Пристрій регулювання напруги автомобільного генератора

Номер патенту: 31853

Опубліковано: 25.04.2008

Автор: Бездєнєжних Ігор Борисович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Пристрій регулювання напруги автомобільного генератора, що містить задавальний генератор, формувач імпульсів змінної шпаруватості, на вхід "запуску" якого підключений задавальний генератор, вихідний ключ обмотки збудження генератора, зв'язаного з виходом формувача імпульсів змінної шпаруватості, мостовий вимірювальний елемент, виконаний на базі датчиків напруги і температури, вимірювальні входи якого підключають до клем акумуляторних батарей, компаратор, перший вхід якого зв'язаний з виходом датчика напруги, а вихід - з керуючим входом формувача імпульсів змінної шпаруватості, який відрізняється тим, що для збереження позитивного зарядного балансу він додатково містить програмний блок, виконаний на базі мікроконтролера, цифро-аналоговий перетворювач, вхід якого зв'язаний за допомогою порту введення-виведення з мікроконтролером, а вихід - з іншим входом компаратора, комутатор сигналів, вихід якого підключено на вхід порту введення-виведення мікроконтролера, а керуючий вхід зв'язаний з вимикачем стартера, послідовно ввімкнені датчик струму стартера і перетворювач напруги на частоту "струму стартера", вихід якого зв'язаний з першим входом комутатора сигналів, послідовно з'єднані датчик струму зарядки, перетворювач напруги на частоту "струму зарядки", вихід якого зв'язаний з іншим входом комутатора сигналів, вузол сполучення сигналу динамічної корекції, вхід якого підключено до вимикача стоп-сигналу, а вихід з'єднаний з одним із входів порту введення-виведення мікроконтролера.

2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що програмний блок додатково зв'язаний за допомогою порту введення-виведення з блокувальним входом вихідного ключа обмотки збудження генератора, а іншим портом уведення-виведення - з вихідним ключем нагрівача електроліту.

