Устройство для питания нагрузки

Устройство для питания нагрузки

Реферат

Изобретение относится к электротехнике, в частности к режимам эксплуатации конденсаторных и аккумуляторных батарей в автономных системах электроснабжения постоянного тока стационарных и подвижных объектов.

Проблема обеспечения длительного срока службы батарей, состоящих из последовательно соединенных конденсаторов с двойным электрическим слоем, является достаточно актуальной. Небольшие отличия в характеристиках отдельных конденсаторов (по емкости, токам утечки и т.д.) приводят в процессе эксплуатации батареи к значительному разбросу напряжений отдельных конденсаторов. При этом снижается уровень отдаваемой энергии батареи в нагрузку, происходит перезаряд и глубокий разряд отдельных конденсаторов, который может привести к переполюсовке их. Все это приводит в итоге к выходу из строя как отдельных конденсаторов, так и батареи целом.

Для устранения влияния этих причин необходимо устройство, которое обеспечивает дифференциальную компенсацию токов утечки конденсаторов, выравнивает напряжения между всеми конденсаторами и осуществляет контроль их исправности.

Одним из решений указанной проблемы является выравнивание (нивелирование) напряжений между отдельными конденсаторами с помощью шунтирования конденсаторов внешними резисторами, имеющими одинаковые сопротивления, величина которых меньше сопротивления изоляции (утечки) конденсаторов.

Однако данное техническое решение энергетически неэффективно, т.к. приводит к непроизводительным потерям энергии.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для питания нагрузки, содержащее источник напряжения для подзарядки батареи, блок контроля и батарею, состоящую из химических источников тока, соединенных между собой последовательно, и параллельно к ним подключенный через развязывающие диоды преобразователь, имеющий управляемый ключевой элемент, выравнивающих ячеек, каждая из ячеек содержит одну выходную обмотку преобразователя и выпрямитель, подключенные к соответствующему химическому источнику тока в батарее (а.с. СССР №1029327, кл. Н 02 J 7/34, 1983 г.).

Входящий в состав устройства блок контроля измеряет напряжения на каждом из элементов и на батарее в целом, выделяет максимальное из напряжений на химических источников тока и формирует управляющий сигнал для ключевого элемента преобразователя.

Недостатками этого устройства являются:

- низкий КПД,

- невысокая надежность работы,

- ухудшенные массогабаритные показатели вследствие использования сложного блока контроля, алгоритм работы которого требует применения АЦП и микроконтроллера для измерения напряжений на каждом элементе и на батарее в целом, запоминания этих значений и выполнения математических преобразований.

Задачами, достигаемыми предлагаемым изобретением, являются повышение надежности, снижение массогабаритных показателей и улучшения кпд устройства за счет упрощения схем преобразователя и блока контроля.

Технический результат в предлагаемом изобретение достигают созданием устройства для питания нагрузки, содержащего источник напряжения для подзарядки батареи, блок контроля с цепью его питания, батарею, состоящую из химических источников тока, соединенных между собой последовательно, и подключенный параллельно к ним через развязывающие диоды преобразователь, имеющий управляемый ключевой элемент, выравнивающие ячейки, причем каждая из ячеек содержит одну выходную обмотку преобразователя и выпрямитель, подключенные к соответствующему химическому источнику тока в батарее, в который согласно изобретению введены контрольная обмотка, которая через дополнительный выпрямительный диод подключена к блоку контроля, который, в свою очередь, соединен с делителем, подключенным к батарее, а цепи питания блока контроля подключены к части батареи, обеспечивающей требуемый уровень питания блока контроля, причем в устройстве в качестве преобразователя используют обратноходовой преобразователь с многообмоточным дросселем, первичная обмотка которого подключена к ключевому элементу, а выходные обмотки через выпрямители к выравнивающим ячейкам.

Изобретение также характеризуется тем, что в него дополнительно введены конденсаторы, которые подключены параллельно выходам каждой выравнивающей ячейки, и светодиод с оптроном в блок контроля.

Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных конструкциях устройств для питания нагрузки, т.е. предлагаемое решение соответствует критерию «новизна».

