Система электроснабжения транспортной машины
VEHICLE POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к системам электроснабжения транспортных машин.
Известно интеллектуальное универсальное зарядное устройство (Патент RU 2263384 С2 - опубл. 27. 10. 2005), содержащее основной блок, обеспечивающий зарядку аккумулятора и адаптер, выполненный с возможностью формирования и передачи в основной блок информационного сигнала; основной блок содержит средства приема упомянутого информационного сигнала и формирования соответствующих тока и напряжения, необходимых для зарядки аккумулятора. Устройство обеспечивает зарядку аккумуляторов различных типов и продление срока их службы. Данное устройство отражает существующий уровень техники, однако не может быть использовано в составе систем электроснабжения транспортных машин.
Известен регулятор напряжения (Патент RU 2006130 С1 - опубл. 15. 01. 1994), который входит в состав системы электроснабжения, содержащей также аккумуляторную батарею и генератор, параллельно подключенные к сети питания. Регулятор напряжения содержит средство контроля состояния аккумуляторной батареи (термочувствительный элемент на трех последовательно соединенных стабисторах), формирователь опорного сигнала (параметрический стабилизатор напряжения с резистивным делителем и схемой диодного ограничения на выходе), измерительное звено (резистивный делитель напряжения сети питания), звено сравнения (компаратор) и исполнительный элемент (транзисторный ключ); вход исполнительного элемента связан с выходом звена сравнения, а выход - с обмоткой возбуждения генератора; инвертирующий вход звена сравнения подключен к выходу измерительного звена, а не инвертирующий вход - к формирователю опорного сигнала, который связан со средством контроля состояния аккумуляторной батареи и выполнен так, что опорный сигнал является функцией состояния аккумуляторной батареи.
Данное изобретение выбрано в качестве прототипа к заявляемому техническому решению. Недостаток прототипа заключается в ограниченных функциональных возможностях системы электроснабжения, а именно:
- регулятор напряжения должен работать как в штатном, так и в аварийном режиме (при отсутствии аккумуляторной батареи), что препятствует объединению аккумуляторной батареи и средства контроля ее состояния в единый конструктивный модуль, так как в прототипе указанное средство контроля является неотъемлемой частью регулятора напряжения;
- возможности контроля состояния аккумуляторной батареи сильно ограничены и сводятся к размещению вблизи от нее термочувствительного элемента, который задает унифицированную зависимость напряжения сети питания от температуры. Указанная зависимость не адаптирована к различным типам аккумуляторных батарей (кальциевых, AGM, литиевых и т.д.), а также к различным режимам их эксплуатации (Старт-Стоп, рекуперация кинетической энергии, экстремальные климатические условия).
Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей системы электроснабжения, в частности, обеспечение оптимального режима эксплуатации различных типов аккумуляторных батарей.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в совместной реализации следующих условий:
- использование унифицированного регулятора напряжения, имеющего возможность адаптации к различным типам аккумуляторных батарей и условиям их эксплуатации;
- сохранение работоспособности системы в случае отсутствия аккумуляторной батареи или средств контроля ее состояния, что обеспечит возможность работы в аварийном режиме, а также позволит разместить аккумуляторную батарею и средства контроля ее состояния в едином конструктивном модуле;
- отсутствие жестких условий, регламентирующих информационный обмен между регулятором напряжения и средствами контроля состояния аккумуляторной батареи.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в систему электроснабжения, содержащую:
- аккумуляторную батарею и генератор, параллельно подключенные к сети питания;
- регулятор напряжения, в состав которого входят формирователь первого опорного сигнала, первое измерительное звено, первое звено сравнения и исполнительный элемент, причем вход исполнительного элемента связан с выходом первого звена сравнения, а выход - с обмоткой возбуждения генератора, на неинвертирующий вход первого звена сравнения подан первый опорный сигнал, а на инвертирующий вход - сигнал с выхода первого измерительного звена, подключенного к сети питания;
- средства контроля состояния аккумуляторной батареи;
- формирователь второго опорного сигнала, который связан со средствами контроля состояния аккумуляторной батареи и выполнен так, что второй опорный сигнал является функцией состояния аккумуляторной батареи; согласно изобретению введены второе измерительное звено, второе звено сравнения и разъемное соединение, причем:
- на неинвертирующий вход второго звена сравнения подан второй опорный сигнал, а на инвертирующий вход - сигнал с выхода второго измерительного звена, подключенного к сети питания;
- формирователь первого опорного сигнала снабжен корректирующим входом и выполнен так, что величина первого опорного сигнала является нарастающей функцией от величины сигнала на корректирующем входе;
- корректирующий вход выполнен с возможностью подключения к выходу второго звена сравнения через разъемное соединение.
