Зарядно-разрядное устройство аккумуляторных батарей
BATTERY CHARGER/DISCHARGER

Изобретение относится к электротехническим устройствам, в частности к зарядно-разрядным станциям аккумуляторных батарей и может быть использовано для зарядки-разрядки аккумуляторных батарей различных типов, как пусковых, для двигателей внутреннего сгорания, так и тяговых, для электротранспортных средств наземного и подземного типа, таких как: электропахотные агрегаты канатной тяги, оборудования и установки для выполнения различных полевых работ или электротехнологических операций, рудничные электровозы и шахтные подвесные монорельсовые локомотивы на аккумуляторной тяге.
Известно зарядное устройство УЗА-200-230 У5, предназначенное для зарядки аккумуляторных батарей электровозов. Конструктивно зарядное устройство выполнено в виде шкафа, в котором установлены силовой блок, состоящий из трансформатора и силовых вентилей; сглаживающий дроссель; блок питателя; блок управления; блок фазоимпульсного управления тиристорами; блок сигнализации; датчик тока; реле контроля тока утечки. Известное зарядное устройство предназначено для реализации режимов зарядки аккумуляторных батарей при постоянной силе тока, при постоянном напряжении и комбинированный с автоматическим переходом с первого режима на второй при заданном значении зарядного напряжения. Отключение зарядного устройства по окончанию процесса зарядки осуществляется автоматически при помощи электронного реле времени. При нелинейной зависимости изменения емкости батареи в процессе заряда в известном зарядном устройстве в качестве программного устройства может применяться счетчик ампер часов. Следующим этапом развития известного зарядного устройства является устройство ЗУ120/77-128, которое выполняет такие же функции, как и УЗА-200-230 У5 с применением микропроцессорной схемы управления режимами заряда и реализацией защиты от перегрева электролита заряжаемого аккумулятора [1].
Недостатком является то, что перед началом зарядки аккумуляторной батареи не выполняется автоматический контроль технического состояния аккумулятора, степени заряженности и степени старения аккумулятора, от которых в значительной мере зависит режим заряда батареи. В процессе зарядки аккумуляторной батареи также не контролируется ее степень заряженности, вследствие чего возможен перезаряд и преждевременное старение электрохимической системы.
В качестве прототипа выбрана станция автоматическая зарядно-разрядная, содержащая схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, соединенный с выводами питающего напряжения, три блока усилителей, блок аккумуляторной батареи и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда и блоком индикации, блок датчика напряжения, блок питания, соединенный с выводами питающего напряжения. В схему управления силовой частью введены блок выпрямителя, соединенный с блоком фильтров, блок сетевого фильтра, соединенный с блоком сетевого выпрямителя, блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с блоком сетевого фильтра и с первым блоком усилителей, блок высокочастотного выпрямителя, соединенный с блоком регулируемого источника зарядного тока, блок фильтра, соединенный с блоком высокочастотного выпрямителя, блок ключа, соединенный со вторым блоком усилителей и с блоком фильтра, блок разряда конденсаторов, соединенный с точкой соединения блока фильтра и блока ключа, блок нагрузки, соединенный с блоком разряда конденсаторов, блок регулируемого источника разрядного тока, соединенный с блоком ключа, с третьим блоком усилителей и с точкой соединения блока ключа, блока разряда конденсаторов и блока фильтра, блок индуктора, соединенный с точкой соединения блока ключа и блока регулируемого источника разрядного тока, блок подключения аккумуляторных батарей, соединенный с блоком индуктора, блоком датчика напряжения и с блоком АБ, а в схему управления по заданному алгоритму введены блок датчика тока, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей, блок аналого-цифрового преобразования, соединенный с блоком датчика тока, блоком датчика напряжения и блоком управления, блок широтно-импульсной модуляции, соединенный с блоком управления и с тремя блоками усилителей, блок звуковой сигнализации, соединенный с блоком управления и блок пульта управления, соединенный с блоком задания режима заряда [2].
