УСТРОЙСТВО ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЕМ ПОРТАТИВНОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам поддержания в рабочем состоянии вторичных элементов (аккумуляторов), и может быть использована в системах электропитания различных технических средств и систем (ТСС), преимущественно, функционирующих в автономном режиме от химических источников тока (ХИТ), для обеспечения высокого уровня работоспособности ХИТ с возможностью отдачи в нагрузку, которой являются ТСС, максимального энергоресурса/емкости на основе распределения тока, потребляемого ТСС, между основной и резервной батареями.
Работоспособность технических устройств и систем, функционирующих в автономном режиме, наиболее часто обеспечивается с помощью химических источников тока (ХИТ) типа аккумуляторов, как правило, объединенных в аккумуляторную батарею (АКБ).
Использование АКБ в портативных радиоэлектронных устройствах и системах (ПРУС) во многом определяет, как пользовательские сервисы, так и эксплуатационные характеристики аппаратуры. Одной из основных технических характеристик ПРУС является длительности автономной работы. При этом во многих применениях востребованы ПРУС, имеющие минимальные габариты и массу. Типовыми потребителями такой аппаратуры являются геологи, спасатели МЧС, медики, военные и др.
Однако, как показали исследования, повышение длительности автономной работы ПРУС, при наличии жестких ограничений на их габариты и вес, является весьма сложной задачей. Это обусловлено наличием противоречия, суть которого состоит в том, что уровень миниатюризации радиоэлектронных компонентов достиг такого уровня, при котором, масса и габариты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в основном, определяются параметрами АКБ. В этих условиях, для увеличения длительности автономной работы РЭА надо использовать АКБ с большей емкостью. АКБ с большой емкостью имеют большие габариты и массу. Установка в систему электропитания ХИТ с большой емкостью приводит к значительному увеличению массы и габаритов РЭА. Поэтому, для снижения массы и габаритов РЭА не надо использовать АКБ с большей емкостью.
Исследования, выполненные авторами, показали, что длительность автономной работы РЭА во многом зависит от токовых режимов, воздействующих на АКБ. Так, исправная аккумуляторная батарея может обеспечивать питание ПРУС в течение длительного промежутка времени, особенно, когда она разряжается номинальным (рабочим) током. В таком режиме эксплуатации может быть использована максимальная емкость АКБ, предусмотренная ее спецификацией, а также обеспечена высокая надежность функционирования, как АКБ, так и ПРУС. Однако, как показывает практика, при реальной эксплуатации ПРУС/РЭА, работоспособность АКБ быстро снижается из-за действия на нее больших разрядных токов, превышающих номинальные токи. Это приводит к ускоренному расходу емкости АКБ и сокращению длительности автономной работы ПРУС, получающей электропитание от упомянутой АКБ, а также может вызывать выход из строя АКБ и служить источником отказов ПРУС/РЭА.
В связи с этим, поиск путей повышения длительности автономной работы ПРУС, функционирующих с электропитанием от АКБ, при ограничениях на ее габариты и вес, является актуальной задачей.
В процессе исследований установлено, что задачу повышения длительности автономной работы ПРУС можно представить как проблему повышения работоспособности АКБ с точки зрения создания условий, обеспечивающих отдачу в нагрузку, которой является ПРУС, максимального энергоресурса/емкости АКБ. Корректность такого подхода основана на следующем. Так, известно, что при воздействии на АКБ разрядных токов, превышающих номинальное значение, установленное для элементов АКБ, наблюдается значительное (до 50%) снижение уровня отдаваемой емкости/энергоресурса, ускоренный износ и быстрая деградация электрических параметров батареи. Проще говоря, при действии на АКБ больших нагрузочных токов, ее работоспособность снижается. Это приводит к снижению длительности автономной работы и надежности функционирования ПРУС.
Исследования показали, что типовое решение поставленной задачи заключается в выборе таких элементов АКБ, которые имеют номинальный ток, равный току ПРУС, потребляемому в течении >70% его работы, и имеют максимальный/допустимый разрядный ток, соответствующий или превышающий максимальный ток потребления ПРУС в режимах, длительность которых <30% от общей продолжительности работы ПРУС. При таком подходе предполагается, что использование энергоресурса/емкости АКБ может быть достигнуто около 70-90%.
Установлено, что во многих случаях соотношение номинальной токовой нагрузки (НТН) и максимальной токовой нагрузки (МТН) на АКБ, может существенно различаться, в зависимости от режимов эксплуатации ПРУС. Например, при использовании радиостанции, в которой НТН соответствует режим приема, а МТН - режим передачи, соотношение НТН/МТН - зависит от интенсивности ведения переговоров. При ожидании редких вызовов, и сигналов оповещения соотношение НТН/МТН может быть <<1, а при корректировке действий физических лиц, выполняющих спасательные операций, соотношение НТН/МТН может приближаться к 1. Поэтому, использование типового подхода к проектированию систем автономного электропитания ПРУС часто вызывает понижение коэффициента использования ресурса батареи (КИРБ), который может снижаться ниже 50% из-за увеличения длительности работы ПРУС в режиме с МТН.
Авторы пришли к выводу, что расчет параметров АКБ (по емкости и разрядным токам) для обеспечения требуемой длительности функционирования ПРУС с использованием типовых подходов - не эффективен, поскольку КИРБ, который может быть представлен, как отношение реальной емкости (отданной в нагрузку) АКБ к ее паспортному значению, может иметь слишком низкое значение.
Повышение показателя КИРБ ПРУС с использованием типовых подходов неизбежно требует применения более мощных элементов АКБ, что влечет, как показано выше, увеличение массы и габаритов, как самой АКБ, так и ПРУС в целом, что не допустимо, по условиям поставленной задачи.
