Устройство для питания нагрузки Советский патент 1982 года по МПК H02J7/34 

(5й) УСТРОЙСТВО для ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к автономным устройствам электропитания нагрузки, в которых генератор работает совместно с буферной аккумуляторной батареей(АС), и может быть использовано на различного классса автоматических установках.

Известны устройства для электропитания нагрузки, состоящие из генератора и буферной АБ, в которых контроль за процессом заряда и разряда АБ осуществляется с помощью реверсивного счетчика амперчасов С САЧ)Г1 Т иС2.

3 таких устройствах по показаниям САЧ, находящегося в зарядно-разрядной цепи АБ, принимается решение о необходимости управления количеством электричества, поступающего в АБ от генератора.

В САЧ обычно вводят устройства, позволяющие учесть, что амперчасовая отдача АБ менее 100%. В. результате при одинаковом токе САМ воспринимает ппи заряде меньшее количество электричества, чем при разряде. Разница выбирается исходя из КПД АВ по емкости 33Вследствие того, что характеристики АБ изменяются под влиянием различных факторов (циклирование, температура, давление и др.), в некоторые САМ для приведения в соответст10вие его показаний и реального состояния заряженности АБ вводят коррекцию например, по числу зарядно-разрядных циклов

Известны также устройства, в ко15торых периодически производится контрольный заряд АБ до уоовня срабатывания датчика максиглального напряжения при условии сброса САМ { в момент . срабатывания датчика) в фиксированное состояние fБД.

Однако учет в САЧ всего комплекса факторов, влияющих на изменение емкостных характеристик АБ, а также

создание условий для постоянного автоматического приведения в соответствие показаний САЧ и реального уровня заряженности АБ является до йастоящего времени практически нерешенной задачей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для питания нагрузки, состоящее из генератора, буферной АБ, дат чиков разрядного и зарядного тока АБ, реверсивного счетчика ампер-часо соединенного с регулятором заряда, датчика окончания заряда АБ и корректора коэффициента передачи датчика тока.

Счетчик ампер-часов производит интегрирование тока в процессе заряда и разряда АБ. В момент достижения некоторого фиксированного состояния счета, условно принятого за уровень полного заряда АБ и соответствующего моменту, когда воспринятое счетчиком восполненное количество электричества равно снятому в предшествующих разрядах, счетчик ампер-часов выдает команду на регулятор для уменшения зарядного тока АБ до заданной величины.

С целью автоматического периодического приведения в соответствие показаний САЧ и реального уровнязаряженности АБ устройство имеет два режима работы, получаемые за счет возможности изменения коэффициента передачи датчика зарядного тока и, соответственно, возможности варьировния момента достижения в САЧ фиксированного состояния счёта.

3 одном режиме с каждым разряднозарядным циклом происходит увеличение количества электричества в АБ на момент выдачи команды счетчиком, которое в конечном итоге приводит к срабатыванию датчика окончания заря5да. По сигналу этого датчика устрой ство переходит в другой режим, характеризующийся тем, что с каждым разрядно-зарядным циклом происходит уменьшение количества электричества в АБ на момент выдачи команпы счетчиком. Поодолжительность паботы устройства во втором оежиме определяется длительностью выдачи сигнала датчиком окончания заряда; после прекращения выдачи этого сигнала возобновляется первый режим работы.

8 силу специфики работы эtoгo yctpoйcтвa для АБ характерны периодиеские заряды, .приводящие к срабатыанию датчика окончания заряда. При этом датчик окончания заряда ( по сиг налу которого производится сброс САЧ в фиксированное состояние счета и, таким образом, приводятся в соответствие показания САЧ и реальный уровень заряда АБ) должен, естественно, реагировать на объективный параметр, характеризующий полный заряд АБ, в качестве которого в герметичных АБ используют пбвышение (до определенного уровня) давления газа внутри аккумуляторов 6.

Однако режим с постоянным избыточным даблением приводит со временем к значительной потере емкости Б. Для АБ типа НКГ (К родной из причин этого является постоянное присутствие кислорода в газовой фазе в аккумуляторе, которое вызывает необратимые потери активной массы электродов .

