и 15 - 5% от напряжения цепи: источник 6-АБ 1.

Рассмотрим работу системы за период изменения напряжения первой фазы источ0 ника (А-0) и при напряжении АБ, меньшем амплитудного фазного напряжения источника 6.

Приняв, что в рассматриваемой системе прямой порядок следования (чередования)

5 фаз, т.е. А, В, С, будем считать в начальный момент фазовое напряжение первой фазы положительным на клемме 12, а на клемме 3 - отрицательным. Когда напряжение указанной фазы источника 6 превысит напря0 жение АБ 1, она заряжается по цепи: клемма 12, вентиль 9, АБ 1, вентиль 10, клемма 3. Конденсаторы 7 и 8, включенные параллельно рассмотренной выше цепи заряда АБ 1, заряжаются соответственно через вентили

5 9 и 10 до напряжения батареи (имея положительный потенциал на верхней по схеме фиг,1 обкладке и отрицательный - на нижней) и запасают 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 8.

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

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

1 Так как энергия, запасенная конденсатором 8, примерно в 20 раз меньше энергии, запасенной конденсатором 7, этот конденсатор 8 отдает свою энергию батарее, чем конденсатор 7, который продолжает отдавать энергию в АБ через открывшийся диод 11 по цёпйТ 7-АБ 1-11-12 - источник 6-3-7. В момент времени, когда напряжение первой фазы источника становится равным ну- л ю, конденсатор 7 разряжается до напряжения, равного напряжению бата реи 1. ; : . :

В следующем полупериоде изменения напряжения первой фазы источника 6, когда на клемме 3 положительный потенциал, на клемме 12 - отрицательный, полярность включения конденсатора 7 и первой фазы источника 6 становится согласной и конденсатор 7 продолжает разряжаться на АБ по той же цепи: 7-1-11-12-6-3-7 до тех пор, пока мгновенное значение напряжения первой фазы источника 6 не станет равным, напряжению АБ. Конденсатор 7 в это время разряжен полностью. После этого полярность напряжения конденсатора 7 изменяется, так как он, ограничивая ток заряда батареи 1, в это время начинает перезаряжаться. Заряд АБ 1 продолжается до тех пор, пока напряжение первой фазы источника не достигнет максимального значения. В это время зарядный импульс тока АБ прекращается. Напряжение на конденсаторе 7 в это время равно разности амплитудного

значения напряжения первой фазы источника и батареи и положительный потенциал - на нижней по схеме фиг.1 обкладке. В момент уменьшения мгновенного

значения напряжения первой фазы источника начинается подразряд АБ через источник 6 на конденсаторы 8 и 7, первый из которых, вновь разрядившись, снова перезаряжается. Подразрядный импульс про0 должается до тех пор, пока фазовое напряжение источника не станет равным нулю. В это время напряжение конденсатора 8 примерно равно напряжению батареи, а напряжение конденсатора 7 примерно

5 равно нулю (по крайней мере в 20 раз меньше напряжения на конденсаторе 8). Диод 11 в это время вновь заперт.

Подразрядный импульс АБ будет продолжаться и после обратной смены поляр0 ности 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 9 и 10 открыты, то источ5 ник осуществляет заряд АБ и подразряд конденсаторов 7 и 8 от первой фазы источника аналогично рассматриваемому выше. Если напряжение батареи больше амплитудного фазного значения напряжения

0- источника, но меньше ее удвоенного значения (От.фист. UAB 2ит.фист), зарядная цепь . батареи от первой фазы источника 6 непосредственно (источник 6-12-9-1-10 3 - источник 6) энергию в АБ не передает, а

5 батарея заряжается от источника только через вольтодобавочный конденсатор 7, который, проводя переменную составляющую асимметричного тока, заряжается от источника 6 в полупериоды, когда на клемме 12

0 положительный потенциал и разряжается на АБ через источник 6 в полупериоды, когда на клемме 12 отрицательный потенциал. Так как максимальное зарядное .напряжение на конденсаторе 7 почти равно ампли5 тудному фазному значению напряжения источника, то батарея может быть заряжена до напряженности, практически вдвое превышающего амплитудное значение напряжения каждой фазы источника 6.

0 Работа системы; с учетом действия двух других фаз на каждый период изменения напряжения (тока) источника приводит к тому, что число зарядных и подзарядных импульсов утраивается. Вследствие этого

5 среднее значение постоянной составляющей AT и зарядной мощности (по сравнению с прототипом) также утраивается. Кроме того, так как зарядный источник формирует зарядные импульсы тока со сдвигом на 120 эл.градусов, уменьшается неравномерность

отбора мощности от источника, что приводит к повышению значения коэффициента мощности источника, который работает в динамическом уравновешенном режиме. Это приводит к дополнительному улучшению удельных энергетических показателей системы в целом.