При анализе известных аналогов и прототипа не обнаружено предложение с совокупностью существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, из чего следует, что для специалистов занимающихся устройствами для питания нагрузки, оно явным образом не следует из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием конструкции устройства для питания нагрузки чертежом, на котором представлена принципиальная схема предлагаемого устройства для питания нагрузки.

Устройство для питания нагрузки содержит первичный источник напряжения 1 для подзарядки батареи 2, состоящей из химических источников тока, например, конденсаторов с двойным электрическим слоем 3, соединенных между собой последовательно, и параллельно к ним подключенный через развязывающие диоды 4 и 5, обратноходовой преобразователь 6 с многообмоточным дросселем 7, выходные обмотки 8 которого через выпрямители 9 и конденсаторы фильтров 10 подключены к соответствующим конденсаторам 3 в батарее.

При этом обмотка положительной обратной связи 11 подключена к схеме управления силовым транзистором 12 обратноходового преобразователя 4, контрольная обмотка 13 через диод 14 подключена к блоку контроля 15, на который сигнал поступает с делителя 16, который подключен к батарее 2, положительная цепь питания 17 блока контроля 15 подключена к части батареи 2, светодиод 18 и оптрон 19 блока контроля 15 и конденсаторы 20.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии источника напряжения 1, питание обратноходового преобразователя 6 осуществляется от батареи 2.

Как известно, обратноходовой преобразователь имеет два цикла работы: на первом цикле силовой транзистор 12 преобразователя открыт, на первичную обмотку дросселя 7 подается напряжение батареи 2 (суммарное напряжение всех конденсаторов 3), под действием которого происходит линейное нарастание тока в первичной обмотке дросселя 7, в сердечнике и воздушном зазоре дросселя запасается электромагнитная энергия.

Эта энергия временно берется из всех конденсаторов 3, при этом доля отбираемой энергии для каждого конденсатора прямо пропорциональна напряжению на нем.

Напряжение на обмотках дросселя в это время определяется напряжением батареи и коэффициентами трансформации между обмотками дросселя 7.

В это время выходные обмотки 8 и контрольная обмотка 13 отключены, т.к. к диодам 9 и 14 приложено обратное напряжение, а напряжение на обмотке положительной обратной связи 11 поддерживает силовой транзистор 12 в открытом состоянии.

Время нахождения транзистора 12 в открытом состоянии определяется элементами преобразователя 6.

На втором цикле, когда силовой транзистор 12 преобразователя 6 закрывают, происходит изменение полярности напряжений на всех обмотках дросселя 7, выходные обмотки 8 дросселя, которые имеют одинаковое число витков, становятся источниками тока и электромагнитная энергия, запасенная в дросселе, возвращается в конденсаторы 3 батареи 2.

Если напряжения на всех конденсаторах 3 одинаковые, то и токи выходных обмоток 8 тоже одинаковые. Происходит возврат энергии равномерно во все конденсаторы 3.

Если отсутствует равенство напряжений на конденсаторах 3, то ток будет протекать только в выходной обмотке, которая подключена через диод к конденсатору с наименьшим напряжением. Напряжения на выходных обмотках в это время уже будут определяться не напряжением батареи, а напряжением на конденсаторе, который больше всех разряжен, произойдет ограничение напряжений на всех выходных обмотках дросселя из-за равенства числа витков в них.

Происходит возврат энергии только в конденсатор с наименьшим напряжением. Напряжение на этом конденсаторе и, следовательно, на всех выходных обмотках дросселя увеличивается, наступает очередь возврата энергии уже в другие конденсаторы, которые раньше имели напряжение немного выше.

Так происходит передача энергии от конденсаторов с большим напряжением к конденсаторам с меньшим напряжением, напряжения на конденсаторах выравниваются.

Напряжение, которое снимают с контрольной обмотки 13 диодом 14, пропорционально напряжению на конденсаторе, который больше всех разряжен. Это напряжение поступает на блок контроля 15, где сравнивается со средним напряжением батареи, которое поступает также на блок контроля 15 с делителя 16.

Если напряжение, снимаемое с контрольной обмотки 13, меньше предельно допустимого значения для конденсаторов 3, то происходит срабатывание компаратора (не показан) и блок контроля 15 выдает сигналы о неисправности одного из конденсаторов батареи 2, визуальный с помощью светодиода 20 и телеметрический - оптроном 19.