Как показали исследования, наличие упомянутых противоречий и ограничений затрудняет решение поставленной задачи. Известные устройства и системы/технические решения имеют существенные недостатки, значительно снижающие показатель КИРБ, поэтому поиск более эффективных решений является весьма актуальным.
В процессе исследований установлено, что для решения поставленной задачи может быть использован дифференцированный подход к обеспечению автономного электропитания (АЭП) ПРУС, функционирующей с электропитанием от ХИТ. Суть подхода заключается в том, что в систему АЭП, содержащую основную аккумуляторную батарею (ОАКБ), дополнительно вводятся резервный источник питания (РИП) в виде накопительного элемента, например, суперконденсатора, обладающего свойствами многократной перезарядки и отдачи в нагрузку больших разрядных токов, и элементы управления, обеспечивающие бесперебойное АЭП аппаратуры, как от ОАКБ, так и от РИП. При этом используется дифференцированное управление АЭП ПРУС, предусматривающее контроль тока, потребляемого нагрузкой, которой является ПРУС, и бесперебойное подключение/отключение необходимого источника электропитания - ОАКБ или РИП, в соответствии с уровнем тока, потребляемого ПРА. Так, при номинальном токе нагрузки (НТН) - подключается ОАКБ, а при возникновении максимальной токовой нагрузки (МТН), то есть токов, уровень которых превышает номинальное или допустимое значение для ОАКБ, подключается РИП. При использовании такого подхода также предполагается, что обеспечение наиболее тяжелого режима, с точки зрения токовой нагрузки на систему электропитания, возлагается на узел РИП, который, при его реализации на основе суперконденсаторов, может обеспечить отдачу в нагрузку больших (до десятков ампер) токов без существенного снижения выходного напряжения в широком диапазоне температур, с последующим (после разряда) его зарядом от ОАКБ небольшими токами. Дифференцированное управление электропитанием нагрузки (ДУЭН) позволяет перераспределить разрядный ток ХИТ таким образом, что при НТН работа ПРА осуществляется от ОАКБ, а при возникновении МНТ, электропитание ПРА осуществляется от РИП.
Исследования показали, что при использовании ДУЭН отпадает необходимость применения ОАКБ, обеспечивающего большие нагрузочные токи, возникающие в режиме МНТ. Это позволяет использовать элементы ОАКБ с номинальной емкостью в 1.3-2 раза большей, по сравнению с элементами ОАКБ аналогичного типоразмера, которые ориентированы на работу с большими разрядными токами. Снижение требований по уровню разрядного тока позволяет использовать ОАКБ большей емкости, а следовательно, за счет этого, увеличить длительность автономной работы ПРУС. Причем, эффект, достигаемый в увеличении длительности автономной работы ПРУС, обеспечивается двумя составляющими, во-первых, за счет использования более емких (с большей емкостью, при тех же габаритах) элементов ОАКБ, а также за счет повышения показателя КИРБ, поскольку отдача энергоресурса (емкости) ОАКБ, при разряде ее НТН, будет значительно большей, чем при МТН. Таким образом, по мнению авторов, использование концепции ДУЭН при создании АЭП ПРУС, может быть достигнуто эффективное решение поставленной задачи, связанной с повышением длительности автономного функционирования портативной радиоэлектронной аппаратуры при наличии жестких ограничений на ее габариты и вес.
Руководствуясь указанным подходом (концепцией ДУЭН), авторами выполнен информационный/патентный поиск и установлено следующее.
Так, из техники [Л1] известен способ дифференцированного управления электропитанием нагрузки, предусматривающий использование алюминиевых электролитических конденсаторов, устанавливаемых параллельно выводам АКБ. Использование этого способа частично снижает воздействие МТН на АКБ и способствует повышению показателя КИРБ аккумуляторной батареи. Это достигается за счет того, что при воздействии МТН на АКБ, ее выходное напряжение может снижаться, однако этому препятствует упомянутый конденсатор, который начинает разряжаться, отдавая накопленную энергию в нагрузку.
Недостатком данного способа является низкая эффективность перераспределения токовой нагрузки с АКБ на упомянутый накопительный элемент типа конденсатора, подключенного к АКБ. При использовании данного способа достигается низкий уровень КИРБ узла АКБ, поскольку ее защита от МТН - кратковременна (менее 1 сек), чего недостаточно, поскольку длительность функционирования ПРУС в режиме с МТН может быть более продолжительным (>>1 сек). При использовании данного способа обеспечивается лишь частичное «смягчение» токовой нагрузки на аккумуляторную батарею от действия больших разрядных токов в течении крайне малого времени, измеряемого миллисекундами. Этого времени (менее 1 сек) недостаточно, чтобы обеспечить существенное (длительное по времени) освобождение АКБ от действия МТН, действующих на АКБ. Поэтому, в результате длительного действия МТН на АКБ, происходит укоренная потеря ее емкости/энергоресурса. Из-за этого, использование данного способа не позволяет успешно решить поставленную задачу.
В процессе исследований установлено, что повышение показателя КИРБ может быть достигнуто на основе использования изделий типа ионисторов [Л2, Л3]. Ионисторы характеризуются высокой плотностью энергии, допускают быстрый заряд большим током (десятки ампер) и заряд токами различного уровня, допускают глубокий разряд, имеют длительный срок эксплуатации (число рабочих циклов может превышать нескольких миллионов), имеют сверхнизкое стабильное сопротивление ESR, могут работать в широком диапазоне рабочих температур, имеют малый вес и габариты, оборудованы предохранительным клапаном избыточного давления (взрывобезопасны) и виброустойчивы. По плотности мощности и плотности энергии ионисторы заполняют нишу между аккумуляторными батареями и электролитическими конденсаторами и могут более эффективно использоваться для обеспечения пиковой мощности источников питания, и тем самым, облегчать токовую нагрузку на ХИТ типа ОАКБ.
