БОРТОВОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ БАТАРЕИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
ON-BOARD CHARGER FOR HIGH-VOLTAGE BATTERY OF ELECTRIC ENERGY ACCUMULATORS

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для заряда батарей электрических накопителей энергии различной природы: от литий-ионных аккумуляторов до ионисторов и химических источников тока для нужд транспорта и энергетики.
Известно зарядное устройство для батареи электрических накопителей энергии, основанное на общем принципе преобразования переменного напряжения питающей сети в гальванически развязанное напряжение постоянного тока и стабилизации напряжения и тока на заданном уровне с помощью цифровой системы управления [см.  полезную модель РФ №87049, опубл. 20.09.2009 г.].
Известное зарядное устройство содержит последовательно соединенные сетевой фильтр, выпрямитель, входной С-фильтр, управляемый высокочастотный преобразователь, высокочастотный трансформатор, диодный выпрямитель, выходной LC-фильтр и микроконтроллерный блок управления зарядным устройством, подключенный через схему гальванической развязки к управляемому высокочастотному преобразователю, а также к датчикам тока и напряжения в выходной цепи устройства, подключаемой к клеммам заряжаемой батареи.
Известное зарядное устройство имеет следующие недостатки:
1. Недостаточная защита устройства со стороны входной питающей сети переменного тока: отсутствуют цепи контроля и отключения при отказах сети и аварийных ситуациях.
2. Недостаточная гибкость при формировании требуемого профиля заряда под конкретный тип батареи: отсутствует связь с системой управления батареей, в результате чего приходится перепрограммировать микроконтроллер блока управления зарядным устройством при изменении типа и параметров батареи.
3. Проблематичность использования данного устройства в качестве бортового зарядного устройства из-за отсутствия возможности терморегуляции.
4. Блок управления зарядного устройства запитан от батареи, что ограничивает возможности использования данного устройства при заряде высоковольтных батарей с широким динамическим диапазоном выходных напряжений (от 300 В до 600 В) и снижает точность измерения выходных токов и напряжений из-за отсутствия гальванической развязки измерительных цепей.
Известно малогабаритное зарядное устройство, содержащее последовательно соединенные входной выпрямитель, конденсаторный фильтр, полумостовую управляемую инверторную схему на IGBT транзисторах, высокочастотный трансформатор с ферритовым сердечником, выходной выпрямитель, выходной сглаживающий фильтр и датчики тока и напряжения, подключенные через узел гальванического разделения к блоку управления, подключенному к управляющим входам полумостовой инверторной схемы [см. полезную модель РФ №97880, опубл. 20.09.2010 г.].
Известное устройство обладает теми же недостатками, что и предыдущий аналог, за исключением последнего, то есть его характеризируют недостаточные защита по питающей сети и гибкость при формировании требуемого профиля заряда под конкретный тип батареи, а также невозможность его использования в качестве бортового зарядного устройства по климатическим условиям.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенному изобретению является устройство питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей, содержащее последовательно соединенные сетевой автоматический выключатель, один или несколько параллельно соединенных преобразователей напряжения, управляемых от микроконтроллерного блока управления и индикации, подключенного к датчику тока и измерителю напряжения в выходной цепи устройства в виде резистивного делителя, к датчику температуры на радиаторах устройства, к блоку контроля тепловых процессов, включающему и отключающему вентиляцию устройства, и к внешним системам, в том числе к системе управления батареей с помощью последовательного канала связи. Преобразователь напряжения включает в себя сетевой фильтр, импульсный преобразователь с высокочастотным трансформатором, входной и выходной диодные выпрямители и сглаживающие фильтры [см. полезную модель РФ №64824, опубл. 10.07.2007 г.].
В указанном устройстве, выбранном в качестве прототипа, устранена недостаточная гибкость при формировании требуемого профиля заряда под конкретный тип батареи и невозможность его использования в качестве бортового зарядного устройства по климатическим условиям.
Однако известное устройство, как и все предыдущие аналоги, имеет следующие недостатки, затрудняющие его использование в качестве бортового возимого зарядного устройства:
1. Недостаточная защита устройства со стороны входной питающей сети переменного тока: имеется только автоматический выключатель, отключающий сеть при коротких замыканиях, но отсутствуют средства, способные контролировать состояние сети и предотвратить аварии в ней.
2. Микроконтроллерный блок управления и индикации запитан от батареи, что ограничивает возможности использования прототипа при зарядке высоковольтных батарей с широким диапазоном выходных напряжений (например, от 300 В до 600 В) и снижает точность измерения выходных токов и напряжений из-за отсутствия гальванической развязки и наличия шумов в измерительных цепях, что особенно важно при работе с литий-ионными аккумуляторными батареями.
Перед заявленным изобретением была поставлена задача устранения перечисленных недостатков прототипного зарядного устройства и создание бортового зарядного устройства для высоковольтных батарей электрических накопителей энергии с широким диапазоном выходных напряжений, с надежной защитой со стороны питающей сети переменного тока и с повышенной точностью измерения, достаточной для управления зарядом литий-ионных аккумуляторных батарей.