Текст

Корисна модель належить до автомобільного електрообладнання, зокрема до регулювальних пристроїв системи електропостачання, що забезпечують задану якість напруги бортмережі та одночасно сприятливі умови для зарядки акумуляторних батарей за будь-яких умов експлуатації. Однією з найбільш важливих проблем регулювання в системах електропостачання є не тільки стабілізація напруги бортової мережі, але і приведення її рівня відповідно до зарядних характеристик акумуляторних батарей (АКБ). Це забезпечує збереження позитивного енергобалансу та можливість підвищення терміну експлуатації АКБ. Однак продовження терміну служби батарей залежить не тільки від якості регульованої напруги автомобільного генератора, але значною мірою від інших причин. Заведено вважати, що довговічність і надійність роботи АКБ у системі електроживлення визначається якістю його обслуговування, головна умова якого на практиці зводиться до підтримки 75% ступеня зарядки від номінальної ємності, як передбачено ОСТ 37.001.052-2000. Виконання цієї умови в процесі експлуатації забезпечує гарантований 2÷3 - річний ресурс для середньостатистичного АКБ, що істотно менше, ніж його потенціальний ресурс. Розв'язання проблеми підвищення ресурсу акумулятора - в істотному коригуванні процесу зарядки з урахуванням зовнішніх чинників експлуатації. Так, якщо ввести безпосередній контроль температури електроліту АКБ, його розрядно-зарядного процесу, а також режиму руху автомобіля, з'являється можливість оперативно коригувати і виконувати процес зарядки оптимальним способом. Задоволення суперечливих вимог АКБ і різних елементів електрообладнання можливо при реалізації нелінійного закону змін напруги в межах допустимого діапазону, що визначають зарядними характеристиками конкретних типів АКБ. У першу чергу це пов'язано з температурною стабілізацією напруги. Наступним кроком у підвищенні довговічності і надійності АКБ може бути облік особливостей зарядно-розрядного процесу, пов'язаного з циклічним і буферним режимами роботи АКБ. Це особливо важливо при частих пусках двигуна, характерних для міського руху або ускладнених пусках у зимовий період експлуатації. Новим аспектом забезпечення більш повного заряду можна вважати врахування режиму руху автомобіля в міських умовах. За аналогією з принципом «рекуперації» накопичена кінетична енергія в процесі гальмування може бути використана для додаткового заряду АКБ, а при низьких температурах, коли процес зарядки ускладнений, для його підігріву. Відомий пристрій регулювання [Патент RU 2040843, кл. H02J7/00, H02J7/14 Регулятор напряжения /Адамчук А.В. (Россия). - №94000523/07; Заявл. 01.05.94. Опубл. 25.07.95]. Пристрій здійснює дворівневе регулювання, що дозволяє виміряти і запам'ятати величину розрядної ємності, витраченої на пуск двигуна стартером. Під час роботи двигуна пристрій встановлює оптимальну для циклічного режиму зарядну напругу і підтримує її за часом до повної компенсації витраченого під час пуску заряду, після чого встановлюється напруга, оптимальна для буферного режиму. Утім, до недоліків даного пристрою можна віднести спрощений підхід до процесу контролю розряду стартера. У пристрої фіксується тривалість (Тр) увімкнення стартера під час пуску двигуна, протягом якого відбувається інтенсивний розряд АКБ струмом (Ір), споживаним стартером. При цьому час форсованого підзаряду (Тз) визначають з умови забезпечення рівності розрядної та зарядної ємності Ір*Тр=Iз*Тз* hс, де hс віддача за ємністю. Проте в цьому випадку виникає висока похибка, на приклад, не враховується температурна залежність коефіцієнта віддачі по ємності. Недоліком даного пристрою також можна вважати відсутність обмеження форсованого заряду в момент закінчення пуску, що скорочує термін служби АКБ. Відомий пристрій регулювання [Патент RU 2040842, кл. H02J 7/00, H02J 7/24 Регулятор напряжения /Адамчук А.В., Унакафов М.А. (Россия). -№93045806/07. Заявл. 03.09.93. Опубл.25.07.95], який здійснює регулювання з урахуванням перетворення надмірної кінетичної енергії гальмування автомобіля, що дозволяє підвищити паливну економічність і забезпечує додаткову підзарядку АКБ. Утім, до недоліків можна віднести те, що пристрій розв'язує тільки окрему задачу, при якій відсутній зв'язок між величиною потужності, відібраною від двигуна на привід генератора, і режимом руху автомобіля. Запропонований у пристрої принцип відбору додаткової потужності, за рахунок підвищення зарядної напруги стає неприйнятним під час експлуатації автомобіля при низьких температурах. Відомий також пристрій регулювання [Патент UA 18024, кл. H02J 7/04. Пристрій регулювання напруги автомобільного генератора/ Бездєнєжних І.Б., Фомовська О.В. (Україна).- №u200605101. Заявл. 10.05.2006. Опубл. 