УСТРОЙСТВО ЗАРЯДНОЕ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для заряда аккумуляторных батарей. В зависимости от типа электропитания и типа выходного напряжения устройство зарядное позволяет производить заряд от сети постоянного или переменного тока аккумуляторных накопителей электрических силовых установок транспортных средств как переменным так и постоянным током.
Известно устройство зарядное для аккумуляторных батарей (патент РФ на полезную модель №44892, H02J 7/10, от 21.06.2004 г.), состоящее из источника питания соединенного с фильтром радиопомех, который через входной автоматический выключатель соединен с корректором коэффициента мощности, последний соединен с вентилятором, вспомогательным источником питания и конверторами, при этом конверторы снабжены автоматическими выключателями, установленными на выходах конверторов, последние имеют выходные каналы и через автоматические выключатели соединены с заряжаемыми аккумуляторными батареями, при этом вспомогательный источник питания соединен с корректором коэффициента мощности и конверторами для обеспечения питания их цепей управления установленным напряжением - одно для корректора коэффициента мощности и три различных для конверторов. Каждый конвертор имеет индикацию аварийного состояния, и индикацию режимов стабилизации тока и стабилизации напряжения при автономной работе конверторов, а также при последовательном или параллельном соединении выходных каналов.
Недостатком данного устройства является невысокая надежность.
Известно зарядно-разрядное устройство (патент РФ №2165669, H02J 7/10, 21.12.1999 г.), содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй транзисторы и диоды, сток и катод первых из которых подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, их исток и анод соединены с первым выводом дросселя и стоком и катодом вторых транзистора и диода, исток и анод которых подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, при этом в устройство введены: исток дополнительного транзистора и катод дополнительного диода подключены ко второму выводу дросселя, сток дополнительного транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора фильтра, а анод дополнительного диода подключен к общему проводу схемы, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения источника питания и нагрузки. Устройство предназначено, в частности, для проведения восстановительных циклов, включающих глубокий поэлементный разряд АБ на индивидуальную активную нагрузку.
Недостатком известного устройства является возможность работы только от источника постоянного напряжения.
1
n
вых
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является устройство питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей (патент РФ на полезную модель №64824, H02J 7/00, H02M 7/12, от 09.01.2007 г.) Устройство включает в себя коммутатор, коммутирующий входы n преобразователей напряжения 2-2 по сети питания. На выходе каждого преобразователя напряжения включено устройство слежения, образуя n параллельно соединенных цепочек из последовательно включенных преобразователей и устройств слежения, выходы которых соединены со входом датчика тока, выходы управления подключены к контроллеру, выходы сигналов уравнивания к входам управления соответствующих преобразователей, а выходы сигналов выравнивания токов объединены шиной. Блок защиты от переполюсовки АБ подключен к выходу датчика тока, соединенного с измерителем выходного напряжения и является выходом устройства U для подключения (АБ) или нагрузки. Выходы управления датчика тока и измерителя напряжения соединены с контроллером. Панель управления и индикации представляет собой автономную микропроцессорную систему с многофункциональным жидкокристаллическим графическим индикатором, связанную с контроллером через порт RS-485 интерфейса. Блок контроля тепловых процессов выходом подключается к исполнительному устройству вентиляции, а вход подключен к контроллеру, сигналы на который поступают через блок от датчиков температуры, установленных на корпусах радиаторов преобразователей. Блок дистанционного контроля состояния АБ и подключен входом напряжения к выходу устройства, управляющим входом через интерфейс к контроллеру, а выход его является клеммами для подключения АБ. Устройство слежения включает низкоомный шунт, блок выравнивания токов, блок слежения напряжения и сумматор.
Недостатком известной модели является ограниченный диапазон и вид выходных параметров напряжения.
Задача, на которую направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей за счет увеличения диапазона и вида входных и выходных параметров напряжения, унификация конфигурации устройства по входным и выходным параметрам.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве зарядном для аккумуляторных батарей (далее ЗУ) используется унифицированный многофункциональный преобразователь электроэнергии на основе четырехквадрантного преобразователя напряжения и система коммутации входных и выходных силовых электрических цепей.
В зависимости от типа электропитания и типа выходного напряжения ЗУ имеет четыре варианта конфигурации:
1. Электропитание - трехфазная сеть 50 Гц 380 В переменного тока; выходное напряжение - трехфазное 50 Гц 100…400 В.
2. Электропитание - трехфазная сеть 50 Гц 380 В переменного тока; выходное напряжение - 100…750 В, 5…200 А постоянного тока.
3. Электропитание - цепь постоянного тока 600…750 В; выходное напряжение - трехфазное 50 Гц 100…400 В.
4. Электропитание - цепь постоянного тока 600…750 В; выходное напряжение - 100…750 В, 5…200 А постоянного тока.
