Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током

Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током

Реферат

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для ускоренного заряда аккумуляторных батарей (АБ) на основе заряд-разрядных ШИМ-преобразователей, может быть использовано для заряда герметичных АБ. Сущность изобретения: при подключении АБ к устройству автоматически определяется тип батареи и выбирается алгоритм заряда, соответствующий типу АБ. Устройство содержит схему управления по заданному алгоритму и схему управления силовой частью. Блок управления в виде однокристального микропроцессора (ОМП) формирует сигналы в соответствии с алгоритмом заряда для управления высокочастотными ШИМ-преобразователями. В качестве нагрузки к зарядному ШИМ-преобразователю подключается аккумуляторная батарея, она же является источником питания разрядного ШИМ-преобразователя. Сигнал с датчика тока подается в ОМП, который задает и поддерживает необходимый уровень зарядного и разрядного токов в соответствии с алгоритмом заряда. Сигнал с датчика напряжения АБ подается в ОМП для контроля процесса заряда и определения критериев окончания заряда. Техническим результатом является снижение потерь в силовых частях устройства и уменьшение габаритов и массы устройства. Устройство предназначено для ускоренного заряда NiCd и NiMH герметичных АБ и АБ Li-ION. 1 ил.

Изобретения относятся к электротехнике, в частности к устройствам для ускоренного заряда аккумуляторных батарей (АБ) на основе преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Известно устройство [1] , выполненное на ШИМ-преобразователе с зарядом импульсным током с паузами и периодическим разрядным импульсом большой амплитуды в паузу зарядного тока. Под действием сигнала ШИМ открывается транзисторный ключ (ТК1) и энергия источника постоянного тока передается в дроссель. От дополнительной обмотки дросселя заряжается конденсатор. По окончании сигнала ШИМ TK1 закрывается, а энергия дросселя в виде импульса тока подается в АБ. При очередном поступлении сигнала ШИМ процесс продолжается и батарея заряжается импульсным током с паузами. При достижении напряжения конденсатора величины порогового напряжения стабилитрона и с приходом очередного импульса с основной обмотки дросселя на управляющий вход транзисторного ключа (ТК2) в цепи управляющего электрода разрядного тиристора последний открывается. Происходит разряд АБ импульсом тока большой амплитуды через конденсатор. В следующий момент закрытия ТК1 энергия конденсатора возвращается в АБ, и процесс импульсного заряда с паузами повторяется. По мере заряда АБ частота следования разрядных импульсов тока увеличивается автоматически.

Недостатком известного устройства является фиксированный диапазон задания режимов асимметричного тока и сложность реализации изменения диапазона задания режима, что сужает функциональные возможности устройства. При заряде аккумуляторных батарей возникает задача заряда батарей с разным количеством элементов. В этом случае для установки режима заряда необходима регулировка параметров зарядного устройства, а именно заряд-разрядных токов. Из этого следует принципиальная невозможность реализации требуемых заряд-разрядных импульсных режимов работы по заданному алгоритму в широком диапазоне изменения напряжения на нагрузке.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство [2] для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащее схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, представляющий собой однокристальный микропроцессор (ОМП), блок индикации, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок датчика напряжения, выход которого подключен к входу блока управления, блок синхронизации, состоящий из блоков рабочей и начальной синхронизации, входы которых объединены, а выходы подключены к блоку управления, блок питания, соединенный выходом с входом блока синхронизации, а входом - с выходом блока задания режима заряда, блок датчика напряжения, соединенный с клеммами для подключения аккумуляторной батареи, и схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, блоки зарядных и разрядных конденсаторов, два встречно-параллельно включенных блока управляемых выпрямителей, блоки усилителей, выходы которых подключены к соответствующим входам блоков управляемых выпрямителей, а входы - к соответствующим выходам блока управления. Блок управления формирует сигналы в соответствии с алгоритмом заряда и синхронизацией от сети для управления встречно-параллельно включенными управляемыми выпрямителями. В качестве нагрузки к выпрямителям подключается аккумуляторная батарея. Одни обкладки токоограничивающих конденсаторов подключены к питающей сети, другие - к управляемым выпрямителям. Ограничение тока в зарядный и разрядный периоды работы позволяет управлять выпрямителями без фазового управления. К недостаткам можно отнести фиксированный режим заряда, который соответствует определенным типам АБ, и сложность его изменения, что ограничивает функциональные возможности устройства. Наличие отдельных блоков зарядных и разрядных конденсаторов в основном определяет массу и габариты устройства, и они довольно значительны.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, уменьшение массы и габаритов устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащим схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, два блока усилителей и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, блок индикации, блок задания алгоритма заряда, блок задания режима заряда, блок питания, блок датчика напряжения, введены дополнительный блок фильтров, блок регулируемого источника зарядного тока, блок регулируемого источника разрядного тока, два диода и блок подключения аккумуляторных батарей, входы которого имеют клеммы для подключения аккумуляторных батарей, а выход соединен с входом введенного блока фильтров и катодом диода, анод диода соединен с выходом блока регулируемого источника зарядного тока, одни вход которого соединен с выходом блока фильтров, другой вход - с выходом блока усилителей, выход введенного блока фильтров соединен с одним входом блока регулируемого источника разрядного тока, другой вход которого соединен с выходом соответствующего блока усилителей, выход его соединен со входом блока нагрузочного элемента, блок датчика тока, блок АЦП, блок звуковой сигнализации и блок ШИМ, выходы которого соединены со входами соответствующих блоков усилителей, а вход - с выходом блока управления, вход блока звуковой сигнализации соединен с соответствующим выходом блока управления, вход блока датчика тока соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей, выход соединен со входом блока АЦП, другой вход которого соединен с выходом блока датчика напряжения, выход блока АЦП соединен с соответствующим входом блока управления, блок подключения аккумуляторных батарей соединен с блоком датчика напряжения и блоком задания режима заряда.

