ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области электротехники и может найти применение в системах энергоснабжения автономных объектов, например, космических аппаратов, использующих аккумуляторные батареи в качестве накопителей энергии.
К таким системам энергоснабжения автономных объектов предъявляются жесткие требования по надежности и ресурсу. Некоторыми из этих требований являются: уменьшение числа элементов в устройстве с целью снижения массы и габаритов и увеличение диапазона изменения выходного напряжения без ухудшения динамических показателей полупроводниковых элементов.
Из уровня техники известно зарядно-разрядное устройство для аккумуляторных батарей, содержащее первый и второй конденсаторы фильтров, первый и второй МДП-транзисторы, первый второй и третий диоды и дроссель. При этом сток первого транзистора и катод первого диода подсоединены к первому выводу первого конденсатора, анод третьего диода подключен к истоку первого транзистора. Точка соединения анода первого диода, стока второго транзистора и катодов второго и третьего диодов соединена с первым выводом дросселя, второй вывод которого связан с первым выводом второго конденсатора. Исток второго транзистора и анод второго диода соединены со вторыми выводами обоих конденсаторов фильтра и общим проводом для подключения нагрузки, источника энергии (первичного источника энергии) и аккумуляторной батареи. При этом первый вывод первого конденсатора фильтра предназначен для подключения нагрузки и источника энергии, а первый вывод второго конденсатора фильтра - для подключения аккумуляторной батареи (1. Патент РФ №2658624, H02J 7/34 (2006.01), опубл. 22.06.2018, Бюл. №18). Это зарядно-разрядное устройство предполагается к использованию в системах электроснабжения космических аппаратов с повышенным напряжением (40-120 В), а также позволяет повысить КПД в режиме разряда преобразования на 3-5% при снижении КПД в режиме заряда на величину менее 1%.
Однако известное (1) зарядно-разрядное устройство имеет ограниченное применение, поскольку зарядное напряжение (напряжение на аккумуляторной батарее) не может превышать напряжение первичного источника энергии из-за принципа действия понижающего преобразователя. Кроме того происходит ухудшение динамических показателей полупроводниковых ключей, из-за увеличения выделяемой мощности при переключении транзисторных ключей, особенно при повышении напряжения, свыше 100 В.
Известно также зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтров, первый и второй МДП-транзисторы и первый, второй, третий и четвертый диоды. Это устройство содержит также выпрямитель, включающий обмотку со средней точкой. При этом катод первого Диода подсоединен к первому выводу первого конденсатора, средняя точка обмотки связана с первым выводом первого конденсатора, начало и конец обмотки подключены к анодам третьего и четвертого диодов выпрямителя, а их катоды подключены к стоку первого МДП-транзистора. При этом точка соединения анода первого диода, стока второго транзистора и катода второго диода соединена с первым выводом дросселя, второй вывод которого связан с первым выводом второго конденсатора. Сток второго транзистора и анод второго диода соединен со вторыми выводами обоих конденсаторов фильтра и общим проводом для подключения нагрузки, источника энергии и аккумуляторной батареи. При этом первый вывод первого конденсатора фильтра предназначен для подключения нагрузки и источника энергии (первичного источника энергии), а первый вывод второго конденсатора фильтра для подключения аккумуляторной батареи. (2. Патент РФ №2660823, H02J 7/10 (2006.01), опубл. 10.07.2018 Бюл. №19)
Данное зарядно-разрядное устройство (2) позволяет увеличить зарядное напряжение выше напряжения первичного источника энергии, по сравнению с аналогом (1). Однако устройство по аналогу (2) имеет большое число элементов, что, в свою очередь, ухудшает как КПД зарядно-разрядного устройства, так и динамические показатели устройства в целом, а также увеличивает его массу и габариты.
Из уровня техники известно разрядное устройство, принятое за прототип, как наиболее близкое по совокупности существенных признаков и по достигаемому результату. (3, А.K. Weinberg; P. Rueda Boldo, "A High Power, High Frequency, DC to DC Converter for Space Applications". Power Electronics Specialists Conference, 1992. PESC '92 Record, 23rd Annual IEEE, Pages: 1140-1147 vol. 2).
Это устройство (3) содержит магнитосвязанный дроссель, трансформатор, содержащий первую и вторую обмотки, первый и второй транзисторы, первый, второй и третий диоды, конденсатор фильтра, аккумуляторную батарею и нагрузку. При этом первый вывод для подключения аккумуляторной батареи подключен к первому выводу магнитосвязанного дросселя, средняя точка которого соединена с первым выводом первой обмотки и вторым выводом второй обмотки трансформатора. Катоды первого, второго и третьего диодов подключены к первому выводу конденсатора фильтра и к первому выводу нагрузки. Анод третьего диода подключен ко второму выводу магнитосвязанного дросселя. Анод первого диода подключен ко второму выводу первой обмотки трансформатора и соединен со стоком первого транзистора. Анод второго диода соединен с первым выводом второй обмотки трансформатора и со стоком второго транзистора. Истоки первого и второго транзистора, второй вывод конденсатора фильтра, второй вывод для подключения аккумуляторной батареи и второй вывод нагрузки подключены к общему выводу.