Структурная схема ЗУ, удовлетворяющая условиям данных конфигураций входных и выходных параметров представлена на фиг.1.
В состав ЗУ входят следующие функциональные узлы: коммутатор сетевого и выходного напряжения, выполненный как система коммутации входных и выходных силовых электрических цепей (СКВВСЭЦ), преобразователь напряжения, выполненный как унифицированный многофункциональный преобразователь энергии (УМПЭ), схема управления, выполненная как блок управления верхнего уровня.
Система коммутации входных и выходных силовых электрических цепей представляет собой комплекс конфигурируемой коммутационной и защитной аппаратуры. В зависимости от подключенного к ЗУ напряжения питания и вида потребителя, система коммутации входных и выходных силовых электрических цепей устанавливает необходимую конфигурацию внутренних автоматов и контакторов таким образом, чтобы обеспечить требуемый режим работы УМПЭ.
В управляющую часть СКВВСЭЦ входят: две платы датчиков, две платы регулятора, две платы управления контакторами, блок управления верхнего уровня, плата коммутации, блок питания собственных нужд, термостат.
Контакторы К1-К8 и автоматические выключатели QF1-QF4 в СКВВСЭЦ предназначены для ввода питающего напряжения в УМПЭ, создание требуемого типа преобразования в ЗУ и вывода напряжения на нагрузку.
Платы управления контакторами 1, 2 в СКВВСЭЦ содержат контроллеры с программами управления состоянием контакторов К1…К8. Котроллеры в соответствии с командами от блока управления верхнего уровня устанавливают необходимые комбинации состояний контакторов для получения вышеописанных видов преобразования напряжения.
Платы датчиков 1, 2 осуществляют гальваническую развязку сигналов и содержат преобразователи уровней измеренных сигналов токов и напряжений для подачи на измерительные цепи плат регуляторов.
Платы регуляторов 1, 2 построены на базе микроконтроллеров и осуществляют алгоритмы управления УМПЭ. Они формируют управляющие ШИМ сигналы pwm1…6 для IGBT-транзисторов блока преобразователя и подают их на платы драйверов 1, 2 блока преобразователя УМПЭ.
Плата регулятора 1 организует управление через плату драйверов 1 входным каскадом УМПЭ. Величины входных напряжений Ua, Ub, Uc и токов Ia, Ib, Ic, а также величина напряжения на промежуточной шине постоянного тока Udc вх. поступают в плату регулятора 1 из платы датчиков 1.
Плата регулятора 2 организует управление через плату драйверов 2 выходным каскадом УМПЭ. Величины выходных напряжений Uu, Uv, Uw и токов Iu, Iv, Iw а также величина напряжения на промежуточной шине постоянного тока Udc вых. поступают в плату регулятора 2 из платы датчиков 2.
Плата коммутации выполняет функции сигнальной шины, шины управления и шины питания, обеспечивает необходимую связь между платами, а также другими элементами ЗУ.
Блок управления верхнего уровня отвечает за общий алгоритм функционирования ЗУ и человеко-машинный интерфейс. Обмен данными между микроконтроллерами плат управления контакторами, плат регулятора и платой управления верхнего уровня осуществляется по интерфейсу CAN.
Унифицированный многофункциональный преобразователь электроэнергии (УМПЭ), построен по топологии четырехквадрантного преобразователя, состоящего из двух трехфазных мостов, шести дросселей, шести датчиков тока, конденсаторов в промежуточной цепи постоянного тока, трех фильтрующих входных конденсаторов и трех фильтрующих выходных конденсаторов. Платы драйверов 1, 2 УМПЭ предназначены для гальванической развязки и преобразования уровней ШИМ сигналов pwm1…3 и pwm4…6 от плат регуляторов 1, 2 до уровней необходимых для управления транзисторами V1…V12 блока преобразователя. Конденсаторы C1…С6 служат для фильтрации высокочастотных составляющих токов преобразователя. Датчики тока D1…D6 УМПЭ измеряют текущие значения токов в силовых электрических цепях.
Работает устройство следующим образом. При достижении внутри шкафа устройства температуры заданного значения термостат включает блок питания собственных нужд. Температура внутри шкафа регулируется собственной системой климат-контроля, что позволяет расширить диапазон климатических применений устройства.
Контактор К9 осуществляет автоматическое подключение блока питания собственных нужд к сети постоянного или переменного напряжения, в зависимости от типа питающей сети. При появлении на блоках и платах устройства напряжения питания собственных нужд 24 В блок управления верхнего уровня получает данные от платы регулятора 1 о типе питающей сети, в соответствии с которым по команде от пользователя конфигурирует входные контакторы СКВВЭЦ.
