Зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей

Реферат: Зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей містить блок керування, мікропроцесор, блок індикації, блок задання алгоритму заряду, датчик напруги. Додатково встановлений атенюатор виконує функцію точного вимірювання напруги в широкому діапазоні від 0 В до 180 В, розрядні плати працюють з постійним та імпульсним струмами, датчики температури вмонтовані в пристрій та в акумуляторні батареї. UA 80140 U (12) UA 80140 U UA 80140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки, а саме, до зарядних пристроїв акумуляторних батарей, та дозволяє контролювати ступінь зарядженості акумуляторних батарей. На сучасному етапі розвитку в системах електроживлення широко застосовуються акумуляторні батареї різних типів. Для їх зарядки використовують різні зарядні пристрої - від найпростіших, в яких використовують заряд постійним струмом без контролю за зарядом, до високотехнологічних мікропроцесорних систем, де заряд контролюється за такими параметрами як температура, напруга та струм. Однак, в більшості цих пристроїв не можливо коригувати параметри заряду у процесі їх роботи, що унеможливлює урахування стану, в якому находиться акумулятор, а також використовуються методи заряду, які досить легко реалізуються схемотехнічно, але мають недоліки у порівнянні з методами заряду імпульсним та асиметричним струмами. Відомий зарядний пристрій для свинцевих акумуляторів, заснований на методі заряду "Постійною напругою", який є багатоканальним, модульного принципу, на основі обмеження напруги, з температурною компенсацією, зворотний зв'язок, для стабілізації напруги всіх каналів (Патент України 56567 Н01М 10/06, 2012). Недоліком цього аналога є: застаріла матеріальна база, обмеження по використанню, постійний струм заряду, відсутність захисту від короткого замикання, використовується тільки для кислотних акумуляторів. Відомий пристрій для зарядки акумуляторних батарей, що обладнані оптоелектронним пристроєм приєднання-від'єднання до/від мережі живлення, схемою незалежного захисту від неправильного підключення акумуляторної батареї, а блок керування обладнаний блоком контролю ступеня зарядки акумулятора та автоматичного керування ступеня зарядним струмом, блоком контролю та керування тепловим режимом з датчиками температури (патент № 74875 H02J 7/10, бюл. № 2, 2006 р.) Недоліки цього пристрою: контроль заряду по напрузі, трансформаторна схема живлення, постійний струм заряду, відсутність розряду. Відомий пристрій для зарядки акумуляторних батарей, що містить приєднаний з виходами для підключення акумуляторної батареї управляючий елемент на двох тиристорах, управляючі входи, які з'єднані з виходом релаксаційного генератора, що містить RC-ланцюг керування часом, вхід якого з'єднаний з джерелом стабілізованої напруги, вузлом керування та захисту, який містить перший транзисторний ключ (а.с. СССР № 1365244 H02J 7/10). Недоліком цього аналога є недостатня експлуатаційна надійність через відсутність захисту при перевантаженні у випадку короткого замикання та низька якість функціонування через відсутність захисту при перевантаженнях, а також недостатня якість функціонування через неможливість автоматичного регулювання розміру струму заряду акумуляторної батареї та контролю за її повним зарядженням. Відомий пристрій для автоматичного відключення срібно-цинкових батарей наприкінці зарядки, що містить вузол температурного захисту з використанням поляризованого електромагнітного реле (а.с. SU 176971 А1, кл. Н02Р). Недоліком цього пристрою є: великі масогабаритні характеристики, відсутність температурного вікна на вмикання/вимикання, велике споживання енергії пристроєм. Відомий спосіб (U 2407В, Simple Controller for Fast Charge System, Telefunken Semiconductors, 1995) автоматичного швидкого заряду АБ (акумуляторних батарей) постійним струмом з попереднім формуванням АБ малим струмом до рівня напруги на батареї рівно 1,6 В. На початку заряду активований критерій закінчення заряду -dV, і через 5 хвилин після початку процесу заряду включається критерій закінчення заряду d2V/dt2. Високий рівень зарядного струму Іо підтримується до тих пір, поки не буде визначений по кривій заряду критерій