Из [Л4] известно устройство резервного электропитания (далее - устройство), состоящее из химического источника питания типа аккумуляторной батареи (АКБ), коммутатора, ограничителя тока (ОТ) и ионистора, который первым портом соединен со входом нагрузки и первым портом узла ОТ, который вторым портом соединен с первым портом коммутатора, который вторым портом соединен с первым выходом источника питания, который вторым выходом соединен со вторым портом ионистора и выходом нагрузки. При этом, узел коммутатора выполнен в виде диода, узел ОТ выполнен в виде резистора. Устройство выполнено с возможностью ДУЭН, что достигается за счет использования для электропитания нагрузки двух источников тока (АКБ и ионистора), подключаемых к нагрузке таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить бесперебойную подачу энергии в нагрузку, а с другой - при снижении выходного напряжения на выходе АКБ (при разряде и/или действии МТН), поддержать требуемый уровень на выходе системы электропитания ПРА за счет подачи в нагрузку энергии, накопленной в ионисторе.
Устройство функционирует следующим образом. В исходном состоянии от основного источника питания (АКБ) напряжение подается на нагрузку, в качестве которой используется ПРУС, и на ионистор. При этом происходит электропитание ПРУС и заряд ионистора. Узел коммутатора предотвращает разряд ионистора через цепь подачи питающего напряжения, а узел ОТ ограничивает зарядный ток ионистора, защищая источник питания (АКБ) от перегрузки в начальный момент его подключения к ионистору. При возникновении МТН, на выходе АКБ напряжение может снижаться ниже допустимого значения, что может быть вызвано чрезмерно большим уровнем МТН или тем, что АКБ потеряла работоспособность/разряжена и не может обеспечить на своем выходе стабильное напряжение с отдачей в нагрузку большого разрядного тока. В этом случае, для поддержки МТН включается ионистор - он начинает разряжаться и обеспечивает электропитание ПРУС с необходимым уровнем напряжения и тока. После окончания действия МТН устройство возвращается в исходное состояние.
К достоинствам данного устройства можно отнести его простоту и практически неограниченное число циклов заряда-разряда ионистора, который не требует ухода в течении всего срока эксплуатации устройства.
Недостатки данного устройства - аналогичные предыдущему способу. Это обусловлено тем, что данное устройство только лишь частично снижает нагрузку на аккумуляторную батарею от разрушительного действия МТН, поскольку ионистор подключен к нагрузке постоянно и начинает разряжаться только лишь при снижении выходного напряжения АКБ, то есть, после того как воздействие МТН на АКБ уже произошло. Кроме того, длительность действия ионистора (длительность поддержки электропитания ПРУС в режиме МТН) весьма кратковременна (порядка нескольких секунд). Это обусловлено тем, что разряд ионистора сопровождается быстрым снижением напряжения на нем. В его разрядной характеристике отсутствует уплощенный участок, как у типовых аккумуляторов, поэтому, отдав в нагрузку несколько процентов запасенной энергии, ионистор переходит в состояние, когда его выходное напряжение снижается ниже допустимого значения (ниже допустимого напряжения питания ПРУС). То есть, коэффициент использования энергии ионистора (КИЭИ), как отношение энергии отданной в нагрузку к энергии, запасенной в нем, низкий (<<1), что существенно снижает эффективность работы данного устройства.
По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известный из техники [Л5], комбинированный источник бесперебойного электропитания (далее - устройство), состоящий из аккумуляторной батареи (АКБ), батареи электрохимических конденсаторов (ионисторов) (БЭК), блока управления (БУ) и коммутатора, который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом АКБ и первым портом узла БУ, со вторым портом узла БУ, с узлом БЭК и с нагрузкой, при этом, узел коммутатора выполнен с возможностью подключения источников электрической энергии к нагрузке без прерывания ее электропитания, узел БУ выполнен с возможностью контроля напряжения на выходе узла АКБ и его отключения с одновременным подключением БЭК, когда напряжение на АКБ снижается ниже допустимого значения, узел БЭК выполнен с возможностью заряда от узла АКБ.
Функциональная схема устройства представлена на фиг.1. Устройство (фиг.1) состоит из узла АКБ 2, узла БУ 5, узла БЭК 4 и узла коммутатора 3, который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с выходом узла АКБ 2 и первым портом узла БУ 5, со вторым портом узла БУ 5, с выходом узла БЭК 4 и с нагрузкой 1. При этом, узел коммутатора 3 выполнен с возможностью бесперебойной коммутации/подключения источников электрической энергии АКБ 2 и БЭК 4 к нагрузке 1 (без прерывания ее электропитания), узел БЭК 4 выполнен с возможностью заряда от узла АКБ 2.
Устройство (фиг1) функционирует следующим образом. При включении электропитания ПРУС, выполняющего роль нагрузки для данного устройства, начинает работать узел АКБ 2. То есть, электропитание нагрузки осуществляется от узла АКБ 2 через открытый канал узла коммутатора 3. Одновременно с этим, осуществляется подзарядка узла БЭК 4.