Недостатком является то, что в известном устройстве режимы работы станции задаются по командам оператора, что исключает возможность адаптивного регулирования зарядных параметров аккумуляторных батарей в процессе работы устройства. Напряжение заряжаемой/разряжаемой батареи контролируется по сигналу, поступающему из блока подключения аккумуляторных батарей в блок датчика напряжения и с его выхода - на блок АЦП. Предусмотрена индикация информации о ходе разряда, выбранного типа аккумулятора, величина тока разряда, текущее время разряда, напряжение аккумулятора. Окончание разряда определяется по уровню напряжения, характерного для выбранного типа аккумулятора. Данные параметры позволяют получить объективную информацию только о режиме заряда/разряда аккумулятора, выполнить оценку фактического технического состояния перед процессом заряда, а реализовать его адаптивный алгоритм с помощью прототипа не представляется возможным. Целесообразным решением в предлагаемом изобретении является реализация оценки технического состояния по внутреннему сопротивлению батареи. Данный параметр является более информативным, так как по внутреннему сопротивлению аккумулятора можно судить о таких параметрах, как остаточная емкость, степень заряженности и степень старения аккумулятора.
В станции автоматической зарядно-разрядной функция рекуперации электрической энергии разряда аккумуляторной батареи реализована частично на емкостной накопитель электрической энергии. В известном устройстве энергия разряда аккумулятора накапливается на емкостном элементе блока фильтра, когда напряжение на емкостном элементе блока фильтра достигнет порога срабатывания ключевого элемента блока разряда конденсаторов, ключ откроется и избыточная энергия начнет преобразовываться в тепло на резистивном элементе блока нагрузки, что сказывается на высоких эксплуатационных расходах и неэффективном использовании энергии. Целесообразным решением, реализованным в предлагаемом изобретении, является рекуперация электрической энергии разряда в питающую электрическую сеть с дальнейшим ее использованием другими потребителями предприятия.
Задача изобретения - усовершенствование зарядно-разрядных устройств тяговых аккумуляторных батарей автономных транспортных средств на электрической тяге наземного и подземного типа, таких как: электропахотные агрегаты канатной тяги, оборудования и установки для выполнения различных полевых работ или электротехнологических операций, шахтные электровозы, подвесные монорельсовые локомотивы и другой специальной техники или стартерных аккумуляторных батарей. Данная задача решается за счет новых конструктивных особенностей и методов оценки технического состояния батарей, их остаточной емкости и адаптивных режимов заряда. Также в изобретении обеспечивается возможность рекуперации электрической энергии в питающую сеть в процессе режимов разряда аккумуляторной батареи, что приводит к повышению эффективности использования зарядно-разрядных устройств и снижению потребляемой мощности, так как возвращенная электрическая энергия передается в питающую сеть и может быть использована другими потребителями предприятия.
Технический результат достигается тем, что в зарядно-разрядном устройстве, содержащем коммутирующую аппаратуру, выпрямитель переменного напряжения, преобразователь постоянного напряжения, выполненный на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором, выходной фильтр преобразователя напряжения, датчики тока и напряжения заряда-разряда, формирующие сигналы обратной связи для системы управления режимами заряда-разряда, устанавливается микропроцессорная система управления режимами заряда-разряда и рекуперации энергии, блок контроля внутреннего сопротивления и степени старения батареи, взаимосвязанный с микропроцессорной системой, устройство ввода-вывода, выполненное в виде сенсорного дисплея, инвертор напряжения рекуперации управляемый микропроцессорной системой и выходной фильтр инвертора.
Сущность изобретения поясняется рисунком, где на фиг. 1 изображена структурная схема зарядно-разрядного устройства аккумуляторных батарей.
Зарядно-разрядное устройство аккумуляторных батарей транспортных средств (ЗРУАБТС) содержит коммутационную аппаратуру 1 обеспечивающую подключение зарядно-разрядного устройства к питающей сети предприятия напряжением 660/380 В переменного тока в режиме зарядки или разрядки, также коммутационная аппаратура выполняет функции защиты при перегрузках или аварийных режимах. Блок выпрямителей 2 выполнен на полупроводниковых приборах и выполняет функцию статического преобразователя переменного тока сети в постоянный. Преобразователь постоянного тока в постоянный 3 выполнен на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором и выполняет функцию регулирования зарядного тока и напряжения по алгоритму, заложенному в микропроцессорной системе управления в зависимости от текущего технического состояния заряжаемого аккумулятора, его остаточной емкости и степени старения. Фильтры 4 предназначены для подавления помех генерируемых блоком выпрямителей 2, преобразователем постоянного тока в постоянный 3. В качестве источников сигнала обратной связи по току и напряжению заряда аккумуляторной батареи в ЗРУАБТС предусмотрены датчики зарядного напряжения 5 и тока 6, которые могут быть выполнены по принципу трансформаторов (магнитных усилителей) постоянного напряжения и тока или по принципу делителя напряжения и измерительного шунта. Контакторы КА1 и КА2 выполняют функции устройства подключения заряжаемой аккумуляторной батареи АБ к цепи заряда после ее установки и подключении зарядных клемм, КА1 и КА2 выполнены в виде электромагнитных контакторов, включение-выключение которых осуществляется системой управления после подачи команды заряда. Контакторы КБ1 и КБ2 предназначены для подключения к аккумуляторной батареи блока измерения внутреннего сопротивления и степени старения 7, КБ1 и КБ2 выполнены в виде вакуумных электромагнитных контакторов с низким переходным сопротивлением с целью исключения погрешности при измерении внутреннего сопротивления АБ перед началом и по окончании процесса заряда-разряда. Блок измерения внутреннего сопротивления и степени старения 7 выполнен в виде электронного измерительного прибора, который работает по принципу определения внутреннего сопротивления батарей методом переменного тока, который фактически определяет импеданс батареи. В диапазоне заданной частоты измерительного напряжения полученное значение импеданса приблизительно равно сопротивлению. Степень старения определяется блоком 7 как отношение конечного напряжения батареи перед началом процесса заряда к времени ее эксплуатации.
