Устройство защиты аккумуляторной батареи

Устройство относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации всех типов аккумуляторных батарей в автономных системах электропитания.
Известно устройство эксплуатации аккумуляторных батарей (Патент RU №2543497), реализующее проведении импульсных заряд - разрядных циклов.
Недостатком известного устройства является наличие существенных выбросов напряжения и токов на выходе аккумуляторной батареи в переходных режимах, вызванных быстрыми изменениями зарядно-разрядных токов, что приводит к ускоренной деградации аккумуляторов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является патент «Схемы и методы определения и управления скоростями переходных процессов в электрохимических элементах» (Патент US 9312577 В2, заявитель BATTELLE ENERGY ALLIANCE LLC, опубл. 15.05.2014), в котором осуществляется шунтирование клемм аккумуляторной батареи последовательно соединенными дросселем с резистором и конденсатором с резистором.
Недостатком устройства-прототипа является снижение энергоэффективности аккумуляторной батареи, вызванной установкой резисторов и относительно длительный переходной процесс на входе батареи, отрицательно влияющий на аккумуляторы, и приводящий к деградации их характеристик.
Техническим проблемой, решаемой предполагаемой полезной моделью, является повышение рабочего ресурса аккумуляторной батареи путем компенсации резких выбросов напряжения в переходных процессах, вызванных быстрыми изменениями переходных зарядно-разрядных токов и перенапряжений, приводящий к деградации их характеристик АКБ.
Деградация характеристик АКБ проявляется в комплексном отрицательном физико-химическом воздействии быстрых изменений при переходных зарядно-разрядных токах и перенапряжениях на элементы электрохимической конструкции АКБ, имеющем по разным литературным источникам многообразную физико-химическую природу от разрушения электродов и активной массы до ее необратимого местного химического преобразования под воздействием экстремальных токов и напряжений.
Технический результат достигается тем, что устройство защиты аккумуляторной батареи содержит аккумуляторную батарею, конденсатор и дроссель, при этом к первой клемме аккумуляторной батареи подключен конденсатор, ко второму выводу которого подключен первый контакт дросселя, его второй контакт соединен со второй клеммой аккумуляторной батареи, а выходами аккумуляторной батареи служат первая клемма аккумуляторной батареи и точка соединения дросселя и конденсатора, причем, параллельно конденсатору во встречном, относительно полюсов аккумуляторной батареи направлении, подключен диод, а параллельно дросселю подключен варистор.
При этом достигаются следующие технические результаты. В аккумуляторной батарее, к полюсам которой подключены последовательно соединенные дроссель и конденсатор, и при этом параллельно конденсатору во встречном относительно полюсов аккумуляторной батареи направлении подключен диод, а выходами аккумуляторной батареи служат точка соединения дросселя с конденсатором и диодом и клемма аккумулятора, к которой подключены вторые контакты конденсатора и диода, а параллельно дросселю подключен варистор, что в результате нелинейной зависимости сопротивления варистора от напряжения на его клеммах позволяет эффективно погасить высоковольтные выбросы, а наличие диода - исключить длительные колебания тока и напряжения, то есть появления высоких переменных токов при переходных процессах при включении и выключении питания от АКБ.
Предложение поясняется чертежом.
На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.
На этой схеме введены следующие обозначения:
Устройство защиты аккумуляторной батареи содержит (см. чертеж) аккумуляторную батарею (АКБ), конденсатор С и дроссель L, при этом, к первой клемме аккумуляторной батареи подключен конденсатор С, ко второму выводу которого подключен первый контакт дросселя L, его второй контакт соединен со второй клеммой аккумуляторной батареи АКБ, а выходами аккумуляторной батареи служат первая клемма аккумуляторной батареи и точка соединения дросселя L и конденсатора С, причем, параллельно конденсатору С во встречном, относительно полюсов аккумуляторной батареи АКБ направлении, подключен диод Д, а параллельно дросселю L подключен варистор RU.
Суть работы предлагаемого устройства заключается в следующем.
Относительно быстрые изменения как зарядного, так и разрядного токов аккумуляторной батареи, состоящей из одного или многих, аккумуляторов, соединенных последовательно в зависимости от требуемой величины выходного напряжения, вызывают формирование соответствующих переходных процессов во внутренних структурах аккумуляторов, например, вследствие поляризации электродов. При протекании этих процессов происходят изменения напряжения на клеммах аккумуляторов, существенно превышающие допустимый уровень. Кроме того, негативно влияют на состояние аккумуляторов и высокие скорости изменения входных/выходных токов. Как показала практика, аккумуляторы, работающие в таких режимах, сразу не выходят из строя, но процесс деградации в них протекает в 1,5÷2 раза быстрее в сравнении с работой при постоянных токах аналогичных амплитуд. Предложение по сравнению с прототипом имеет преимущества, т.к. использование дросселя совместно с конденсатором позволяет уменьшить скорости изменения рабочих токов аккумуляторов до желательных величин, но приводит к формированию длительного колебательного процесса с малым коэффициентом затухания, что вызывает и соответствующие, нежелательные, переходные процессы в самих аккумуляторах. Установка же корректирующих резисторов приводит к очевидному росту потерь энергии. Во избежание роста этих потерь предлагается установка параллельно конденсатору диода, подключаемого анодом к отрицательному, а катодом к положительному потенциалу выходов аккумуляторной батареи и установка низковольтного варистора параллельно дросселю.
Устройство работает следующим образом. При прерывании процесса заряда аккумуляторов, энергия, запасенная в дросселе L, замыкается через аккумуляторы АКБ и диод Д, Колебательный процесс отсутствует. При прерывании процесса разряда аккумуляторов, энергия, запасенная в дросселе L, замыкается через конденсатор С и аккумуляторы АКБ. Происходит заряд конденсатора С и возникает перенапряжение, достигающее существенных величин. При относительно небольшой емкости конденсатора С, порядка 100 мкФ и требуемой индуктивности, равной 1 мГн, перенапряжение на выходе 300 вольтовой аккумуляторной батареи может достигнуть до 350 В, а в случае резкого прерывания тока сила тока доходит до 200 А. Увеличение емкости конденсатора С позволит уменьшить перенапряжение, но в таком случае увеличивается длительность переходного процесса. Установленный параллельно дросселю L варистор RU фактически не влияет на передний фронт изменения тока, но ограничит перенапряжение до уровня своего открывания, например, 10 В.
Затем конденсатор С, дозаряженный на небольшое напряжение, начинает разряжаться через дроссель L и аккумуляторы АКБ. Колебательный процесс заканчивается быстро, так как далее процесс протекания реактивного тока в этом направлении реализуется в одну сторону через диод Д.
Таким образом, с целью минимизации негативных явлений, связанных с переходными процессами в аккумуляторах, и с увеличением соответственно ресурса и длительности их работы, т.к. удается шунтировать выход аккумуляторной батареи последовательно соединенными конденсатором и дросселем, при этом параллельно конденсатору во встречном относительно полюсов аккумуляторной батареи направлении подключен диод, а параллельно дросселю подключен варистор и энергетический съем осуществляется с клеммы аккумуляторной батареи и точки соединения конденсатора и дросселя. Данное устройство должно ограничивать напряжения и токи переходных процессов на уровне не выше максимального допустимых эксплуатационных для используемого типа аккумулятора.