d2V/dt2, після цього рівень струму понижується до 1/4 Іо, і заряд продовжується в межах 20 хвилин, потім рівень понижується до 1/256 Іо, цей рівень продовжується до тих пір, поки батарея установлена. Спосіб призначений для заряду нікель-кадмієвих (NiCd) і нікель-метал-гідритних (NiMH) батарей. Контроль напруги на батареї виконується в паузі зарядного струму з періодом 20, 48 сек. Критерій - dV визначається, якщо різниця між попереднім виміром і дійсною напругою більше 12 мВ для трьох послідовних циклів вимірів. Недоліком цього пристрою є неможливість реалізації заданих заряд-розрядних імпульсних режимів роботи по заданому алгоритму в широкому діапазоні зміни напруги під навантаженням. Відомий пристрій (Авторське свідоцтво СРСР 1275647, Н 02 J 7/10, 1986) виконаний на ШІМперетворювачі з зарядом імпульсним струмом з паузами і періодичним розрядним імпульсом великої амплітуди в паузу зарядного струму. Під дією сигналу ШІМ відкривається транзисторний ключ (ТК1) і енергія джерела постійного струму подається в дросель. Від допоміжної обмотки дроселя заряджається конденсатор. По закінченню сигналу ШІМ ТК1 закривається, а енергія 1 UA 80140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 дроселя у вигляді імпульсу струму подається АБ. При черговій подачі сигналу ШІМ процес продовжується і батарея заряджається імпульсним струмом з паузами. При досягненні напруги конденсатора величина порогової напруги стабілітрона із появою наступного імпульсу з основної обмотки дроселя на управляючий хід транзисторного ключа (ТК2) в ланцюгу управляючого електрода зарядного тиристора останній відкривається. Виникає розряд АБ імпульсом струму великої амплітуди через конденсатор. В наступний момент закриття ТК1 енергія конденсатора повертається в АБ і процес імпульсного заряду з паузами повторюється. По мірі заряду АБ частота зарядних імпульсів струму збільшується автоматично. Недоліком цього аналога є фіксований діапазон завдання режимів асиметричного струму і складність реалізації зміни діапазону, завдання режиму, що скорочує функціональні можливості пристрою. Під час заряду акумуляторних батарей виникає задача заряду батарей з різною кількістю елементів. В цьому випадку для установки режиму заряду необхідне регулювання параметрів зарядного пристрою, а саме заряд-розрядних струмів. Із цього слідує принципіальна неможливість реалізації заданих заряд-розрядних імпульсних режимів роботи по заданому алгоритму в широкому діапазоні зміни напруги при навантаженні. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраний за прототип, є пристрій (Патент Російської Федерації 2134476, Н 02 J 7/10, 1999). Для прискореного заряду акумуляторної батареї асиметричним струмом, маючий схему керування по заданому алгоритму, що містить блок керування, який має однокристалічний мікропроцесор, блок індикації, блок завдання алгоритму заряду, блок запрограмованого режиму заряду, блок датчика напруги, вихід якого підключений до входу блока керування, блок синхронізації, який складається з блоків робочого і початкової синхронізації, входи яких з'єднані, а виходи підключені до блока керування, блок живлення з'єднаний з блоком синхронізації. Обмеження струму в зарядний і розрядний періоди роботи дозволяє управляти випрямлячами безфазового керування. До недоліків прототипу потрібно віднести: фіксований режим заряду, який відповідає окремим типам АБ і складність його живлення, що обмежує функціональні можливості пристрою. Задача корисної моделі полягає в розробці такої конструкції пристрою, яка б мала універсальне призначення, для заряду акумуляторів імпульсними асиметричними струмами по заданому алгоритму в широкому діапазоні зміни напруги під навантаженням. В основу корисної моделі поставлена задача шляхом усунення недоліків прототипу розробити пристрій для заряду акумуляторів різних типів імпульсними асиметричними струмами з підвищеною ефективністю та побудови алгоритмів ефективного керування зарядом акумуляторів. Вирішенню проблеми подовження строку експлуатації акумуляторів присвячена розробка універсального пристрою для заряду акумуляторів імпульсними асиметричними струмами. Поставлена задача корисної моделі вирішується тим, що в пристрій встановлений атенюатор, що виконує