При электропитании ЗУ от трехфазной сети 380 В 50 Гц ввод переменного напряжения питания осуществляется через автоматический выключатель QF1. Контактор К1 обеспечивает подачу переменного напряжения питания в УМПЭ (фиг.1).
Входной каскад УМПЭ (фиг.2) выполняет функции активного выпрямителя. СКВВСЭЦ в данном режиме работы ЗУ производит подключение напряжения трехфазной сети к цепям входного каскада УМПЭ (контактор К1 включен). Принцип работы активного выпрямителя основан на работе повышающего преобразователя с двумя контурами обратной связи - по форме потребляемого тока и по выходному напряжению выпрямителя.
Плата регулятора 1 управляет транзисторами V1…V6 таким образом, что коэффициент потребляемой мощности СЗУ близок к единице, а выходное напряжение в промежуточной цепи постоянного тока стабилизировано на уровне 750 В.
При электропитании ЗУ от цепи постоянного тока напряжением 600…750 В ввод постоянного напряжения питания осуществляется через автоматический выключатель QF2. Контакторы К2…К4 обеспечивают подачу постоянного напряжения питания в УМПЭ.
СКВВСЭЦ в данном режиме работы замыкает между собой цепи A, B, C входного каскада (контактор К4 включен) и подает на них постоянное напряжение +600…750 В относительно цепи - Ud (контакторы К2 и К3 включены). Входной каскад выполняет функции многофазного повышающего преобразователя постоянного напряжения, обеспечивающего стабилизированное выходное напряжение Ud=750 В в промежуточной цепи постоянного тока. Объединение цепей A, B и C входного каскада и соответствующий алгоритм управления IGBT-транзисторами V2, V4 и V6 организуют многофазное преобразование постоянного напряжения.
Тип выходного напряжения и параметры заряда определяет пользователь устройства или, по аналогии с зарядными станциями стандарта ChaDeMo, данные параметры могут быть переданы от потребителя по протоколу CAN. Плата управления контакторами 2 управляет выходными контакторами К5…К8, а также обеспечивает защиту от запрещенных комбинаций включения контакторов.
В режиме переменного трехфазного выходного напряжения 50 Гц 100…400 В подключение нагрузки к УМПЭ осуществляется через автоматический выключатель QF3 и контактор К5.
Выходной каскад выполняет функции трехфазного инвертора. IGBT транзисторы V7…V12 управляются платой регулятора 2. СКВВСЭЦ в данном режиме работы ЗУ подключает выходной каскад УМПЭ к выходу ЗУ (контактор К5 включен).
В режиме выходного напряжения ЗУ 100…750 В постоянного тока подключение нагрузки к УМПЭ осуществляется через автоматический выключатель и контакторы К6…К8 и диоды VD1…VD3.
Выходной каскад выполняет функции понижающего преобразователя постоянного напряжения, обеспечивая стабилизированный зарядный ток в аккумуляторной батарее с ограничением выходной мощности. СКВВСЭЦ в данном режиме работы ЗУ через диоды VD1…VD3 замыкает между собой цепи U, V и W выходного каскада (контактор К6 включен) и подключает выход данного каскада к аккумуляторной батарее относительно цепи - Ud (контакторы К7 и К8 включены). Понижающий преобразователь постоянного тока работает в многофазном режиме. Данный режим позволяет получить больший выходной ток, чем в режиме переменного трехфазного выходного напряжения, используя те же активные и пассивные элементы в УМПЭ, что и при работе в режиме инвертора.
Топология УМПЭ, построенного по схемотехнике четырехквадрантного преобразователя на основе двух трехфазных мостов, имеет ряд преимуществ.
Независимо от типа питающего и выходного напряжения ЗУ в преобразовании участвуют одни и те же активные и пассивные компоненты унифицированного преобразователя. Система коммутации ЗУ осуществляет необходимое для требуемого режима работы подключение входных и выходных цепей УМПЭ.
Входной и выходной каскад УМПЭ симметричен, что позволяет разработать идентичные для входного и выходного каскада аппаратные реализации систем управления, различие появляется только на уровне программного обеспечения. Помимо этого, во входном и выходном каскаде применяются одинаковые индуктивные элементы и IGBT-модули, что позволяет сократить номенклатуру сборочных единиц и получить без применения дополнительных компонентов втрое больший максимальный выходной постоянный ток за счет параллельной работы трех полумостов на IGBT-модулях и трех дросселей выходного каскада УМПЭ.
Применение активного выпрямителя позволяет потреблять качественный ток из трехфазной сети с коэффициентом мощности, близким к 1. Этот показатель полностью соответствует отечественным требованиям по электромагнитной совместимости в части эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока в сеть.
Работоспособность предлагаемого устройства проверена на опытном образце.
Предлагаемое устройство позволяет значительно расширить область практического применения в сравнении с прототипом.