Описанное разрядное устройство (3) имеет КПД свыше 90%, и низкие динамические потери в полупроводниковых элементах. Это обусловлено электромагнитными процессами (процессами перемагничивания), протекающими в трансформаторе и дросселе в режиме разряда, что обеспечивает уменьшенные динамические потери в полупроводниковых элементах. Однако это устройство (3) не обеспечивает режим заряда аккумуляторной батареи, что снижает его функциональные возможности практического применения как зарядно-разрядного устройства, что особенно важно для систем энергоснабжения автономных объектов. Так как эти системы требуют введения отдельного зарядного устройства, что приводит к увеличению массы и габаритов.
Технической проблемой является низкие функциональные возможности прототипа при повышенных массе и габаритах, сдерживающие его широкое практическое применение в системах энергоснабжения автономных объектов.
Технический результат, достигаемый при решении данной технической проблемы, заключается в создании зарядно-разрядного устройства, с повышенными функциональными возможностями и пониженными массой и габаритами, заключающийся в реализации двунаправленного режима работы (заряда и разряда аккумуляторной батареи) и увеличении диапазона изменения выходного напряжения относительно входного, имеющего одновременно высокий КПД и низкие динамические потери в полупроводниковых элементах.
Технический результат достигается следующим образом. Заявляемое зарядное-разрядное устройство, как и прототип, содержит магнитосвязанный дроссель, трансформатор, содержащий первую и вторую обмотки, первый конденсатор фильтра; первый, второй и третий диоды, первый и второй транзисторы, аккумуляторную батарею и нагрузку. Средняя точка магнитосвязанного дросселя подключена к первому выводу первой обмотки и второму выводу второй обмотки трансформатора. Анод первого диода подключен ко второму выводу первой обмотки трансформатора и соединен со стоком первого транзистора. Анод второго диода соединен с первым выводом второй обмотки трансформатора и со стоком второго транзистора. Катоды первого и второго диодов имеют общую точку соединения. Истоки первого и второго транзисторов, второй вывод первого конденсатора фильтра, второй вывод для подключения аккумуляторной батареи и второй вывод нагрузки подключены к общему выводу.
В отличие от прототипа дополнительно введены: третий транзистор, датчики заряда и разряда, солнечная батарея, второй конденсатор фильтра и система управления, содержащая пять выводов. Исток третьего транзистора подключен ко второму выводу магнитосвязанного дросселя, а его сток имеет общую точку соединения с общей точкой соединения катодов первого и второго диодов и первым выводом датчика разряда, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора фильтра, с первым выводом нагрузки и с первым выводом солнечной батареи. При этом третий вывод датчика разряда соединен с пятым выводом системы управления. Катод третьего диода подключен к точке соединения истока третьего транзистора и второго вывода магнитосвязанного дросселя, при этом анод третьего диода и второй вывод солнечной батареи подключены к общему выводу. Первый вывод второго конденсатора фильтра подключен к первому выводу магнитосвязанного дросселя и через датчик заряда связан с первым выводом для подключения аккумуляторной батареи. Второй вывод второго конденсатора фильтра подключен к общему выводу. При этом третий вывод датчика заряда соединен с первым выводом системы управления. Управляющие выводы первого, второго и третьего транзисторов соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым выводами системы управления.
Техническая суть заявляемого зарядно-разрядного устройства поясняется чертежом, на котором показана его функциональная схема.