функцію точного вимірювання напруги в широкому діапазоні від 0 В до 180 В, розрядні плати працюють з постійним та імпульсним струмами, датчики температури вмонтовані в пристрої та в АБ. Нова програма забезпечує автоматичний заряд - відновлення ємнісних характеристик лужних та кислотних АБ з широким діапазоном регулювання напруги та струму. Для лужних АБ закінчення заряду відбувається по визначенню температури АБ, dV і псевдоємності, для кислотних АБ це температура АБ, напруга АБ та псевдоємність, що забезпечує найбільш точну точку завершення заряду і не допускає кипіння електроліту. Контроль батареї проводять в паузі між зарядним і розрядним імпульсами струму. Нове обладнання зарядки акумулятора проводиться імпульсами спеціальної форми, що дає змогу значно підвищити середній розмір зарядного струму в порівнянні із звичайним режимом заряду постійним струмом і, відповідно прискорити процес зарядки. В залежності від стану АБ швидкість заряду збільшується від 2 до 10 раз. За рахунок асиметричного струму відбувається більш глибоке проникнення струму в пластини АБ, що спонукає збільшення терміну роботи АБ в 1,5-2 рази. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на фіг. 1 представлена принципова схема зарядно-розрядного пристрою акумуляторних батарей, на фіг. 2 зображений графік роботи зарядно-розрядного пристрою акумуляторних батарей в режимі "Таймер". Зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей (див. фіг. 1) складається з низькочастотного трифазного випрямляча 1, згладжуючого фільтра 2, інвертора 3, трансформатора 4, атенюатора 5, вихідного високочастотного випрямляча 6 та LC-фільтра 7, контролю ізоляції 8, плати керування 9, дисплею і клавіатури 10, плати індикації 11. Конструктивно силовий блок виконаний у вигляді моноблока, на якому розміщені всі елементи схеми, за виключенням дроселів згладжуючих фільтрів 2 і трансформатора 4, які конструктивно об'єднані в трансформаторно-реакторний блок. Печатні плати LC-фільтра 7, опторозв'язки і 2 UA 80140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 інвертора 3, разом з IGBT-модулем, датчиком температури і діодами вхідного і вихідного випрямлячів 1, 6, які кріпляться на алюмінієвому охолоджувачі. Внизу бокової частини охолоджувача встановлені два вентилятори. Алгоритм, програма роботи, задані параметри і протокол аварійних ситуацій перетворювача знаходяться в платі керування. Зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей працює таким чином. Напруга мережі надходить на некерований трифазний випрямляч 1, з виходу якого постійна напруга, через згладжуючий LC-фільтр 2, подається для живлення інвертора 3. Інвертор 3 виконаний по півмостовій схемі на основі інтелектуального IGBT-модуля фірми Mitsubishi, що дозволяє застосувати широку імпульсну модуляцію з частотою 18 кГц. Як навантаження в діагональ півмоста включена первинна обмотка трансформатора 4. Напруга з вторинної обмотки випрямляється діодами вихідного випрямляча 6 і через вихідний LC- фільтр 7 надходить на навантаження. В IGBT-модуль 3 вмонтований драйвер керування силовими транзисторами, який виконує наступні функції: - формування сигналів керування транзисторами верхнього і нижнього плечей; - контроль струму і апаратний захист транзисторів; - формування сигналу струмового захисту; - контроль температури кристалу і температурний захист. На платі керування 9 знаходиться прошитий мікропроцесор, який керує роботою пристрою. Контроль ізоляції на вході здійснює плата контроля ізоляції 8. Алгоритми роботи задаються за допомогою клавіатури і відображаються на дисплеї 10 за допомогою плати індикації 11. В джерелі є можливість розбити виробничий цикл на 8 незалежних по вихідних параметрах часового інтервалу. В кожному часовому інтервалі можуть задаватися такі параметри, як струм, напруга, протяжність часового інтервалу, полярність імпульсу (див. фіг. 2). Запрограмовані таймери 1/2/4/5/6/7, кожний з індивідуальними вихідними параметрами струм/час/заряд/розряд. Таймери 2/7 - режим "Розряд". Таймери 3/8 - виключені. Закінчення заряду відбувається по визначенню декількох параметрів: - для лужних АБ - це температура АБ, -dv і визначення псевдоємності; - для кислотних АБ - це температура АБ, напруга АБ і псевдоємність, що дає найбільш точну точку завершення заряду і запобігає кипінню електроліту. Пристрій працює в діапазоні 0-180 В, 1-100А з живленням 380 В або 220 В. Зарядний пристрій дозволяє провести заряд згідно з типовим найбільш часто використовуваним зарядним кривим IUа, IUIa, IOIa, Wa, WOWa, відповідному стандарту DIN 41772, а також по алгоритмах IUoU, IUIoU. Окремо виділені два алгоритма для проведення відновлювальних робіт з кислотними та луговими АБ. Працює зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей в трьох основних режимах роботи. 