Таким образом, при длительной работе устройства имеет место снижение эффективности и ресурса АБ.

Кроме того, недостатком этого устройства является заложенное в П(инцип его действия отличие показаний САЧ от реального уровня заряженности АБ (в периоды, когда нет сигналов от датчика окончания заряда на вход сброса САЧ в фиксированное состояние счета). Отсутствие достоверной текущей информации о состоянии АБ не позволяет планировать режимы включения нагрузки, . соответствующие максимальным в данный момент возможностям АБ (по глуине разряда).

Недостатком является также некоторое уменьшение средней располагаемой АБ емкости при наличии сигнала датчика окончания заряда (при работе устройства во втором режиме).

Цель изобретения - повышение эффективности использования АБ при ее многократном циклировании путем уменьшения количества зарядов АБ, при водящих к газовыделению внутри аккумуляторов и путем увеличения степени соответствия текущих показаний САЧ реальному уровню заряда АБ.

Указанная цель достигается тем, что в .устройство, содержащее генератор постоянного тока, буферную аккуму; ляторную батарею, в цепь которой, включены датчики зарядного и разрядного тока, выходы которых соединены со счетными входами реверсивного счетчика ампер-часов, соединенного с регулятором заряда, и датчик предельного заряда А5, выход которого подключен к входу сброса счетчика а пер-часов в фиксированное состояние счета, причем датчик зарядного тока выполнен с перестраиваемым коэффициентом передачи, введены упреждающий датчик полного заряда АБ (напри мер, это датчик напряжения, настроен ный таким образом, что его срабатывание происходит перед началом газообразования в конце заряда А5 и три логические схемы И, причем один вход первой схемы И связан с упомянутым датчиком, второй вход - с выходом САМ, а выход схемы И соединен с вхо дом регулятора заряда, прямой вход второй схемы И соединен с выходом датчика предельного заряда АБ (например, этот датчик давления), инвертирующий - с выходом САЧ, а выход этой схемы соединен с управляющим на увеличение коэффициента передачи входом датчика зарядного тока , прямой вход третьей схемы И сое дийен с выходом САЧ, инвертирующий вход - с выходом управляющего датчика полного заряда АБ, а выход это схемы соединен с управляющим на уме шение коэффициента передачи входом датчика зарядного тока. На чертеже изображена функционал ная схема предлагаемого устройства для питания нагрузки. Устройство состоит, из генератора 1, подключенного через регулятор 2 заряда к аккуммуляторной батарее 3 датчика 4 разрядного тока аккумуляв торной батареи и датчика 5 зарядного тока аккумуляторной батареи, выходы которых соединены со счетными входами реверсивного счетчика 6 ампер-часов, логической схемы И 7, входы которой соединены с выходом счётчика бис выходом упреждаю1цего датчика 8 полного заряда, а выход ее соединен с регулятором 2 заряда, логической схемы И 9, прямой вход которой соединен с выходом датчика 10 предельного заряда, инвертирующий - с выходом счетчика 6, а выход ее - с управляющим на увеличение коэффициента передачи входом датчика 5 логической схемы И 11, прямой вход которой соединен с выходом сче чика 6, инвертирую1ций - с выходой д чика 8, а выход ее - с управляющим Н9 уменьшение коэффициента передачи входом датчика 5Устройство работает следующим образом. Генератор 1 осуществляет питание нагрузки постоянным током, при этом как мощность, вы|эабатываемая генератором, так и мощность, потребяемая нагрузкой, изменяются циклически каким-либо образом во времени. При превышении потребляемой мощности над вырабатываемой нагрузка использует энергию, накопленную в батарее 3, в результате чего последняя разряжается. Датчик преобразует величину разрядного тока во входной сигнал счетчика 6, который производит счет разрядной емкости. При превышении вырабатываемой мощности над потребляемой происходит заряд батареи 3. Датчик 5 преобразует величину зарядного тока во входной сигнал счетчика 6, который прО изводит счет зарядной емкости. При этом датчик 5 выполнен с дискретно перестраиваемым коэффициентом передачи тока. Если в процессе циклирования АБ зарегистрированное счетчиком 6 восполненное количество электричества станет равно снятому в предыдущем разряде (достигнуто некоторое фиксиоованное состояние счета, условно принятое за уровень полного заряда АБ ), счетчик 6 (на время до момента начала очередного разряда батареи 3) выдает сигнал, предназначенный для ограничения регулятором 2 зарядного тока АБ. В процессе работы устройства в зависимости от наличия или отсутствия сигналов на выходах счетчика 6 и датчиков 8 и 10 возможны следующие ситуации. Имеются сигналы на выходе САЧ и упреждающего датчика 8 полного