В процессе функционирования ПРУС, узлом БУ 5 реализуется ДУЭН, что обеспечивается контролем напряжения на выходе узла АКБ 2 и, если напряжение на нем снижается ниже допустимого значения, например, при разряде АКБ 2, или при воздействии на нее МТН, которые не может обеспечить АКБ 2, то узлом БУ 5 переключается коммутатор 3 в такое состояние, при котором для электропитания нагрузки включается узел БЭК 4. Поскольку узел коммутатора 3 выполнен с возможностью подключения/ отключения источников электрической энергии (АКБ 2 и БЭК 4) к нагрузке без прерывания ее электропитания, то функционирование ПРУС, питаемого от данного устройства, осуществляется без сбоев/отказов.
Данное техническое решение (ТР) частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Так, в данном ТР обеспечивается более эффективное ДУЭН. Это достигается за счет того, что при возникновении в нагрузке 1 МТН, вызывающих снижение выходного напряжения АКБ 2 ниже допустимого значения, этот факт идентифицируется узлом БУ 5, который посредством коммутатора 3 отключает АКБ 2 от нагрузки 1 и подключает к ней узел БЭК 4, который обеспечивает электропитание нагрузки 1 (ПРУС) с необходимым МТН. В результате этого действие МТН на узел АКБ 2, вызывающее ускоренный разряд АКБ 2, снижается, что способствует повышению уровня работоспособности узла АКБ 2 и увеличению длительности автономной работы ПРУС, питаемой от узла АКБ 2.
Недостатки данного технического решения - аналогичны предыдущему устройству. Это обусловлено тем, что устранение действия МТН на узел АКБ 2 обеспечивается только тогда, когда МТН вызывает снижение ее выходного напряжения, в противном случае - узел АКБ 2 может длительное время (пока выдерживает АКБ 2) интенсивно разряжаться под воздействием стрессовой токовой нагрузки в виде МТН. В результате этого может происходить ускоренная деградация электрических параметров узла АКБ 2 (снижение работоспособности/емкости) и повышение вероятности возникновения неисправности/выхода из строя/отказа, как узла АКБ, так и ПРУ.
Также, при использовании данного ТР, реализуется низкий уровень КИРБ узла АКБ 2, поскольку длительность работы узла БЭК 4, при обеспечении нагрузки 1 токами с уровнями, соответствующими МТН, ограничена единицами секунд, чего недостаточно во многих случаях. Так, например, при ведении радиотелефонных переговоров, как показано выше, длительность передачи сообщений, когда используется режим МТН (включен передатчик), может превышать нескольких минут. В подобных случаях узел БЭК 4 потеряет энергоресурс, а режим МТН еще не кончится, что приведет к тому, что МТН в оставшееся время будет действовать на узел АКБ 2, вызывая ускоренную потерю его емкости/энерогоресурса.
Исследования показали, что повышение длительности работы узла БЭК 4, при обеспечении функционирования ПРУС в режиме с МТН, весьма проблематично, что обусловлено причинами объективного характера. Основной из них является то, что в разрядной характеристике ионисторов, составляющих узел БЭК 4, отсутствует уплощенный участок, как, например, у АКБ 2, поэтому, отдав в нагрузку несколько процентов запасенной энергии, узел БЭК 4 переходит в состояние, когда его выходное напряжение снижается ниже допустимого значения (ниже допустимого напряжения питания ПРУС). То есть, как отмечалось выше, показатель КИЭИ, как отношение энергии отданной в нагрузку 1 к энергии, запасенной в узле БЭК 4 - низкий (<<1), что существенно снижает эффективность работы данного ТР.
По мнению авторов, повышение эффективности дифференцированного управления электропитанием нагрузки 1 может быть достигнуто на основе контроля протекающих в ней токов с идентификацией НТН или МТН и бесперебойного подключения к нагрузке 1, соответственно узлов АКБ 2 или БЭК 4. Однако, это решает поставленную задачу лишь частично, поскольку длительность работы узла БЭК 4 в режиме обеспечения нагрузки 1 токами с уровнем МТН - низкая. В результате этого, после обнаружения в нагрузке 1 режима МТН и подключения узла БЭК 4 для электропитания ПТУ, возможны ситуации, в которых напряжение на выходе узла БЭК 4 снизилось ниже допустимого значения, а режим МТН в нагрузке 1 еще не закончился. В этом случае происходит отключение узла БЭК 4 и подключение к нагрузке 1 узла АКБ 2, который начинает разряжаться токами уровня МТН, которые вызывают ускоренную потерю емкости/энергоресурса узла АКБ 2.
По мнению авторов, для снижения времени действия на узел АКБ 2 разрядных токов с уровнем МТН и повышения показателя КИРБ узла АКБ 2, как основного источника электропитания, определяющего длительность автономного функционирования ПРУС, необходимо обеспечить существенное повышение показателя КИЭИ (коэффициента использования энергии ионистора) узла БЭК 4 для увеличения длительности его работы.