16.10.2006. Бюл. №10, 2006.] вибраний як найближчий аналог. Пристрій забезпечує високу якість бортової напруги, при якій точність підтримки вихідної напруги не перевищує - 0,1В, при цьому зміни відстежують не за станом напруги в бортмережі, а на клемах АКБ. Пристрій має просте схемотехнічне рішення, що є важливим чинником для підвищення надійності автомобільної електроніки. У пристрої передбачено ланцюг автоматичної зміни зарядної напруги за зміною температури, що забезпечує належний збіг вихідних характеристик пристрою із зарядними характеристиками АКБ. Однак, як і попередній регулятор, цей пристрій не забезпечує оптимальний режим зарядки через відсутність урахування режиму зарядки, а також додаткової підзарядки при зміні динаміки руху автомобіля. В основу корисної моделі поставлено завдання розробити такий пристрій регулювання напруги автомобільного генератора, який би забезпечував збереження позитивного енергобалансу за рахунок оперативного коригування процесу заряду за результатами контролю температури електроліту, прямого оцінювання розрядно-зарядного процесу, урахуванню динаміки руху автомобіля і у такий спосіб дозволяв збільшити ресурс і термін експлуатації АКБ. Також під час реалізації нелінійного закону змін напруги, пов'язаного з його температурною корекцією передбачити можливість обмеження меж регулювання відповідно до зарядних характеристик конкретних типів АКБ, а у випадку експлуатації при низьких температурах, коли процес зарядки ускладнено, використовувати додаткову енергію під час гальмування для підігріву електроліту АКБ. Поставлене завдання розв'язують тим, що пристрій регулювання напруги автомобільного генератора, відповідно до корисної моделі, містить задавальний генератор, формувач імпульсів змінної шпаруватості, на вхід "запуску" якого підключений задавальний генератор, вихідний ключ обмотки збудження генератора, зв'язаного з виходом формувача імпульсів змінної шпаруватості, мостовий вимірювальний елемент, виконаний на базі датчиків напруги і температури, вимірювальні входи якого підключають до клем АКБ, компаратор, перший вхід якого зв'язаний з виходом датчика напруги, а вихід з керуючим входом формувача імпульсів змінної шпаруватості, а також додатково містить програмний блок, виконаний на базі мікроконтролера, цифроаналоговий перетворювач вхід якого зв'язаний за допомогою порту введення-виведення з мікроконтролером, а вихід - з іншим входом компаратора, комутатор сигналів, вихід якого підключено на вхід порту введеннявиведення мікроконтролера, а керуючий вхід зв'язаний з вимикачем стартера, послідовно ввімкнені датчик струму стартера і перетворювач напруги на частоту «струму стартера», вихід якого зв'язаний з першим входом комутатора сигналів, послідовно з'єднані датчик струму зарядки, перетворювач напруги на частоту «струму зарядки», вихід якого зв'язаний з іншим входом комутатора сигналів, вузол сполучення сигналу динамічної корекції, вхід якого підключено до вимикача «стоп-сигналу», а вихід з'єднаний з одним із входів порту введеннявиведення мікроконтролера. Поставлена мета досягається також тим, що програмний блок додатково зв'язаний за допомогою порту уведення-виведення з блокувальним входом вихідного ключа обмотки збудження генератора, а іншим портом уведення-виведення з вихідним ключем нагрівача електроліту. Сутність побудови регулятора напруги автомобільного генератора показано на блок-схемі. Пристрій регулювання напруги автомобільного генератора містить задавальний генератор 1, вихід якого підключено на вхід "запуску" формувача імпульсів змінної шпаруватості 2, вихід якого зв'язано з вихідним ключем обмотки збудження 3, мостовий вимірювальний елемент 4, виконаний на базі датчиків напруги 5 і температури 6, вимірювальні входи якого підключають до клем АКБ, вихід датчика напруги 5 підключається на перший вхід компаратора 7, вихід якого зв'язано з керуючим входом формувача імпульсів змінної шпаруватості 2, послідовно з'єднані датчик струму зарядки 8, перетворювач напруги на частоту 9 "струму зарядки", вихід якого зв'язано з першим входом комутатора сигналів 10, послідовно ввімкнені датчик струму стартера 11 і перетворювач напруги на частоту 12 "струму стартера", вихід якого зв'язано з іншим входом комутатора сигналів 10, керуючий вхід якого зв'язано з вимикачем стартера, а вихід підключено на порт уведення-виведення мікроконтролера 13, який зв’язано за допомогою портів уведення-виведення з блокувальним входом вихідного ключа обмотки збудження генератора 3 і датчиком температури 6, а за допомогою іншого порту введення-виведення зв'язаний з цифроаналоговим перетворювачем 14, вихід якого підключено на другий вхід компаратора 7, вузол сполучення сигналу динамічної корекції 15, вхід якого підключено до вимикача «стоп-сигналу», а вихід з'єднаний з одним із входів порту введення-виведення мікроконтролера 13, вихідний ключ нагрівача електроліту 16 підключено на порт введення-виведення мікроконтролера 13. Пристрій працює в такий спосіб. Після подачі живлення на пристрій регулювання задавальний генератор 1 виробляє короткі імпульси запуску формувача імпульсів змінної шпаруватості 2, з виходу якого на вихідний ключ обмотки збудження 3 надходять імпульси з постійною частотою і змінною шпаруватістю, що приводить до зміни часу підключення обмотки збудження. Середнє значення струму пропорційно до відносної тривалості імпульсів напруги, що надходять на обмотку збудження. Тривалість цих імпульсів, визначають рівнем сигналу на керуючому вході формувача імпульсів змінної шпаруватості 2, що, у свою чергу, визначається станом компаратора 7. При збігу напруги на датчику напруги 5, що контролює бортову мережу і напруги, яка формується на виході цифро-аналогового перетворювача 14 після оброблення у мікроконтролері 13 сигналу з датчика температури 6, пропорційного до температури електроліту компаратор 7 переходить у відкритий стан. При перевищенні заданого рівня компаратор закривається, а напруга в мережі починає зменшуватися, що в деякий момент приведе до нового спрацьовування компаратора 7 і повторення описаного процесу. У такий спосіб пристрій миттєво відпрацьовує найменші відхилення напруги генераторної установки. З метою забезпечення оптимальних режимів