Использование интегрированного ОМП, имеющего в своем составе блок ШИМ, АЦП, внутреннюю память программ и данных, и регулируемых источников тока, управляемых широтно-импульсной модуляцией на высокой частоте для создания зарядного и разрядного стабилизированных токов, позволяет реализовать многоканальное зарядное устройство, т.е. каждый выход ШИМ может управлять зарядным каналом, и количество зарядных каналов определяется количеством независимых ШИМ в ОМП, а также снизить потери в силовой части устройства и, следовательно, уменьшить вес и габариты устройства, обеспечивает простоту в эксплуатации и обслуживании.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство включает систему управления по заданному алгоритму (СУЗА) 1 и систему управления силовой частью (СУСЧ) 2. Блок 3 ОМП, состоящий из блока 4 управления, блока 5 задания алгоритма заряда, блока 6 ШИМ и блока 7 АЦП, соединен с блоком 8 индикации, блоком 9 звуковой сигнализации, блоком 10 задания режима заряда, вход которого соединен с блоком 11 подключения аккумуляторных батарей, блоком 12 датчика тока и блоком 13 датчика напряжения. Входы блоков 12 и 13 датчика тока и датчика напряжения соответственно соединены с соответствующими выходами блока 11 подключения АБ, входы которого соединены с блоком 14 АБ. Выходы блока 6 ШИМ соединены с входами соответствующих блоков 15 и 16 усилителей, выходы которых соединены со входами блоков 17 и 18 регулируемых источников зарядного и разрядного тока соответственно. Питающее напряжение подается на блок 19 питания, положительный вывод питающего напряжения соединен с анодом диода 20, катод которого соединен с входом блока 21 фильтров. Выход блока 21 фильтров соединен с входом блока 17 регулируемого источника зарядного тока, выход которого соединен с анодом диода 22. Катод диода 22 соединен с блоком 11 подключения аккумуляторных батарей и блоком 23 фильтров. Выход блока 23 фильтров соединен с входом блока 18 регулируемого источника разрядного тока, выход которого соединен со входом блока 21 фильтров и катодом диода 20.

Устройство работает следующим образом. Питающее напряжение поступает на блок 19 питания, который вырабатывает постоянные стабилизированные напряжения для питания блока 3 однокристального микропроцессора, блока 8 индикации, блока 9 сигнализации, блока 10 задания режима заряда, блока 11 подключения аккумуляторных батарей, блока 12 датчика тока, блока 13 датчика напряжения и блоков 15 и 16 усилителей. При включении устройства сигналы с выхода OMП 3 запирают блоки усилителей во избежание открытия силовых элементов схемы управления силовой частью 2. ОМП 3 инициирует записанную в блоке 5 задания алгоритма заряда программу, которая устанавливает выходные сигналы портов ввода-вывода в начальное состояние, контролирует входные сигналы портов ввода-вывода и АЦП. При нормальном завершении опроса на блок 9 звуковой сигнализации выдается сигнал длительностью 500 мс с частотой 2 кГц. При возникновении запрещенной комбинации на входах ОMП 3 выдает сигнал аварии на блок 9 звуковой сигнализации частотой 1 кГц длительностью 230 мс и паузой 20 мс и на блок 8 индикации частотой 4 Гц и скважностью 0,1. После предварительной обработки и установки соответствующих сигналов ОМП 3 переходит в режим ожидания, периодически опрашивая выходы блока 10 задания режима заряда и блока 13 датчика напряжения. При подключении АБ к блоку 11 подключения батареи срабатывает переключатель, соответствующий данному типу батареи, сигнал с которого поступает в блок 10 задания режима заряда и с его выхода на ОМП 3. Напряжение батареи поступает на вход блока 13 датчика напряжения и с его выхода на блок 7 АЦП. Блок управления 4 анализирует полученные сигналы и выбирает из блока 5 задания алгоритма заряда алгоритм, соответствующий заряду данного типа батареи. Блок 4 управления выдает сигналы управления зарядом на блок 6 ШИМ и сигнал постоянного свечения на блок 8 индикации. Сигналы с блока 6 ШИM, поступающие на блоки 15 и 16 усилителей и далее на блоки 17 и 18 регулируемых источников зарядного и разрядного тока соответственно, устанавливают амплитуды и длительности зарядных и разрядных токов согласно выбранному алгоритму заряда. Амплитуды зарядного и разрядного токов контролируются с помощью сигнала с блока 12 датчика тока, поступающего на блок 7 АЦП. В ходе заряда в соответствии с алгоритмом контролируется напряжение АБ. По окончании процесса заряда блок 4 управления прекращает подачу сигналов управления на блок 6 ШИМ, на выходах которого устанавливаются уровни, запирающие блоки 17 и 18 регулируемых источников зарядного и разрядного тока, батарея отключается от зарядных и разрядных цепей, блок 4 управления подает сигнал о нормальном завершении процесса заряда в блок 8 индикации с частотой 2 Гц и скважностью 0,5 и блок 9 звуковой сигнализации с частотой 1 кГц, длительностью 250 мс и паузой 250 мс. В ходе заряда контролируются параметры тока на соответствие выбранному режиму заряда. При несоответствии токов параметрам режима заряд прекращается и включается аварийные звуковая сигнализация и индикация, что говорит о неисправности батареи.