Исследования показали, что типовым подходом, связанным с повышение длительности работы узла БЭК 4 при МТН, является использование ионисторов с большей емкостью. Однако, при решении поставленной задачи, предусматривающей ограничения на габариты и вес, как системы электропитания (в составе узлов АКБ 2 и БЭК 4), так и нагрузки 1 (ПРУС), использование типового подхода весьма ограничено. Поэтому, авторами предложена идея, суть которой состоит в повышении коэффициента использования энергии, запасенной в батареи ионисторов (БЭК 4) путем динамической комбинаторной коммутации ионисторов (ДККИ), предусматривающей формирование узла БЭК 4 из N ионисторов, из которых в каждый момент времени обеспечивается объединение (включение/соединение между собой) такого их количества, при котором обеспечивается минимально допустимый уровень выходного напряжения батареи (на выходе узла БЭК 4). Рассмотрим принцип ДККИ на простом примере. Так, для получения напряжения питания ПРУС равным 5-3В может быть использована батарея ионисторов, содержащая два последовательно включенных элемента/ионистора с выходным напряжением 2.5В. При использовании упомянутой батареи, работоспособность ПРУС будет сохраняться до тех пор, пока напряжение на ней будет находиться в пределах 5…3В. После разряде двух последовательно соединенных ионисторов ниже уровня 1.5В, суммарное напряжение снизится ниже 3В, после чего использовании такой батареи для электропитания РЭА становится невозможным. То есть, энергия ионисторов, в данном примере, может быть использована менее, чем на 50%. Следует заметить, что на практике этот показатель составляет не более 5…10%, что обусловлено наличием небольшой разницы между максимальным и минимальным выходным напряжением батареи ионисторов. Теперь допустим, что N=10. При использовании ДККИ напряжение с уровнем 5…3В может быть получено комбинацией (последовательным соединением), как двух, ионисторов, так и с комбинацией 3-х, 4-х, … 10-и элементов. В предельном случае, при N=10, выходное напряжение батареи (из 10 ионисторов) обеспечивает выходное напряжение 3В при уровне напряжения на отдельных элементах (ионисторах) батареи равное 0.3В. То есть, энергия, запасенная в ионисторе, в данном случае, может быть использована на 90%. По расчетам авторов, за счет использовании ДККИ показатель КИЭИ может быть увеличен в 8-11 раз, что позволяет во столько же раз увеличить длительность работы узла БЭК 4. То есть, при реализации узла БЭК 4 путем ДККИ, может быть получено существенное повышение длительности его работы при МТН. Благодаря этому достигается снижения времени действия разрядных токов с уровнем МТН на узел АКБ 2 и повышение его показателя КИРБ, что обеспечивает повышение длительности автономного функционирования ПРУС от узла АКБ 2.
Таким образом, наиболее эффективное решение поставленной задачи может быть обеспечено на основе использования в предлагаемом техническом решении контроля протекающих в узле АКБ 2 токов с идентификацией НТН или МТН с бесперебойным подключением к нагрузке 1, соответственно узлов АКБ 2 или БЭК 4, и применение динамической комбинаторной коммутации ионисторов (ДККИ), предусматривающей формирование узла БЭК 4 из N ионисторов, из которых в каждый момент времени обеспечивается объединение (соединение между собой) такого их количества, при котором обеспечивается минимально допустимый уровень выходного напряжения батареи БЭК 4.
Исследования показали, что использование контроля протекающих в АКБ токов с идентификацией НТН или МТН и бесперебойного подключения к нагрузке, соответственно узлов АКБ или БЭК, в сочетании с применением динамической комбинаторной коммутации ионисторов в узле БЭК, для решения поставленной задачи, из техники не известно.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей известного устройства, направленных на повышение коэффициента использования энергоресурса/емкости аккумуляторной батареи (АКБ), в процессе ее эксплуатации в составе портативного радиоустройства и/или системы.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство, состоящее из аккумуляторной батареи (АКБ), батареи электрохимических конденсаторов/ионисторов (БЭК), блока управления (БУ) и коммутатора, который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с первым портом узла БУ и со вторым портом узла БУ и выходом узла АКБ, и выполненное с возможностью контроля напряжения на выходе АКБ и бесперебойного питания, то есть подключения/отключения узлов БЭК или АКБ без прерывания электропитания нагрузки, при снижении напряжения на АКБ ниже допустимого значения, дополнительно введены блок контроля напряжения ионисторов (БКНИ), блок коммутации ионисторов (БКИ) и датчик тока (ДТ), который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с нагрузкой и с третьим портом узла БУ, который своими с четвертого по шестой портами соединен, соответственно, с третьим портом коммутатора и первым портом узла БКИ, со вторым портом узла БКИ и с первым портом узла БКНИ, который вторым портом соединен с первым портом узла БЭК, который вторым портом соединен с третьим портом узла БКИ, при этом, узел БУ выполнен в виде микроконтроллера, функционирующего по программе, обеспечивающей возможность контроля тока, протекающего через узел ДТ, и при достижении его значения, соответствующего уровню максимального допустимого тока (МДТ) для узла АКБ, формирования сигналов управления коммутатором для бесперебойного переключения источников электропитания нагрузки, что предусматривает отключение подачи напряжения в нагрузку от узла АКБ с одновременной подачей напряжения в нагрузку от узла БЭК, и обработки сигналов, поступающих с узла БКНИ, для организации с помощью узла БКИ динамической комбинаторной коммутации ионисторов, входящих в состав узла БЭК, обеспечивающей объединение (соединение между собой) такого их количества, при котором поддерживается уровень выходного напряжения батареи (ВНБ) БЭК в допустимых пределах, а также, при снижении ВНБ БЭК ниже допустимого значения или при снижении уровня тока ниже значения МДТ, формирования соответствующих сигналов управления коммутатором, обеспечивающих отключение подачи напряжения в нагрузку от узла БЭК с одновременной подачей напряжения в нагрузку от узла АКБ.
В предлагаемом устройстве обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.
В состав устройства дополнительно введены блок контроля напряжения ионисторов (БКНИ), блок коммутации ионисторов (БКИ) и датчик тока (ДТ), который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с нагрузкой и с третьим портом узла БУ, который своими с четвертого по шестой портами соединен, соответственно, с третьим портом коммутатора и первым портом узла БКИ, со вторым портом узла БКИ и с первым портом узла БКНИ, который вторым портом соединен с первым портом узла БЭК, который вторым портом соединен с третьим портом узла БКИ.