мостовий вимірювальний елемент 4 установлюють безпосередньо на АКБ. Датчиком напруги 5 слугує термонезалежний резистивний дільник. Датчик температури 6 являє собою термочутливий дільник напруги з негативним температурним коефіцієнтом, що вибирають з розумінь пропорційності зміни зарядної напруги від зміни температури. У режимі пуску двигуна автомобіля комутатор сигналів 10 за сигналом з вимикача стартера забезпечує вимір струму стартера. Спадання напруги на струмовому датчику 8, як такий може використовуватися штатний сполучний кабель "АКБ - стартер", у перетворювачі напруги на частоту 9 "струму стартера" формується в сигнал, пропорційний до пускового струму стартера. Результаті вимірів із заданою дискретністю автоматично зчитуються мікроконтролером 13 і обробляються програмним способом. Отриманий результат розрахунку величини розрядної ємності фіксується в енергонезалежній пам'яті. Після завершення перехідних процесів електростартерного пуску і прийняття двигуном навантаження комутатор сигналів 10 змінює свій стан і переводить мікроконтролер 13 у режим контролю зарядного процесу АКБ від генератора під час руху автомобіля. Напруга з вимірювального датчика струму зарядки 11, як такий можна використовувати шунт амперметра, надходить на вхід перетворювача напруги на частоту 12 "струму зарядки". Оскільки функція перетворення лінійна, частота на виході прямо пропорційна до струму зарядки-розрядки. Коефіцієнт перетворення вибрано таким, щоб один вихідний імпульс відповідав електричному заряду 1А*ч. У результаті оброблення отриманих даних у мікроконтролері 13, з урахуванням попереднього розрахунку залишкової ємності, контролюється поточне значення ємності АКБ, а також формується підвищення зарядної напруги, яке оптимальне для циклічного режиму роботи АКБ. У такому режимі робота генераторної установки триває до відновлення втраченого під час пуску заряду, після чого встановлюється знижена напруга, яка оптимальна для буферного режиму зарядки. При цьому температурна корекція виконується в установлених раніше межах. Якщо двигун буде зупинено до закінчення компенсаційного періоду, то величину залишкової ємності враховують під час подальших електростартерних пусків, а описані процедури повторюються. Для запобігання наслідкам форсованого заряду програмний блок передбачає обмеження первинного кидка зарядного струму. Можливість виникнення перезаряду АКБ, наприклад, у літній період експлуатації автомобіля, запобігається сигналом блокування вихідного ключа обмотки збудження генератора, який надходить від мікроконтролера 13. Функція додаткового заряду реалізується за сигналом гальмування, що надходить на мікроконтролер 13 від вузла сполучення сигналу динамічної корекції 15, підвищенням опорної напруги на виході цифро-аналогового перетворювача 14 і відповідним зростанням напруги на клемах акумулятора. Це викликає збільшення зарядного струму АКБ і супроводжується відповідним збільшенням частки потужності двигуна, яка відбирається для приводу генератора, що дозволяє перетворити частішу кінетичної енергії автомобіля гальмівною системою, що марно поглинається під час гальмування, на додатковий електричний заряд. У момент припинення режиму гальмування початковий рівень опорної напруги відновлюється. Оскільки напруга на АКБ не може зменшитися до колишнього рівня стрибком, то компаратор 7 на деякий час переходить у стійкий стан, а обмотка збудження генератора знеструмлюється. При цьому генератор практично не споживає потужність від двигуна, а всі споживачі електроенергії живляться від акумулятора, використовуючи додатковий заряд енергії, отриманий під час гальмування. Таким чином, під час руху автомобіля в циклічному режимі, коли за гальмуванням йде розгін, частка потужності двигуна на привід генератора зростає під час гальмування і знижується тоді, коли є її дефіцит, що покращує паливну економічність. У випадку експлуатації автомобіля при низьких температурах отримання додаткової енергії за рахунок підвищення напруги зарядки неможливе, оскільки процес зарядки в цих умовах обмежений. У цьому випадку додатковий відбір потужності насамперед можна використовувати для поліпшення теплового режиму АКБ, для чого мікроконтролер 13 видає команду на ввімкнення нагрівача електроліту. Це сприяє поліпшенню зарядного процесу, а також поліпшенню пускових характеристик. Таким чином, запропонована корисна модель забезпечує: - високу стабільність напруги бортової мережі за рахунок широтноімпульсного принципу регулювання; - узгодження із зарядними характеристиками АКБ за рахунок температурної корекції; - оптимальний режим зарядки за рахунок коригувань за наслідками прямого контролю зарядно-розрядного процесу; - додаткову підзарядку АКБ у процесі гальмування автомобіля; - підвищення терміну служби АКБ за рахунок підтримки позитивного зарядного балансу.

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Device for regulating voltage of automobile oscillation

Автори англійською

Bezdieniezhnykh Ihor Borysovych

Назва патенту російською

Устрорйство регулирования напряжения автомобильного генератора

Автори російською

Безденежных Игорь Борисович

МПК / Мітки

МПК: H02J 7/04

Мітки: напруги, пристрій, генератора, автомобільного, регулювання

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/3-31853-pristrijj-regulyuvannya-naprugi-avtomobilnogo-generatora.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Пристрій регулювання напруги автомобільного генератора</a>

Подібні патенти