Поставленная задача решается тем, что предложено бортовое зарядное устройство для высоковольтной батареи электрических накопителей энергии, содержащее автоматический выключатель сетевого напряжения, подключенный к управляемому от микроконтроллерного блока управления и индикации высокочастотному преобразователю напряжения, соединенному по выходу с измерителем выходного напряжения, датчиком тока с гальванической развязкой и с выходами устройства для подключения батареи. Управляемый высокочастотный преобразователь напряжения состоит из последовательно соединенных сетевого фильтра, входного диодного выпрямителя, входного сглаживающего фильтра, импульсного преобразователя в виде полумостовой инверторной схемы на IGBT-транзисторах, высокочастотного трансформатора, выходного диодного выпрямителя и выходного сглаживающего фильтра. Измерительные выходы датчика температуры радиаторов устройства, датчика тока и измерителя напряжения в выходных цепях устройства подключены к микроконтроллерному блоку управления и индикации, выходы ШИМ-сигналов которого подключены к управляющим входам полумостовой инверторной схемы на IGBT-транзисторах управляемого высокочастотного преобразователя напряжения. Управляющий вход блока контроля тепловых процессов подключен к соответствующему выходу микроконтроллерного блока управления и индикации, а выход - к исполнительному устройству вентиляции. Выход последовательного канала связи микроконтроллерного блока управления и индикации подключен к системе управления батареей и к внешней ЭВМ.
Новым в предложенном устройстве является то, что микроконтроллерный блок управления и индикации запитан от AC-DC-преобразователя напряжения с гальванической развязкой, подключенного к одной из фаз питающего сетевого напряжения переменного тока после сетевого фильтра, в разрыв между которым и входным диодным выпрямителем высокочастотного преобразователя напряжения включен электромагнитный коммутатор, управляемый от микроконтроллерного блока управления и индикации, подключенного по цепям питания через шину питания датчиков устройства к цепи питания измерителя напряжения, выполненного в виде высокоточного микроконтроллерного датчика напряжения с гальванической развязкой, установленного параллельно выходам выходного сглаживающего фильтра, к цепи питания высокоточного датчика тока с гальванической развязкой и к цепи питания подключенного параллельно выходам входного сглаживающего фильтра датчика напряжения с гальванической развязкой, выходной сигнал которых подан на соответствующие входы микроконтроллерного блока управления и индикации, подключенного к выходу датчика тока на основе токового трансформатора, включенного в первичную обмотку трансформатора высокочастотного преобразователя напряжения.
Технический результат заявленного изобретения состоит в повышении точности измерения выходных тока и напряжения устройства, обеспечивающих соблюдение необходимого профиля заряда высоковольтной батареи, и в повышении надежности защиты устройства со стороны питающей сети переменного тока.
На чертеже редставлена функциональная блок-схема заявленного устройства.
Заявленное устройство содержит автоматический выключатель сетевого напряжения 1, подключенный к управляемому от микроконтроллерного блока управления и индикации 2 высокочастотному преобразователю напряжения 3, соединенному по выходу с измерителем выходного напряжения 4, датчиком тока с гальванической развязкой 5 и с выходами «+» и «-» батареи. Высокочастотный преобразователь напряжения 3 состоит из последовательного соединенных сетевого фильтра 6, входного диодного выпрямителя 7, входного сглаживающего фильтра 8, полумостовой инверторной схемы на ЮВТ-транзисторах 9, высокочастотного трансформатора 10, выходного диодного выпрямителя 11 и выходного сглаживающего фильтра 12. Измерительные выходы датчика температуры на радиаторах устройства 13, датчика тока 5 и измерителя напряжения 4 в выходных цепях устройства подключены к микроконтроллерному блоку управления и индикации 2, выходы ШИМ-сигналов которого подключены к управляющим входам полумостовой инверторной схемы 9 на ЮВТ-транзисторах высокочастотного преобразователя напряжения 3. Управляющий вход блока контроля тепловых процессов 14 подключен к соответствующему выходу микроконтроллерного блока управления и индикации 2, а выход - к исполнительному устройству вентиляции (на чертеже не показано). Выход последовательного канала связи 15 микроконтроллерного блока управления и индикации 2 подключен к системе управления батареей (BMS) и к внешней ЭВМ. Микроконтроллерный блок управления и индикации 2 по питанию подключен к преобразователю напряжения AC-DC 16 с гальванической развязкой, подключенному к одной из фаз А, В или С и нейтрали N питающей сети переменного тока после сетевого фильтра 6. В разрыв между сетевым фильтром 6 и входным диодным выпрямителем 7 высокочастотного преобразователя напряжения 3 включен управляемый от микроконтроллерного блока управления и индикации 2 электромагнитный коммутатор 17. Параллельно выходам входного сглаживающего фильтра 8 высокочастотного преобразователя напряжения 3 включен датчик напряжения 18 с гальванической развязкой, а в первичную обмотку высокочастотного трансформатора 10 установлен датчик тока 19 на основе токового трансформатора, выходные сигналы которых поданы на соответствующие входы микроконтроллерного блока управления и индикации 2. Цепи питания измерителя напряжения 4, выполненного в виде высокоточного микроконтроллерного датчика напряжения с гальванической развязкой, датчиков напряжения 18 и тока 5 с гальванической развязкой подключены к шине 20 питания датчиков микроконтроллерного блока управления и индикации 2.