Узел БУ выполнен в виде микроконтроллера, функционирующего по программе, обеспечивающей возможность контроля тока, протекающего через узел ДТ, и при достижении его значения, соответствующего уровню максимального допустимого тока (МДТ) для узла АКБ, формирования сигналов управления коммутатором, обеспечивающим бесперебойное переключение источников электропитания нагрузки, что предусматривает отключение подачи напряжения в нагрузку от узла АКБ с одновременной подачей напряжения в нагрузку от узла БЭК, обработки сигналов, поступающих с узла БКНИ, для организации с помощью узла БКИ динамической комбинаторной коммутации ионисторов, входящих в состав узла БЭК, обеспечивающей объединение (соединение между собой) такого их количества, при котором поддерживается уровень выходного напряжения батареи (ВНБ) БЭК в допустимых пределах, и, при снижении ВНБ БЭК ниже допустимого значения или при снижении уровня тока через узел ДТ ниже значения МДТ, формирования соответствующих сигналов управления коммутатором, обеспечивающих отключение подачи напряжения в нагрузку от узла БЭК с одновременной подачей напряжения в нагрузку от узла АКБ.
Введение дополнительных признаков и использование новых свойств позволяет своевременно отключать АКБ от нагрузки, при возникновении в ней МТН с поддержкой сильноточных режимов работы ПРУС от узла БЭК (для электропитания нагрузки от узла БЭК во время действия ПТН). Это обеспечивает существенное (по сравнению с прототипом) повышение показателя КИРБ узла АКБ, поскольку создаются условия для его разряда номинальным током, при котором этот узел способен отдать максимум своего энергоресурса/емкости. Кроме того, получению этого же результата способствует то, что введенные признаки и свойства обеспечивают также значительное увеличение времени работы узла БЭК за счет повышения его показателя КИЭИ.
Указанные признаки и свойства позволяют существенно расширить функциональные возможности устройства-прототипа, связанные с повышением коэффициента использования энергоресурса/емкости аккумуляторной батареи и увеличить длительность непрерывной втономной работы ПРУС.
Сочетание отличительных признаков и свойств, предлагаемого устройства дифференцированного управления автономным электропитанием портативной радиоэлектронной аппаратуры, из техники не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта по расширению функциональных возможностей данного устройства, связанных с повышением коэффициента использования энергоресурса/емкости аккумуляторной батареи, в процессе ее эксплуатации в составе портативного радиоустройства, необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.
Функциональная схема устройства дифференцированного управления автономным электропитанием портативной радиоэлектронной аппаратуры (далее - устройство) приведена на фиг.2. Устройство (фиг.2) состоит из микроконтроллера (МК) 1, блока контроля напряжения ионисторов (БКНИ) 2, датчика тока (ДТ) 3, коммутатора 4, блока коммутации ионисторов (БКИ) 5, блока электрохимических конденсаторов (ионисторов) (БЭК) 6 и аккумуляторной батареи (АКБ) 8. При этом, коммутатор 4 своими с первого по третий портами соединен, соответственно, с выходом узла АКБ 8 и первым портом узла МК 1, с первым портом узла БКИ 5 и вторым портом узла МК 1 и с третьим портом узла МК 1, который своими с четвертого по шестой портами соединен, соответственно, с узлом ДТ 3, со вторым портом узла БКИ 5 и с первым портом узла БКНИ 2, который вторым портом соединен с первым портом узла БЭК 6, который своим вторым портом соединен с третьим портом узла БКИ 5. Кроме того, узел МК 1, функционирует по программе, обеспечивающей возможность контроля тока, протекающего через узел ДТ 3, и при достижении его значения, соответствующего уровню максимального допустимого тока (МДТ) для узла АКБ 8, формирования сигналов управления коммутатором 4 для осуществления бесперебойного переключения источников электропитания нагрузки 7, что предусматривает отключение подачи напряжения в нагрузку 7 от узла АКБ 8 с одновременной подачей напряжения в нагрузку 7 от узла БЭК 6 через узел БКИ 5, обработки сигналов, поступающих с узла БКНИ 2, для организации с помощью узла БКИ 5 динамической комбинаторной коммутации ионисторов, входящих в состав узла БЭК 6, обеспечивающей объединение (соединение между собой) такого их количества, при котором поддерживается уровень выходного напряжения (УВН) узла БЭК 6 в допустимых пределах (например, от 5В до 3В), а также, при снижении УВН узла БЭК 6 ниже допустимого значения или при снижении уровня тока, потребляемого нагрузкой 7, ниже значения МДТ, формирования соответствующих сигналов управления коммутатором 4, обеспечивающих отключение подачи в нагрузку 7 напряжения от узла БЭК 6 с одновременной подачей напряжения в нагрузку 7 от узла АКБ 8.