Микропроцессорная система управления зарядки-разрядки аккумуляторной батареи 8 (МСУЗРАБ) выполнена на базе микро-ЭВМ и выполняет функции управления режимами заряда-разряда аккумуляторных батарей, контроля процесса заряда-разряда, диагностических параметров аккумуляторной батареи с ведением протокола измерения всех контрольных параметров, таких как зарядные-разрядные напряжения и ток, внутреннее сопротивление, степень заряженности и старения с возможностью передачи протокола на ПЭВМ для дальнейшей обработки.
Для задания режимов работы ЗРУАБТС, отображения параметров процесса заряда-разряда аккумуляторной батареи, составления протокола диагностики аккумулятора и других видов взаимодействия персонала с ЗРУАБТС предусмотрено устройство ввода вывода информации в виде сенсорного дисплея 9.
ЗРУАБТС предусматривает рекуперацию электрической энергии разряда аккумуляторной батареи в питающую сеть. С целью реализации данного режима работы предусмотрены контакторы разряда КР1 и КР2, выполненные в виде электромагнитных контакторов, которые подключают разряжаемую аккумуляторную батарею к статическому преобразователю постоянного тока в переменный 10, датчики разрядного напряжения 11 и тока 12 формируют сигналы обратной связи для МСУЗРАБ, которая формирует управляющие воздействия и задает режим работы статического преобразователя постоянного тока в переменный 10. Коммутационная аппаратура 13 работает под управлением МСУЗРАБ и выполняет функции подключения статического преобразователя постоянного тока в переменный 10 в режиме разряда аккумуляторной батареи к питающей сети предприятия. Электрическая энергия аккумуляторной батареи преобразуется до требуемых значений и возвращается в питающую сеть предприятия, таким образом, реализуется режим рекуперации энергии разряда аккумуляторной батареи.
Устройство работает следующим образом.
При подключении аккумуляторной батареи к ЗРУАБТС оператор задает режим с помощью устройства ввода-вывода 9, это может быть, как режим заряда, так и разряда аккумуляторной батареи.
При режиме заряда, АБ устанавливается на зарядно-разрядную позицию и ее клеммы подключаются к зарядной цепи ЗРУАБТС. МСУЗРАБ подает команду измерения внутреннего сопротивления и степени старения батареи блоком 7. Полученные значения обрабатываются МСУЗРАБ и сравниваются с эталонными значениями, заложенными в запоминающее устройство МСУЗРАБ. На основании полученных результатов определяется оптимальный режим заряда аккумуляторной батареи. После определения оптимального режима заряда аккумуляторной батареи МСУЗРАБ дает команду зарядки батареи, происходит отключение контакторов КБ1 и КБ2, включаются контакторы КА1 и КА2 собирая цепь заряда АБ. МСУЗРАБ включает коммутационную аппаратуру цепи заряда 1, напряжение подается на выпрямитель 2, параметры работы которого передаются в МСУЗРАБ, из выпрямителя 2 постоянное напряжение подается на преобразователь постоянного тока в постоянный 3, преобразователь понижает напряжение до номинального значения установленного МСУЗРАБ, фильтр 4 сглаживает гармонические составляющие преобразованного напряжения, датчики напряжения 5 и тока 6 заряда передают сигналы зарядного тока и напряжения в МСУЗРАБ, на основании которых в соответствии с заданным алгоритмом МСУЗРАБ регулирует работу преобразователя 3 поддерживая зарядный ток и напряжение в соответствии с типом, текущим состоянием АБ ее степенью старения и номинальной емкостью, сообщая АБ только ту емкость которая необходима, исключая перезаряд батареи. По окончанию процесса заряда происходит отключение коммутационной аппаратуры 1 и контакторов КА1 и КА2, цепь заряда разбирается. МСУЗРАБ по полученным значениям тока заряда с датчика тока 6 определяет степень заряженности. Степень заряженности представляет собой отношение суммы зарядной емкости, определенной МСУЗРАБ по полученным значениям тока с датчика 6 и остаточной емкости определенной блоком 7 к номинальной емкости батареи установленной заводом изготовителем. Все параметры процесса заряда сохраняются в запоминающем устройстве МСУЗРАБ для конкретной батареи, что позволяет выполнять анализ технического состояния аккумуляторных батарей транспортных средств после каждого процесса заряда.