Второе звено сравнения может содержать пропорционально-интегральное корректирующее звено.
Второе звено сравнения может быть выполнено с возможностью формирования выходного токового сигнала величиной Ictrl, при этом формирователь первого опорного сигнала содержит параметрический стабилизатор напряжения величиной ref0 и резистор с сопротивлением R и выполнен так, что величина первого опорного сигнала равна
refl=геf0+R-Ictrl.
Первое звено сравнения может быть выполнено в виде компаратора с петлей гистерезиса, при этом первое измерительное звено выполнено в виде резистивного делителя напряжения сети питания, а исполнительный орган - в виде транзисторного ключа.
Генератор и регулятор напряжения могут быть объединены в первом конструктивном модуле, а формирователь второго опорного сигнала, второе измерительное звено, второе звено сравнения, аккумуляторная батарея и средства контроля ее состояния - во втором конструктивном модуле.
Формирователь второго опорного сигнала, второе измерительное звено и второе звено сравнения могут быть выполнены на цифровом микроконтроллере с многомерной таблицей в качестве формирователя второго опорного сигнала, аналого-цифровым преобразователем в качестве второго измерительного звена, цифро-аналоговым преобразователем в качестве выходного каскада второго звена сравнения, причем на входы многомерной таблицы подано множество цифровых сигналов x1, … xN от средств контроля состояния аккумуляторной батареи, а ячейки многомерной таблицы содержат дискретные значения величины второго опорного сигнала
ref2=f(x1, … xN).
В состав средств контроля состояния аккумуляторной батареи может входить идентификатор с выходным сигналом x1, отражающим тип аккумуляторной батареи и режим ее эксплуатации.
В состав средств контроля состояния аккумуляторной батареи может входить датчик температуры электролита с выходным сигналом х2.
В состав средств контроля состояния аккумуляторной батареи может входить измеритель остаточной емкости с выходным сигналом х3.
В состав средств контроля состояния аккумуляторной батареи может входить датчик тока с выходным сигналом х4.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что заявляемая система электроснабжения содержит совокупность существенных признаков, которая не выявлена из изученного уровня техники, причем не является явным влияние отличительных признаков на технический результат. Таким образом, предлагаемая система соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень». Существенные признаки предлагаемого решения влияют на достижение технического результата следующим образом:
Аккумуляторная батарея, генератор и регулятор напряжения образуют обычную систему электроснабжения транспортной машины (например, автомобиля). Регулятор содержит формирователь первого опорного сигнала, первое измерительное звено, первое звено сравнения и исполнительный элемент, связанные между собой обычным способом, который известен специалистам в данной области техники.
Средства контроля состояния аккумуляторной батареи и связанный с ними формирователь второго опорного сигнала задают желаемый уровень напряжения сети питания, при котором обеспечивается оптимальный режим зарядки аккумуляторной батареи; данный режим указывается производителями аккумуляторных батарей. Формирователь второго опорного сигнала может быть реализован с помощью различных схем, которые известны специалистам в данной области техники.
Снабжение формирователя первого опорного сигнала корректирующим входом позволяет создать унифицированный регулятор напряжения, имеющий возможность адаптации к различным типам аккумуляторных батарей и условиям их эксплуатации.
Введение в состав системы электроснабжения второго измерительного звена и второго звена сравнения позволяет получить на выходе второго звена сравнения сигнал невязки (отклонение напряжения сети питания от желаемого уровня); возможность подключения корректирующего входа к выходу второго звена сравнения через разъемное соединение позволяет обеспечить два режима работы:
- минимизация сигнала невязки когда разъемное соединение замкнуто, при этом обеспечивается оптимальный режим зарядки аккумуляторной батареи;
- сохранение работоспособности системы когда разъемное соединение разомкнуто, при этом обеспечивается обычный режим работы, характерный для большинства существующих систем электроснабжения.