Цепь заряда состоит из диода 20, предохраняющего источник питания от бросков напряжения во время разрядного импульса тока, блока 21 фильтров, осуществляющих защиту питающего напряжения от низкочастотной и высокочастотной помехи, возникающей при коммутации в блоке 17 регулируемого источника зарядного тока, а также функцию накопления заряда на емкости низкочастотного фильтра при протекании разрядного импульса тока, блока 17 регулируемого источника зарядного тока, управляемого через блок 15 усилителей от OMП 3, и диода 22, предохраняющего блок 17 регулируемого источника тока от обратного тока, когда АБ подключена к блоку 11 подключения аккумуляторных батарей, а питающее напряжение отсутствует.

Цепь разряда состоит из блока 23 фильтров, необходимого для сглаживания высокочастотных пульсаций разрядного тока, блока 18 регулируемого источника разрядного тока, управляемого через блок 16 усилителей от ОМП 3, которым задается и поддерживается необходимый уровень разрядного тока, импульс разрядного тока преобразуется в заряд конденсатора блока 21 фильтров и используется для создания зарядного импульса тока. Такое построение силовой части позволяет с минимальными потерями возвращать энергию разрядного импульса в аккумуляторную батарею.

Устройство предназначено для ускоренного заряда герметичных АБ с напряжением от 4,8В до 12В в диапазоне питающего напряжения 22-30В.

Введение в СУЗА 1 блока 9 звуковой сигнализации, блока 6 ШИМ, блока 7 АЦП и блока 12 датчика тока и в СУСЧ 2 блока 17 регулируемого источника зарядного тока, диодов 20 и 22, блока 23 фильтров, блока 18 регулируемого источника разрядного тока позволило уменьшить массу и габариты устройства, снизить потери мощности за счет применения высокочастотных ШИМ-преобразователей и использовать энергию разрядного импульса для создания зарядного тока. Проведение автоматизированного заряда позволяет расширить функциональные возможности устройства.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР 1275647, Н 02 J 7/10, 1986.

2. Патент Российской Федерации 2134476, Н 02 J 7/10, 1999.

Формула изобретения

Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащее схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, два блока усилителей и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок питания, соединенный с блоком фильтров, блок датчика напряжения, блок управления, соединенный с блоком индикации, блоком задания алгоритма заряда и блоком задания режима заряда, отличающееся тем, что в схему управления силовой частью введены дополнительный блок фильтров, блок регулируемого источника зарядного тока, блок регулируемого источника разрядного тока, два диода и блок подключения аккумуляторных батарей, входы которого имеют клеммы для подключения аккумуляторных батарей, а выход соединен с входом введенного дополнительного блока фильтров и катодом диода, анод которого соединен с выходом блока регулируемого источника зарядного тока, один вход которого соединен с выходом блока фильтров, другой вход - с выходом блока усилителей, выход введенного дополнительного блока фильтров соединен с одним входом блока регулируемого источника разрядного тока, другой вход которого соединен с выходом соответствующего блока усилителей, выход блока регулируемого источника разрядного тока соединен с входом блока фильтров и катодом другого диода, анод которого соединен с положительным контактом питающего напряжения, в схему управления по заданному алгоритму введены блок датчика тока, блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), блок звуковой сигнализации и блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ), выходы которого соединены со входами соответствующих блоков усилителей, а вход - с выходом блока управления, к которому подключен вход блока звуковой сигнализации, вход блока датчика тока соединен с блоком подключения аккумуляторных батарей, выход соединен со входом блока АЦП, другой вход которого соединен с выходом блока датчика напряжения, выход блока АЦП соединен с соответствующим входом блока управления, блок подключения аккумуляторных батарей соединен с блоком датчика напряжения и блоком задания режима заряда, при этом блоки управления, задания алгоритма заряда, задания режима заряда, ШИМ, АЦП объединены в блок однокристального микропроцессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1