Устройство содержит аккумуляторную батарею 1, магнитосвязанный дроссель 2, трансформатор, имеющий первую обмотку 3 и вторую обмотку 4, первый транзистор 5, второй транзистор 6, третий транзистор 8, первый диод 9, второй диод 10, третий диод 7, датчик разряда 11, датчик заряда 15, первый конденсатор фильтра 12, второй конденсатор фильтра 16, нагрузку 13, солнечную батарею 14 и систему управления 17. Система управления 17 имеет пять выводов: первый вывод 18, второй вывод 19, третий вывод 20, четвертый вывод 21 и пятый вывод 22. При этом первый вывод для подключения аккумуляторной батареи 1, через датчик заряда 15, соединен с первым выводом магнитосвязанного дросселя 2 и первым выводом второго конденсатора фильтра 16. Средняя точка магнитосвязанного дросселя 2 соединена с первым выводом первой обмотки 3 трансформатора и вторым выводом второй обмотки 4 трансформатора. Второй вывод первой обмотки 3 трансформатора соединен со стоком первого транзистора 5 и анодом первого диода 9. Первый вывод второй обмотки 4 трансформатора соединен со стоком второго транзистора 6 и анодом второго диода 10. Второй вывод магнитосвязанного дросселя 2 подключен к истоку третьего транзистора 8 и катоду третьего диода 7. Катоды первого 9 и второго 10 диодов и стока третьего транзистора 8 образуют общую точку, которая подключена через датчик разряда 11 с первым выводом первого конденсатора фильтра 12, первым выводом нагрузки 13 и первым выводом солнечной батареи 14. Второй вывод для подключения аккумуляторной батареи 1, второй вывод второго конденсатора фильтра 16, истоки первого 5 и второго 6 транзисторов, анод третьего диода 7, второй вывод первого конденсатора фильтра 12, второй вывод нагрузки 13 и второй вывод солнечной батареи 14 подключены к общему выводу. Третьи выводы датчиков разряда 11 и датчика заряда 15, а также управляющие выводы первого 5, второго 6, и третьего 8 транзисторов подключены к соответствующим выводам (18-22) системы управления 17.
Работа заявляемого устройства рассмотрена на конкретном примере. Схема собрана на доступных комплектующих, с возможностью многократного воспроизведения. Схема собрана на МДП-транзисторах, быстродействующих диодах, моточные элементы выполнены на ферритовых сердечниках, в качестве фильтров использованы пленочные конденсаторы, в качестве датчиков заряда и разряда используются датчики тока. Система управления предназначена для ШИМ управления первым транзистором 5 и вторым транзистором 6 в режиме разряда, и третьим транзистором 8 в режиме заряда. Кроме того, обеспечивается переход устройства из режима работы заряда в режим работы разряда с помощью датчиков заряда 15 и датчика разряда 11 соответственно.
В режиме разряда, управляющий ШИМ-сигнал системы управления 17 поступает на первый 5 и второй 6 транзисторы. При работе первого транзистора 5, происходит передача энергии аккумуляторной батареи 1, через маг-нитосвязанный дроссель 2, через первую обмотку 3 трансформатора во вторую обмотку 4 трансформатора и, через второй диод 10. Накопленная энергия поступает, через датчик разряда 11, в первый вывод второго конденсатора фильтра 12 и нагрузку 13. При работе второго транзистора 6, происходит передача энергии аккумуляторной батареи 1, через магнитосвязанный дроссель 2, через вторую обмотку 4 трансформатора в первую обмотку 3 трансформатора и, через первый диод 9. Наколенная энергия поступает, через датчик разряда 11, в первый вывод второго конденсатора фильтра 12 и нагрузку 13. В случае, когда первый транзистор 5 и второй транзистор 6 отключены, энергия протекает через внутренний диод третьего транзистора 8, через датчик разряда 11, в первый вывод второго конденсатора фильтра 12 и нагрузку 13.
В режиме заряда, управляющий ШИМ-сигнал системы управления 17 поступает на третий транзистор 8. В открытом состоянии третьего транзистора 8, энергия поступает от солнечной батареи 14 в магнитосвязанный дроссель 2, первый вывод второго конденсатора фильтра 16, через датчик заряда 15, в аккумуляторную батарею 1. В закрытом состоянии транзистора 8, энергия, накопленная в магнитосвязанном дросселе 2, передается, через второй конденсатор фильтра 16 и третий диод 7, через датчик заряда 15, в аккумуляторную батарею 1.
Экспериментальная проверка предполагаемого технического решения показала, что в режиме разряда обеспечивается КПД 95%, а в режиме заряда КПД достигает 92%, что удовлетворяет требованиям практического применения. Предлагаемое техническое решение зарядно-разрядного устройства может быть использовано в системах электроснабжения космических аппаратов с напряжение 55-100 В.
Таким образом, заявленное зарядно-разрядное устройство обеспечивает двунаправленный режим работы, что расширяет его функциональные возможности и снижает за счет этого его массу и габариты при практической реализации как зарядно-разрядного устройства. Это достигается за счет введения небольшого количества новых элементов и новых связей, а именно двух датчиков заряда и разряда, одного транзистора и солнечной батареи. Таким образом, при минимальном количестве элементов схемы, данное зарядно-разрядное устройство, расширяет свои функциональные возможности и снижает за счет этого массу и габариты, обеспечивает двунаправленный режим работы и позволяет увеличить диапазон изменения выходное напряжение относительно входного, при сохранении высокого значения КПД и минимальных динамических потерях в полупроводниковых элементах.