Второе измерительное звено, второе звено сравнения, разъемное соединение, корректирующий вход, формирователь первого опорного сигнала, первое звено сравнения, исполнительный орган, генератор и сеть питания образуют контур дополнительной обратной связи. Для реализации оптимального режима зарядки аккумуляторной батареи коэффициент дополнительной обратной связи должен быть достаточно большим в низкочастотной области - это может быть обеспечено, например, введением пропорционально-интегрального корректирующего звена во второе звено сравнения. За счет действия дополнительной обратной связи информационный обмен между регулятором напряжения и средствами контроля состояния аккумуляторной батареи регламентируется единственным условием: «величина первого опорного сигнала является нарастающей функцией от величины сигнала на корректирующем входе». Это условие не жесткое, так как вид и параметры указанной функции могут варьироваться в широких пределах.
Ниже описан один из возможных вариантов реализации предлагаемой системы электроснабжения. На схеме (Фиг.  ) показаны:
- аккумуляторная батарея 1;
- генератор 2 с обмоткой возбуждения 3;
- сеть питания с плюсовым проводом 4 и минусовым (общим) проводом 5;
- регулятор напряжения, в состав которого входят формирователь 6 первого опорного сигнала с корректирующим входом 7 и резистором 8, первое измерительное звено 9, первое звено 10 сравнения и исполнительный элемент 11;
- средства контроля состояния аккумуляторной батареи, в состав которых входят идентификатор 12, датчик 13 температуры электролита, измеритель 14 остаточной емкости, датчик 15 тока;
- формирователь 16 второго опорного сигнала;
- второе измерительное звено 17;
- второе звено 18 сравнения, содержащее пропорционально-интегральное корректирующее звено 19;
- разъемное соединение 20;
- первый конструктивный модуль 21;
- второй конструктивный модуль 22.
Аккумуляторная батарея 1 и генератор 2, параллельно подключены к сети 4, 5 питания с напряжением Vout.
Формирователь 6 первого опорного сигнала содержит параметрический стабилизатор напряжения величиной ref0, корректирующий вход 7 и резистор 8 с сопротивлением R. Величина первого опорного сигнала равна
где Ictrl - величина тока, поступающего на корректирующий вход 7 через разъемное соединение 20 с выхода второго звена 18 сравнения.
Первое измерительное звено 9 выполнено в виде резистивного делителя напряжения сети питания с коэффициентом деления k1.
Первое звено 10 сравнения построено на интегральной микросхеме компаратора напряжения и имеет гистерезисную характеристику. На неинвертирующий вход первого звена 10 сравнения подан первый опорный сигнал ref1, а на инвертирующий вход - сигнал с выхода первого измерительного звена 9:
Вход исполнительного элемента 11 связан с выходом первого звена 10 сравнения. Исполнительный элемент 11 представляет собой транзисторный ключ, который по сигналу на его входе обеспечивает коммутацию вывода обмотки 3 возбуждения генератора на плюсовой провод 4 либо на минусовой провод 5 сети питания.
Средства 12, 13, 14, 15 контроля состояния аккумуляторной батареи, формирователь 16 второго опорного сигнала, второе измерительное звено 17 и второе звено сравнения 18 выполнены на базе цифрового микроконтроллера.
В качестве формирователя 16 второго опорного сигнала используется многомерная таблица, записанная в памяти микроконтроллера. На входы многомерной таблицы подано множество цифровых переменных x1, … xN от средств контроля состояния аккумуляторной батареи, а ячейки многомерной таблицы содержат дискретные значения величины второго опорного сигнала
В качестве идентификатора 12 используется цифровая переменная xl, записанная в памяти микроконтроллера. Цифровая переменная x1 подана на вход многомерной таблицы 16, отражает тип аккумуляторной батареи и режим ее эксплуатации.
В качестве датчика 13 температуры электролита используется аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера, связанный с терморезистором (на схеме не показан), размещенным внутри аккумуляторной батареи. Цифровая переменная х2 подана с выхода датчика 13 на вход многомерной таблицы 16 и отражает температуру электролита аккумуляторной батареи.
В качестве измерителя 14 остаточной емкости используется программа вычисления; результат вычисления представляет собой цифровую переменную х3 и подан на вход многомерной таблицы 16.