1. Режим стабілізації струму - проводиться стабілізація зарядного струму в діапазоні 0,3-100 А. 2. Режим стабілізації по напрузі - проводиться стабілізація вихідної зарядної напруги в діапазоні 10-180 В. 3. Режим стабілізації по струму і напрузі (по потужності) - проводиться стабілізація по напрузі і струму в діапазоні 10-180 В і 0,3-100 А. Зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей забезпечує в автоматичних режимах роботи, можливість коригування струму заряду і підзарядної напруги, в залежності від температури акумуляторної батареї. Пристрій забезпечує видачу сигналу "аварія", який формується в таких випадках: - перегріву пристрою; - при повній розрядці акумуляторної батареї; - при зниженні вхідної напруги; - підвищеної вхідної напруги; - перекос напруги в силовому блоці; - поява сигналу "аварія" транзисторів силового блока. Зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей при перенавантаженні або короткому замиканні на виході переходить в режим стабілізації заданого значення струму, за рахунок зниження вихідної напруги. При зникненні або пониженні напруги в мережі нижче допустимого рівня перетворювач виключається. При досягненні температури охолоджувача силового блока вище максимально-допустимого значення пристрій виключається. 3 UA 80140 U 5 10 15 20 25 30 При імпульсному режимі заряду задається тривалість імпульсів, їхня амплітуда, шпаруватість, форма, чергування імпульсів різної полярності (асиметричний заряд) тощо. Аналіз перехідних процесів при заряді акумуляторної батареї асиметричним струмом дозволяє отримати інформацію про характер явищ, що відбуваються в акумуляторі, та визначає момент закінчення заряду по відстеженню всевдоємності. Технічний результат - розширення функціональних можливостей, зменшення маси і габаритів пристрою, скорочення часу заряду, збільшення терміну використання акумуляторних батарей. Економічна ефективність технічного рішення полягає в забезпеченні подовження строку експлуатації акумуляторних батарей в 1,5-2 рази, що опосередковано приведе до зменшення забруднення навколишнього середовища, зменшить фінансові затрати на технічне обслуговування батарей та на оновлення парку батарей. Зменшена маса і габаритні розміри пристрою, розширені його функціональні можливості та скорочений час зарядки акумуляторів від 2 до 10 раз. Запропонований пристрій дозволить контролювати ступінь зарядженості акумуляторних батарей. Експлуатаційними випробуваннями встановлено, що на зарядку одного акумулятора зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей витрачає на 5-10 % менше електричної енергії в порівнянні з аналогами та прототипом, що скорочує термін його окупності. Коефіцієнт корисної дії пристрою становить не менше 0,92. Зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей надійний та економічний в роботі. Порівняльний аналіз технічного рішення, яке заявляється з прототипом, дозволяє зробити висновок, що створений зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей забезпечує заряд акумуляторних батарей імпульсним асиметричним струмом по заданому алгоритму в широкому діапазоні напруги під навантаженням. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Зарядно-розрядний пристрій акумуляторних батарей, що містить блок керування, мікропроцесор, блок індикації, блок задання алгоритму заряду, датчик напруги, який відрізняється тим, що встановлений атенюатор виконує функцію точного вимірювання напруги в широкому діапазоні від 0 В до 180 В, розрядні плати працюють з постійним та імпульсним струмами, датчики температури вмонтовані в пристрій та в акумуляторні батареї. 4 UA 80140 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5