Устройство (фиг.2) функционирует следующим образом. В исходном состоянии устройство работает подобно устройству-прототипу. При этом, в ионисторах, входящих в состав узла БЭК 6, обеспечивается накоплении энергии от узла АКБ 8. При включении нагрузки в виде ПРУС, через узел ДТ 3 начинает протекать электрический ток, значение которого оценивается/измеряется/фиксируется узлом МК 1. То есть, узел МК 1 функционирует по программе, обеспечивающей возможность контроля тока, протекающего через узел ДТ 3, и при достижении тока через узел ДТ 3 значения, соответствующего уровню максимального допустимого тока (МДТ) для узла АКБ 8, происходит отключение подачи питающего напряжения от узла АКБ 8, чтобы оградить его от действия больших разрядных токов, возникших в нагрузке 7. Для выполнения отключения узла АКБ 8 и одновременного подключения резервного источника тока, которым является узел БЭК 6, способный выдерживать большие разрядные токи без ущерба для своих свойств, узлом МК 1 формируются и подаются на узел коммутатора 4 соответствующие управляющие сигналы. При этом, с помощью коммутатора 4 обеспечивается бесперебойное переключение источников электропитания нагрузки 7, что предусматривает отключение подачи напряжения в нагрузку 7 от узла АКБ 8 с одновременной подачей напряжения в нагрузку 7 от узла БЭК 6 через узел БКИ 5. После включения узла БЭК 6 для электропитания нагрузки 7 в течении действия в ней МТН, начинается с помощью узла МК 1 обработка сигналов, поступающих с узла БКНИ 2. Узел МК 1 контролирует напряжение на каждом из ионисторов, входящих в состав узла БЭК 6. Это необходимо для организации с помощью узла БКИ 5 динамической комбинаторной коммутации ионисторов, входящих в состав узла БЭК 6, обеспечивающей объединение (соединение между собой) такого их количества, при котором поддерживается уровень выходного напряжения (УВН) узла БЭК 6 в допустимых пределах (например, от 5В до 3В). То есть, по мере разряда упомянутых ионисторов происходит динамическое изменение состава узла БЭК 6 по количеству последовательно соединенных/ включенных ионисторов с таким условием, чтобы суммарное напряжение на выходе узла БЭК 6 находилось в допустимых пределах, при которых сохраняется работоспособность ПРУС (нагрузки 7).
При снижении УВН узла БЭК 6 ниже допустимого значения (при разряде всех ионисторов) или при снижении уровня тока, потребляемого нагрузкой 7, ниже значения МДТ, узлом МК 1 обеспечивается формирование необходимых сигналов управления коммутатором 4, обеспечивающих отключение подачи в нагрузку 7 напряжения от узла БЭК 6 с одновременной подачей напряжения в нагрузку 7 от узла АКБ 8.
Техническим результатом является повышение коэффициента использования энергоресурса/емкости аккумуляторной батареи (АКБ 8), что достигается за счет ее отключения от нагрузки 7, при возникновении больших разрядных токов (МТН), вызывающих ускоренную потерю работоспособности АКБ 8, и увеличения длительности электропитания нагрузки 7 от узла БЭК 6, подключаемого бесперебойным путем, при возникновении МТН, за счет динамической комбинаторной коммутации входящих в него элементов (ионисторов), выполняемой в процессе их разряда во время действия МТН. Отключение АКБ 8 от нагрузки 7, при возникновении в ней МТН, и повышение времени, в течении которого может быть обеспечена нагрузка 7 электропитанием в режиме с МТН от узла БЭК 6, способствует созданию для АКБ 8 условий, при которых она способна отдать в нагрузку 7 максимальное количество энергоресурса/емкости. Это позволяет успешно решить задачу, связанную с увеличением длительности автономной работы ПРУС, питаемой от узла АКБ 8 в составе предлагаемого устройства, при наличии ограничений на вес и габариты упомянутого ПРУС.
Обобщенный алгоритм функционирования устройства может быть представлен в следующем виде.
- Шаг-1. Начало;
- Шаг-2. Подготовка к работе: заряд элементов узла БЭК 6, включение нагрузки.
- Шаг-3. Проверка: значение тока в нагрузке - допустимое? Если Да, то - возврат, если Нет, то переход к шагу 4 - процедуре переключения источников электропитания нагрузки 7 (ИЭН).
- Шаг-4. Процедура переключения ИЭН: переключение коммутатора 4 в состояние, обеспечивающее бесперебойное отключение узла АКБ 8 и подключение к нагрузке 7 узла БЭК 6;
- Шаг-5. Проверка: напряжение на выходе узла БЭК 6 в допустимых пределах? Если - Да, то переход к шагу 9, иначе - переход к шагу 6 - процедуре комбинаторной коммутации ионисторов узла БЭК 6.
- Шаг-6. Комбинаторная коммутация ионисторов узла БЭК 6: подбор такого количества последовательно соединенных ионисторов, при котором выходное напряжение узла БЭК 6 соответствует допустимому значению.
- Шаг-7. Проверка: Все элементы БЭК 6 включены? Если нет, то возврат к шагу - 5, если - Да, то переход к шагу 8 - процедуре отключения узла БЭК 6.
- Шаг-8. Процедура переключения ИЭН: переключение коммутатора 4 в состояние, при котором подача электропитания нагрузки 7 осуществляется от узла АКБ 8, переход к шагу 10.
- Шаг-9. Проверка: значение тока в нагрузке - допустимое? Если Да, то - возврат к шагу-3, если Нет, то переход к шагу-6;
- Шаг-10. Напряжение на выходе узла АКБ 8 в пределах нормы? - Если да, то возврат, если нет, переход к шагу 11.
- Шаг-11. Завершение работы. Прекращение электропитания нагрузки 7.
- Шаг-12. Конец.
При создании предлагаемого технического решения узлы коммутатора 4, АКБ 8 и частично БЭК 6 могут быть аналогичными соответствующим признакам и свойствам прототипа и не требуют значительной доработки при его реализации. При этом, узел БКИ 5 может быть реализован по аналогии с узлом коммутатора 4.
Узел МК 1 может быть реализован на основе PIC-контроллеров, известных из [Л6, Л7].