заряда, сигнал на выходе датчика 10 отсутствует. Эта ситуация означает, что фиксированное состояние счета САЧ практически соответствует уровню полного заряда АБ. На выходе схемы И 7 появляется сигнал, который подается на регулятор 2. Последний уменьшает зарядный ток АБ до заданной величины (например, не вызывающий дaльнeйllJий заряд батареи 3 но обеспечивающий удержание ее в заряженном состоянии). Для этой ситуации характерно, что регистрируемое счетчиком 6 на зарядном цикле количество электричества соответствует реально воспринимаемому батареей 3 и нет необходимости перестаивать коэффициент передачи тока в датчике 5- fl этому на выходах схем И 9 и 11 в такой ситуации сигналов, предназначенных для изменения коэффициента передачи датчика 5, нет ( ввиду того, что на инвертирующих входах схем И 9 и 1 есть сигналыi. Имеется сигнал на выходе САЧ, сиг налы на выходах датчиков. 8 и 10 отсутствуют. Ситуация ознакачет, что в процессе циклирования ЛБ изменились ее характеристики (или изменились ре жимы циклирования) и реально она вос принимает меньше количества электричества, чем регистрируется счетчиком 6, и на момент срабатывания СА фактический уровень заряженности АБ меньше показаний счетчика. В этом случав сигнала на выходе схемы И 7 нет, и регулятор 2 не ограничивает ток заряда батарей 3 (т.е. АБ продол жает заряжаться, пока не сработает датчик 8; счетчик 6 при этом сохраняет фиксированное состояние счета). Кроме того, создаются условия для срабатывания схемы И 11 (на прямом входе имеется сигнал от счетчика 6, на инвертирующем нет сигнала от датчика В), и с ее выхода сигнал поступает на управляющий на уменьшение коэффициента передачи вход датчика 5 В результате коэффициент передачи ступенчато изменяется на ближайшее меньшее значение, при котором за счет уменьшения регистрируемой счетчиком зарядной емкости (по отношению к реальной)батарее 3 будет сообщать ся (на последующих зарядах) большее количествоэлектричества до момента появления сигнала на выходе САЧ. Если после некоторого количества разрядно-зарядных циклов опять будет :Иметь место ситуация, когда появля1ется сигнал на выходе САЧ, а сигналов на выходах датчиков 8 и 10 нет (т.е. или опять изменились характеристики АБ, или новое значение коэффициента передачи недостаточно малое произойдет изменение коэффициента передачи датчика 5 на очередное мень шее значение и т.д. Т.е. будет проис ходить адаптация скорости счета зарядной емкости счетчиком 6 к изменению характеристик батареи 3, что обе спечивает соответствие показания САЧ реальному уровню заряженности АБ. Имеются сигналы на выходах датчиков 8 и 10, сигнала на выходе САЧ нет Ситуация означает, что в процессе циклирования АБ так. изменились ее характеристики, что реально она воспринимает больше количества электричества, чем регистрируется счетчиком 6. В этом случае -по сигналу датчика 10 предельного заряда происходит сброс счетчика 6 в фиксированное состояние счета, срабатывает схема И 7 в результате чего регулятор 2 ограничивает ток заряда баТареи 3. Кроме того, в момент появления сигнала на выходе датчика.10 создаются условия для сбрасывания схемы И 9 ( на прямом входе имеется сигнал от датчика 10, на инвертирующем отсутствует сигнал от счетчика 6)j и с ее выхода сигнал поступает на управляющий на увеличение кожффициента передачи вход датчика 5- 8 результате коэффициент передачи ступенчато изменяется на ближайшее большее значение, при котором за счет увеличения регистрируемой счетчиком зарядной емкости (по отношению к реальной) батарее 3 будет сообщаться (на последующих зарядах) меньшее количество электричества до момента появления сигнала на выходе САЧ. При повторении этой ситуации ц вследствие нового изменения характеристик АБ или недостаточно большого значения коэффициента передачи произойдет изменение коэффициента передачи датчика 5 на очередное большее значение и т.д. Т.е. будет также происходить адаптация скорости счета зарядной емкости счетчиком 6 к изменению характеристик батареи 3. что обеспечивает соответствие показаний САЧ реальному уровню заряженности АБ, и, кроме того, прекращение заряда АБ будет в последующих циклах происходить на уровнях заряженности, предшествующих газовиделению внутри аккумуляторов АБ (т.е. будет происходить уход от газовыделения в конце заряда). При соответствующем выборе дискретности уровней коэффициента передачи датчика 5 поддерживается практически полное соответствие между показаниями САЧ и уровнем заряженности АБ при любых возможных изменениях характеристик АБ. Это позволяет проводить планирование режимов включения нагрузки, соответствующих максимальным в данным момент возможностям АБ по глубине разряда, и таким образом более эффективно использовать АБ.