В режиме разряда разряжаемая АБ устанавливается на зарядно-разрядную позицию и ее клеммы подключаются к разрядной цепи ЗРУАБТС. При данном режиме МСУЗРАБ подает команду измерения внутреннего сопротивления и степени старения батареи блоком 7 и сопоставляет с номинальным значением для конкретного типа батареи, так как процесс разряда подразумевает, что аккумуляторная батарея заряжена полностью данную операцию можно не выполнять при учете, что аккумуляторная батарея в хорошем техническом состоянии. В случае удовлетворительного технического состояния АБ внутреннее сопротивление и степень старения являются достаточно информативными параметрами, по которым можно судить об остаточных емкости и ресурсе батареи. После измерения данных параметров происходит сборка схемы разряда с рекуперацией электрической энергии аккумуляторной батареи в питающую сеть. МСУЗРАБ подает сигнал на включение контакторов КР1, КР2 и коммутационной аппаратуры 13. Преобразователь постоянного напряжения аккумуляторной батареи преобразует значения напряжения и тока до установленных значений, чтобы реализовать процесс рекуперации энергии разряда АБ в электрическую сеть. Датчики разрядного тока 12 и напряжения 11 формируют сигналы обратной связи по току и напряжению разряда АБ в МСУЗРАБ, которая, в свою очередь, управляет процессом разряда аккумуляторной батареи по заданному режиму. Фильтр 4 сглаживает гармонические составляющие напряжения на выходе преобразователя 10, тем самым защищая электрическую сеть предприятия от наводимых помех.
По окончанию процесса разряда происходит отключение коммутационной аппаратуры 13 и контакторов КР1 и КР2, цепь заряда разбирается. МСУЗРАБ по полученным значениям тока разряда с датчика тока 12 определяет разрядную емкость батареи. Разрядная емкость представляет собой интеграл разрядного тока по времени разряда. Полученное значение разрядной емкости сопоставляется с установленным значением для данного типа батареи. Все параметры процесса разряда, сохраняются в запоминающем устройстве МСУЗРАБ для конкретной батареи, что позволяет выполнять оценку фактической емкости аккумуляторных батарей после каждого процесса разряда.
Таким образом, при эксплуатации заявляемого зарядно-разрядного устройства аккумуляторных батарей обеспечивается автоматизированная диагностика текущего состояния аккумуляторной батареи перед процессом заряда. При этом обеспечивается адаптивный зарядный режим. Режим разряда реализуется автоматизировано по заданному алгоритму в зависимости от фактической емкости батареи. Рекуперация электрической энергии разряда аккумуляторной батареи в питающую сеть предприятия позволяет уменьшить эксплуатационные расходы за счет экономии электроэнергии. Кроме того, исключение необоснованного перезаряда или недозаряда аккумуляторных батарей позволяет продлить их срок службы и повысить коэффициент полезного действия зарядно-разрядного устройства и аккумуляторных батарей.
Источники информации
1. Шахтный подземный транспорт: справ, изд.: в 2 т. Т 1. Шахтный локомотивный и рельсовый транспорт / Ю.Ф. Бутт [и др.]; под общ. ред. Б.А. Грядущего; Науч.-исслед. ин-т. горн, механики им. М.М. Федорова. Изд. 2-е, перераб. и доп. Донецк: ВИК. 2011. 481 с.
2. RU 2327268 C1, H02J 7/10, (2006.01) Станция автоматическая зарядно-разрядная Сметанкин Г.П., Бурдюгов А.С, Матекин С.С. 2006131795/09, заявлено 04.09.2006; опубл. 20.06.2008. Бюл. №17 - 7 с.