Для уменьшения тока потребления от батареи, состоящей из большого количества конденсаторов, питание блока контроля 15 подключено к части батареи 2.

При наличии источника напряжения 1 устройство работает следующим образом.

Если напряжение батареи меньше напряжения источника 1, то питание первичной обмотки обратноходового преобразователя 6 осуществляют от источника напряжения 1.

На первом цикле работы преобразователя 6 электромагнитная энергия, которая запасается в сердечнике и воздушном зазоре дросселя, берется из источника 1.

На втором цикле запасенная электромагнитная энергия дросселя 7 передается в конденсаторы 3 батареи 2, происходит выравнивание напряжений на конденсаторах и последующее повышение этих напряжений до номинального уровня.

Как только напряжение батареи достигнет или станет больше напряжения источника 1, откроется диод 5 и питание первичной обмотки обратноходового преобразователя 6 будет осуществляться от конденсаторов батареи, а источник 1 отключится. В установившемся режиме ток потребления от источника 1 определяется мощностью токов утечек всех конденсаторов 3 и потерями в блоке контроля 15, делителе 16 и преобразователе 6.

Контроль исправности конденсаторов 3 можно осуществлять также путем измерения тока потребления от источника напряжения 1, когда конденсаторы зарядятся до номинального напряжения.

Процесс выравнивания напряжений на конденсаторах возможен, если мощность преобразователя 6 превышает мощность токов утечек всех конденсаторов 3 батареи 2. Мощность преобразователя определяется индуктивностью первичной обмотки дросселя, соотношением между первичной обмоткой дросселя вторичными обмотками, частотой преобразования и напряжением батареи.

В установившемся режиме, когда через выходные обмотки 8 и диоды 9 протекают только токи утечек конденсаторов 3, точность выравнивания напряжений на конденсаторах определяется только разбросом падений напряжений на диодах 9. Для диодов Шоттки эта величина не превышает ±20 мВ.

Для уменьшения индуктивности рассеяния и увеличения связи между обмотками дроссель изготавливается путем параллельной намотки (одним жгутом) всех обмоток на сердечник дросселя. Количество витков первичной обмотки обычно в 3...5 раз больше числа витков выходной обмотки.

Предлагаемая конструкция позволяет совместное использование двух и более устройств для выравнивания напряжений в батарее, в которой количество конденсаторов превышает количество выравнивающих ячеек в одном устройстве, но меньше, чем в двух и более. Для сохранения эффекта выравнивания необходимо, чтобы один или более конденсаторов батареи были общими для двух соседних устройств выравнивания.

Предлагаемое техническое решение позволяет устранить указанные недостатки известных устройств, а именно:

- упростить схемы преобразователя и блока контроля;

- уменьшить себестоимость устройства;

- повысить кпд и надежность работы;

- улучшить массогабаритные показатели;

- снять ограничения на количество конденсаторов в батарее.

В настоящее время натурные и лабораторные испытания устройств подтвердили изложенные выше соображения и достоинства предлагаемых технических решений по сравнению с известными решениями.

1. Устройство для питания нагрузки, содержащее источник напряжения для подзарядки батареи, блок контроля с цепью его питания, батарею, состоящую из химических источников тока, соединенных между собой последовательно, и подключенный параллельно к ним через развязывающие диоды преобразователь, имеющий управляемый ключевой элемент, выравнивающие ячейки, причем каждая из ячеек содержит одну выходную обмотку преобразователя и выпрямитель, подключенные к соответствующему химическому источнику тока в батарее, отличающееся тем, что в него введены контрольная обмотка, которая через дополнительный выпрямительный диод подключена к блоку контроля, который, в свою очередь, соединен с делителем, подключенным к батарее, а цепи питания блока контроля подключены к части батареи, обеспечивающей требуемый уровень питания блока контроля, причем в устройстве в качестве преобразователя используют обратноходовой преобразователь с многообмоточным дросселем, первичная обмотка которого подключена к ключевому элементу, а выходные обмотки через выпрямители к выравнивающим ячейкам.

2. Устройство для питания нагрузки по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введены конденсаторы, которые подключены параллельно выходам каждой выравнивающей ячейки, и светодиод с оптроном в блок контроля.