Узел ДТ 3 может быть реализован на основе датчиков для измерения тока компании National Semiconductor, типа LM3824MM-1,0 [Л8], представляющих собой миниатюрные микросхемы для измерения тока с ШИМ-выходом, которые позволяют реализовать достаточно точный измеритель тока, легко сопрягаемый с микроконтроллером (МК 1) и избежать применения шунта и АЦП. Эти изделия отличаются тем, что содержат интегрированный токоизмерительный шунт, измеряемый ток усредняется на достаточном интервале (6-50 мс), скважность импульсов на ШИМ-выходе изменяется дискретно (количество градаций равно 1024), схема измерения чувствительна к направлению тока, протекающего через внутренний шунт, кроме того, микросхемы этого семейства могут быть включены в плюсовую цепь «верхнее включение», либо в минусовую «нижнее включение», что упрощает схемотехнические решения, используемые при реализации узла ДТ 3.
Узел БКНИ 2 может быть реализован на основе микросхем типа AD7321BRUZ [Л9], представляющих собой 12-битные АЦП, отличающиеся миниатюрностью и обеспечивающие необходимую точность измерения аналогового напряжения ионисторов узла БЭК 6.
Для реализации алгоритмов, необходимых для функционирования узла МК 1, могут быть использованы процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л10-Л13].
Для реализации основных узлов предлагаемого устройства могут быть также использованы решения, известные из авторских изобретений и полезных моделей [Л14-Л17].
На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая полезная модель устройства дифференцированного управления автономным электропитанием портативной радиоэлектронной аппаратуры, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет существенно расширить функциональные возможности известного устройства-прототипа, связанные с повышением коэффициента использования энергоресурса/емкости аккумуляторной батареи (АКБ), в процессе ее эксплуатации в составе портативного радиоустройства или системы (ПРУС), а также обеспечить значительно увеличить длительности автономной работы ПРУС от упомянутой АКБ, без увеличения габаритов и веса, как АКБ, так и ПРУС.
Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Основные узлы предлагаемой полезной модели устройства дифференцированного управления автономным электропитанием портативной радиоэлектронной аппаратуры изготовлены, экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов.
Производимые изделия могут быть интегрированы в системы электропитания различных устройств и систем, функционирующих в автономном режиме, который обеспечивается с помощью ХИТ.
Таким образом, разработанное авторами техническое решение, обеспечивает успешное решение поставленной задачи, связанной с обеспечением повышением длительности работы портативных устройств и систем от автономных источников электропитания типа аккумуляторных батарей (АКБ), особенно, при наличии жестких требований к ним по массе и габаритам. Решение поставленной задачи достигается на основе повышения коэффициента использования энергоресурса, как основного, так и резервного источников тока (узла АКБ 8 и БЭК 6). При этом, повышение коэффициента использования энергоресурса/емкости аккумуляторной батареи (узел АКБ 8) достигается за счет создания для нее условий разряда номинальными токами, при которых она может отдавать в нагрузку практически всю запасенную энергию. При возникновении в нагрузке токов, превышающих номинальный, обеспечивается бесперебойное переключение на резервный источник тока, реализованного из ионисторов, которые не деградируют при разряде их большими токами и допускают многократную процедуру медленного заряда небольшим током и быстрый разряд большими токами, соответствующими МТН. Кроме того, благодаря динамической комбинаторной коммутации входящих в резервную батарею элементов (ионисторов), выполняемой в процессе их разряда во время действия МТН, достигается значительное (почти на порядок) повышение коэффициента использования энергоресурса, запасенного в ионисторах, что существенно повышает длительность работы резервного источника тока (узла БЭК 6) и, тем самым, снижает вероятность воздействия на узел АКБ 8 больших разрядных токов, возникающих в нагрузке.
Предлагаемое устройства дифференцированного управления автономным электропитанием портативной радиоэлектронной аппаратуры будет широко востребовано для интеграции в системы энергоснабжения различной портативной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), функционирующей в автономном режиме с электропитанием от аккумуляторных батарей, особенно для применений, где требуется обеспечить повышение длительности автономной работы упомянутой РЭА без увеличения ее веса и габаритов.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Ультраконденсаторы серии UltraCap, журнал «Компоненты для силовой электроники корпорации Epcos AG», часть 4, http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_02/stat_8.htm
2. Ионистор, http://ru.wikipedia.org/wiki
3. Справочные данные на ионисторы, http://radio.cybernet.name/cond/ion.html
4. Резервированный блок электроники для литий-ионной аккумуляторной батареи, патент на полезную модель №83657, дата публикации 10.06.2009 г.
5. Комбинированный источник бесперебойного электропитания, заявка на изобретение RU 2004138836, дата публикации 10.06.2006 г.
6. Обзор PIC-контроллеров, http://elanina.narod.ru/lanina/index.files/avrpic
7. Семейство микроконтроллеров PIC18FX5XX с поддержкой шины USB2.0, http://www.trt.ru/products/microchip/pic18_2.htm
8. Датчики для измерения тока, http://www.rtcs.ru/hwsubtype.asp?id=204
9. АЦП компании Analog Devices, http://www.chipdip.ru/product/
10. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Менеджер сенсора», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2009610444 от 20.11.2008 г.
11. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Программа приема и обработки аналоговых сигналов». Свидетельство о регистрации в ФИПС РФ №2011610486 от 11.01.2011 г.
12. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Менеджер преобразователя напряжения», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2008614983 от 16 октября 2008 г.
13. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Программа автоматизированной обработки данных», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2009613019 от 10.06.2009 г.
14. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №98641 «Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности», зарегистрирован от 20 октября 2010 г.
15. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №114226 «Устройство обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности», зарегистрирован от 10 марта 2012 г.
16. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №114227 «Устройство заряда аккумулятора и защиты его от перегрузок», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 марта 2012 г.
17. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №114228 «Устройство заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых прегрузок», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.03.2012 г.