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Через автоматический выключатель 1 и сетевой фильтр 6, предотвращающий попадание в сеть помех, возникающих при работе устройства, одна из фаз входного питающего напряжения поступает на AC-DC преобразователь напряжения 16 с гальванической развязкой, который запитывает микроконтроллерный блок управления и индикации 2, и через него посредством шины питания датчиков 20 измеритель напряжения 4, датчики напряжения 18 и тока 5 с гальванической развязкой. Микроконтроллерный блок управления и индикации 2 включает электромагнитный коммутатор 17 и входное переменное напряжение поступает на входной диодный выпрямитель 7 и после выпрямления и сглаживания с помощью входного сглаживающего фильтра 8 на входы датчика напряжения 18 и входы полумостовой инверторной схемы 9 на IGBT-транзисторах, управляемой ШИМ-сигналом от микроконтроллерного блока 2 высокочастотного преобразователя 3. На выходе полумостовой инвертной схемы 9 формируются импульсы напряжения высокой частоты, которые через высокочастотный трансформатор 10 поступают на выходной диодный выпрямитель 11 и выходной сглаживающий фильтр по току и напряжению 12. Выпрямленные и сглаженные напряжение и ток выходной цепи устройства через измеритель выходного напряжения 4, выполненный в виде высокоточного микроконтроллерного датчика напряжения с гальванической развязкой, и датчик тока с гальванической развязкой 5 повышенной точности поступают на соответствующие входы микроконтроллерного блока управления и индикации 2, в котором проверяется соответствие между заданными в программе значениями напряжения и тока на выходе фильтра 12. В результате сравнения формируется ШИМ-сигнал обратной связи, который через схему гальванической развязки (на чертеже не показана) поступает на управляющие входы полумостовой инверторной схемы 9 высокочастотного преобразователя 3, на выходе которой изменяется скважность импульсов, поступающих на трансформатор 10 через датчик тока 19, и как следствие, изменяются напряжение и ток на выходе фильтра 12 так, чтобы выходные напряжение и ток пришли в соответствие с заданными значениями. Выбор регулируемого параметра - ток или напряжение - осуществляется в микроконтроллерном блоке 2 в соответствии с управляющей программой, при этом в основу управления положен алгоритм цифрового пропорционально-интегрального регулирования. Например, для литий-ионных аккумуляторных батарей на первом этапе проводится заряд стабилизированным током величиной от 0,3 С до 1 С в зависимости от температуры аккумуляторной батареи до напряжения всей батареи, равного 4,2 N, где N - число накопителей в батарее. После чего начинается второй этап заряда стабилизированным напряжением до достижения конечного зарядного тока 0,03 С. Параметры и состояние заряжаемой батареи поступают в микроконтроллерный блок 2 бортового зарядного устройства из системы управления батареей (BMS) по последовательному каналу связи 15 (RS485 или CAN), обеспечивая автоматическую настройку бортового зарядного устройства к типу батареи и необходимому профилю заряда, а также дублирование функции момента окончания заряда батареи. В процессе формирования управляющего ШИМ-сигнала блок управления 2 контролирует достигнутые значения параметров, сравнивает их с заданными и на основании этих данных осуществляет оценку состояния заряжаемой батареи, а также все необходимые изменения процесса управления. Кроме того, микроконтроллерный блок управления и индикации 2 осуществляет следующие дополнительные функции:
- обеспечивает контроль за состоянием входной питающей сети переменного тока с помощью датчика напряжения 18 с гальванической развязкой и датчика тока 19 на основе токового трансформатора. При обнаружении провалов напряжения из-за отсутствия каких-либо фаз или токовой перегрузки из-за коротких замыканий в цепях питания блок управления 2 отключает питающую сеть от зарядного устройства с помощью коммутатора 17;
- получает сигналы от датчика температуры 13, установленного на радиаторе устройства, и через блок контроля тепловых процессов 14 управляет системой вентиляции бортового зарядного устройства по ее включению и выключению;
- индицирует состояние батареи и параметры зарядки.
Микроконтроллер блока управления и индикации 2 может быть выполнен на микросхеме TMS 320F 8027PTS. В качестве датчика тока 5 с гальванической развязкой может быть выбран датчик Холла LAN50-P, в качестве датчика температуры - терморезистор В57045К0473К000. Полумостовая инверторная схема 9 на IGBT-транзисторах может быть реализована на полумосте FF100R12RT4 и драйвере ACPL-332J, входной выпрямитель - на трехфазном диодном мосте VS-110MT120KPBF.