В данной системе заряда бестрансформаторным путем практически вдвое увеличивается зарядное напряжение, в результате чего повышается значение постоянной составляющей асимметричного тока и, соответственно, скорость передачи энергии источника в заряжаемую АБ, что исключает необходимость применения повышающего трансформатора.

В связи с тем, что самым тяжелым элементом (звеном) системы заряда является источник эл.энергии переменного тока (на долю которого приходится примерно 85- 90% массы системы), введение массы формирователя асимметричного тока, приводя, к полному использованию мощности (и массы) источника (трансформатора), позволяет улучшить практически в 1,5 раза использование его массы. Поэтому система в целом, - за счет уменьшения массы источника более чем на 30%, - характеризуется улучшен- ными импульсами энергетическими показателями.

Таким образом, снабжение системы заряда АБ асимметричным током, содержащей мостовой вентильно-конденсаторный выпрямитель-формирователь тока, блокирующим диодом и выполнение делителя пере- менного и умножителя постоянного напряжения на двух конденсаторах выпрямителя-формирователя тока путем выбора различной емкости, этих конденсаторов и шунтирование конденсатора меньшей емкости блокирующим диодом с увеличением числа делителей меньшей емкости блокирующим диодом с увеличением числа делите- лей переменного напряжения -и умножителей постоянного напряжения приводит к увеличению зарядного напряжения и соответственно, к повышению скорости передачи энергии источника в батарею, а также повышает значение зарядной мощности путем умножения количества зарядных импульсов за период изменения напряжения источника. Поэтому в конечном итоге улучшаются удельные энергетические показатели систем заряда при соединении обмоток трехфазного источника по 5 четырехпроводной схеме, т.е. по схеме электрической звезды с выведенной нейтралью.

Формула изобретения

0 Система заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащая источник электрической энергии переменного тока в виде трехфазного трансформатора, мостовой выпрямитель, клеммы выходной

5 диагонали которого подключены к клеммам аккумуляторной батареи, электрическую за- рядно-разрядную емкость, выполненную в виде двух конденсаторов, которые включены в два накрестлежащих плеча мостового

0 выпрямителя, два другие плеча которого образуют диоды, а одна клемма входной диагонали соединена с линейным выводом источника переменного тока, отлича ющ а я с я тем, что, с целью улучшения удельных

5 энергетических показателей системы и ускорения процесса, обмотки источника соединения в электрическую звезду с выведенной нейтралью и дополнительно введен блокирующий диод, при этом один

0 из конденсаторов системы имеет емкость по меньшей мере в 20 раз отличную от емкости другого конденсатора и параллельно конденсатору меньшей емкости включен блокирующийдиод,соединенный

5 последовательно согласно с диодом смежного плеча упомянутого выпрямителя, к клеммам выходной диагонали дополнительно подключены две диодно-конденсатор- ные цепочки, состоящие из соединенных

0 последовательно диода и конденсатора, точки соединения которых подключены к свободным линейным выводам упомянутого источника переменного тока, свободная клемма входной диагонали мостового вы5 прямителя подключена к выводу нейтрали звезды, при этом емкость каждого из дополнительных конденсаторов введенных диод- но-конденсаторных цепочек равна емкости конденсатора плеча мостового выпрямите0 ля, не зашунтированного блокирующим диодом.

Использование: в системах заряда аккумуляторных батарей (АБ) асимметричным током от трехфазного источника переменного тока, обмотки которого соединены в звезду с выведенной нейтралью.Сущность изобретения: система содержит мостовой выпрямитель-формирователь асимметричного тока, два плеча которого образованы диодами, а два другие - зарядно-подразряд- ными конденсаторами. Параллельно конденсатору меньшей емкости включают блокирующий диод, при этом соотношение емкостей зарядно-подразрядных конденсаторов равно примерно 1:20. К клеммам выходной диагонали дополнительно подключены две диодно-конденсаторные цепочки, точки соединения которых подключены к свободным линейным выводам упомянутого источника переменного тока. Свободная клемма входной диагонали мостового выпрямителя подключена к выводу нейтрали звезды. При таком формировании асимметричного тока напряжение на выходе системы увеличивается в 2 раза от амплитудного фазного напряжения источника. 1 ил.