Датчик 15 тока построен на основе преобразователя Холла и аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Цифровая переменная х4 на выходе аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера отражает величину тока, протекающего через аккумуляторную батарею. Цифровая переменная х4 подана на вход многомерной таблицы 16 и на вход измерителя 14 остаточной емкости.
В качестве второго измерительного звена 17 используется аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера, на вход которого с коэффициентом деления к2 подано напряжение Vout сети питания.
В качестве второго звена сравнения 18 используется программа вычисления сигнала невязки
и его последующей коррекции по известному алгоритму 19 ПИ-регулирования. В качестве выходного каскада второго звена сравнения 18 используется цифро-аналоговый преобразователь микроконтроллера. Выходной каскад второго звена сравнения 18 имеет токовый выход.
Генератор 2,3 и регулятор 6, 9, 10,11 напряжения объединены в первом конструктивном модуле 21.
Формирователь 16 второго опорного сигнала, второе измерительное звено 17, второе звено 18 сравнения, аккумуляторная батарея 1 и средства 12, 13. 14. 15 контроля ее состояния объединены во втором конструктивном модуле 22.
Система электроснабжения может работать в одном из двух режимов, которые описаны ниже.
1) В том случае, когда разъемное соединение 20 разомкнуто, система работает в обычном режиме, характерном для большинства существующих систем электроснабжения транспортных машин, а именно:
Если вал генератора 2 неподвижен, то электроснабжение осуществляется от аккумуляторной батареи 1.
Если двигатель транспортной машины работает, то вращается вал генератора 2. При этом исполнительный элемент 11 управляет током обмотки 3 возбуждения генератора в зависимости от сигнала на выходе первого звена 10 сравнения (когда Vout / k1<ref1 ток возбуждения увеличивается, в противном случае - уменьшается). Так как при разомкнутом разъемном соединении 20 Ictrl=0, refl=reft), напряжение сети питания поддерживается на уровне
Уставка напряжения ref0 выбирается так, чтобы обеспечить зарядку и исключить выкипание наиболее распространенных (малосурьмянистых) свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Уставка напряжения ref0 может варьироватся для зимних/летних условий эксплуатации.
Напряжение сети питания поддерживается в соответствии с уравнением (5) также и в аварийном режиме эксплуатации (при отсутствии или неисправности аккумуляторной батареи).
2) В том случае, когда разъемное соединение 20 замкнуто, система обеспечивает оптимальный режим эксплуатации аккумуляторной батареи 1, а именно:
Если вал генератора 2 неподвижен, то электроснабжение осуществляется от аккумуляторной батареи 1, одновременно измерителем 14 контролируется остаточная емкость аккумуляторной батареи 1.
Если двигатель транспортной машины работает, то вращается вал генератора 2. При этом исполнительный элемент 11 управляет током обмотки 3 возбуждения генератора в зависимости от сигнала на выходе первого звена 10 сравнения (когда Vout/k1<ref1 ток возбуждения увеличивается, в противном случае - уменьшается). Напряжение сети питания поддерживается на уровне
то есть, напряжение сети питания является нарастающей функцией от величины сигнала Ictrl:
Второе звено 18 сравнения в соответствии с уравнением (4) вычисляет сигнал невязки, который затем усиливается пропорционально-интегральным корректирующим зеном 19; за счет действия отрицательной обратной связи величина сигнала Ictrl автоматически устанавливается на уровне, при котором сигнал невязки стремится к нулю, то есть, выполняется условие
Таким образом, если разъемное соединение 20 замкнуто, то напряжение Vout сети питания определяется величиной второго опорного сигнала ref2 и не зависит от параметров звеньев, входящих в состав конструктивного модуля 21 (в частности, от R, ref0, k1).
Средства 12, 13, 14, 15 контроля состояния аккумуляторной батареи и связанный с ними формирователь 16 второго опорного сигнала задают желаемый уровень напряжения сети питания, при котором обеспечивается оптимальный режим зарядки аккумуляторной батареи 1; данный режим указывается производителями аккумуляторных батарей и в общем случае зависит от типа и режима эксплуатации аккумуляторной батареи (переменная x1), температуры электролита (переменная х2), остаточной емкости (переменная х3), зарядного тока Ibat (переменная х4).