Поддержание средней располагаемой емкости АБ на более высоком уровне (по cpaвнeниJp с прототипом) за счет исключения режима, в котором на время выдачи сигнала датчиком окончания заряда происходит уменьшение располагаемой АБ емкости, позволяет или использовать при тех же характеристиках нагрузки АБ с меньшей номинальной емкостью, или обеспечить питание нагрузки в течение более длительного времени.

Уменьшение количества зарядов АБ до уровня срабатывания датчика предельного заряд«1 ( которые будут происходить ЛИШЬ при изменениях характеристик АБ, вызывающих определенное несоответствие в регистрируемой счет-И

миком и воспринимаемой АБ емкостях J уменьшит потери емкости АБ, вызываемые газовыделением внутри аккумуляторов батареи при окончании ее заряда и сохраняет ее ресурс.

Расчет, проведенный с использованием математической модели АБ типа НКГК, показал, что при дискретности коэффициента передачи датчика зарядного toKa, равной 0,05 (диапазон коэффйциента передачи от 1,00 до 1,40) поддерживается текущее соответствие между показаниями САМ и реальным состоянием АБ с точностью 3%, средний уровень располагаемой емкости в АБ по сравнению с прототипом увеличивается на 15%, а количество зарядов АБ до уровня срабатывания датчика предельного заряда уменьшается не менее, чем в 2 раза.

Формула изобретения

Устройство для питания нагрузки, содержащее генератор постоянного тока типа солнечной батареи, буферную аккумуляторную батарею, в цепь которой включены датчики зарядного и разрядного тока, выходы которых соединены со счетными входами реверсивного

счетчика ампер-часов, соединенного с регулятором заряда, и датчик предельного заряда аккумуляторной батареи, выход которого подключен к входу сброса счетчика ампер-часов в

фиксированное состояние счета, причем датчик зарядного тока выполнен с перестраиваемым коэффициентом передачи, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности использования аккумуляторной батареи при ее многократном циклировании, в него введены упре)хдающий датчик ного заряда аккумуляторной батареи и три логические схемы И, причем входы первой схемы И соответственно соединены с выходом счетчика ампер-часов и с выходом упреждающего датчика полного заряда, а выход ее соединен с управляющим входом регулятора

соединен с выходом датчика предель ного заряда, ее инвертирукхдий вход с выходом счетчика ампер-часов, а выход - с управляющим на увеличение коэффициента передачи входом датчика зарядного тока, прямой вход тьей схемы М соединен с выходом счетчика ампер-часов, ее инвертирующий вход с выходом упреждагацего датчика I полного заряда, а выход - с управляЮ1ЧИМ на уменьшение коэффициента передачи входом датчика зарядного тока

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

k. Патент ФРГ № 1513700, кл. 21 с 51/02, 1969.

6.Авторское свидетельство СССР № 661683, кл. Н 02 J 7/34, 1976. заряда, прямой вход второй схемы И