УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЗАРЯДКОЙ И РАЗРЯДКОЙ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ
DEVICE AND METHOD OF CONTROLLING CHARGING AND DISCHARGING OF SUPERCONDENSERS

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Предметом настоящего изобретения является устройство и способ управления этим устройством, предусматривающий управление зарядкой и разрядкой батареи суперконденсаторов и обеспечивающий их подключение, предпочтительно, к электрической системе двигателя внутреннего сгорания для обеспечения его пуска и работы вне зависимости от состояния аккумуляторной батареи. Главный отличительный признак настоящего изобретения заключается в том, что для осуществления такого управления не требуется никаких внешних команд, косвенно определяющих попытки пуска и останова, рабочее состояние двигателя внутреннего сгорания и состояние аккумуляторной батареи двигателя внутреннего сгорания; а это означает, что отпадает необходимость в модификации электрической проводки или электрической схемы двигателя внутреннего сгорания, а достаточно лишь параллельно подключить устройство к проводке питания, например, к клеммам аккумулятора.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Согласно данным страховой компании Mutua Madrilena неполадки в узле, который объединяет в себе электросистему и аккумулятор транспортного средства, является второй основной причиной обращений за экстренной помощью при поломке на дорогах, доля которых составляет до 30% всех звонков. Интересен тот факт, что согласно данным компании EuropAssistance, работающей в сфере предоставления технической помощи, чаще всего неполадки наблюдаются в системе зажигания, на долю которых приходится более одного миллионов обращений в год, и это не считая бесчисленных случаев поломок, которые не покрываются какими-либо страховками.
Отказы этого типа наблюдаются очень часто и не поддаются прогнозированию; при этом они влекут за собой негативные в той или иной степени последствия, включая потерю времени, порчу товаров или утрату проездных билетов, и обычно связаны с задержкой транспортного средства и/или необходимостью оказания техническойпомощи.
Для оказания содействия при таких отказах используется пускозарядное устройство или переносной стартер, содержащий небольшой аккумулятор, который должен быть полностью заряжен на момент его применения, а это означает, что такое устройство должно всегда оставаться подключенным к сети с тем, чтобы его можно было использовать при возникновении такой необходимости. Более того, если аккумулятор транспортного средства серьезно поврежден, то после запуска двигателя этим способом нельзя гарантировать его непрерывную работу, как и возможность его последующего зажигания.
С другой стороны, использование батарей суперконденсаторов в качестве вспомогательных систем аккумулирования электроэнергии для облегчения зажигания двигателей внутреннего сгорания типично для современного уровня развития техники. Эти вспомогательные батареи суперконденсаторов предпочтительно использовать для облегчения зажигания крупноразмерных двигателей внутреннего сгорания и устройств, требующих наличия аккумуляторных батарей, которые должны функционировать в условиях низких температур или с большой частотой циклов «пуск-останов», поскольку они обладают следующими преимуществами:
• Низкое внутреннее сопротивление суперконденсаторов позволяет им подводить большие токи, необходимые для активации стартеров двигателей внутреннего сгорания, с очень низкими потерями;
• Их номинальные характеристики едва изменяются в пределах от -40 до 65°C, что представляет особый интерес при эксплуатации в условиях низких температур, тогда как аккумуляторы в этих пределах демонстрируют существенное снижение эффективности работы; и
• При совместной работе с аккумулятором они намного продлевают срок службы последних, предотвращая их частую разрядку после срабатывания зажигания.
На современном уровне развития техники существуют разные устройства, которые могут быть использованы для подключения таких батарей суперконденсаторов к электрической системе двигателя внутреннего сгорания, но чтобы они заработали, необходимо в обязательном порядке модифицировать систему управления и/или электропроводку для подвода питания, что влечет за собой, например, в случае транспортных средств привлечение специалиста и необходимость согласования вносимых модификаций, а также препятствует их использованию в качестве аварийного оборудования в случае необходимости.
Существуют также портативные батареи суперконденсаторов, которые подключаются к аккумулятору и во всех необходимых случаях обеспечивают поддержку стартеру при разряженном аккумуляторе транспортного средства. Во всех известных случаях операции по подключению, зарядке, разрядке, активации, отключению и т.п.выполняются полностью вручную, устаревшим и небезопасным образом.
Следовательно, представляется целесообразным иметь такое устройство, которое обеспечивало бы подключение, регулирование и управление батареей суперконденсаторов, используемой в качестве вспомогательной системы для главного аккумулятора, без необходимости модифицирования электропроводки двигателя внутреннего сгорания, а также без необходимости его предварительной зарядки.
Для этого настоящее изобретение фокусируется на способе и элементах управления зарядкой и разрядкой батареи суперконденсаторов, обеспечивающих косвенное определение попыток зажигания и останова, рабочего состояния двигателя или процесса внутреннего сгорания и состояния системы аккумулятора без необходимости использования каких-либо внешних команд. Эта цель достигается за счет использования алгоритма управления, основанного на считывании изменений напряжения, силы тока и внутреннего сопротивления электрической системы двигателя внутреннего сгорания, а также других физических параметров, необходимых для осуществления управления надлежащим образом, таких как температура.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Предметом настоящего изобретения является устройство управления зарядкой и разрядкой батареи суперконденсаторов, содержащее:
- Батарею (1) суперконденсаторов, образуемую одним или более суперконденсатором.
- Первое электрическое соединение, параллельно подключаемое к электрической системе двигателя внутреннего сгорания; при этом указанное электрическое соединение выполнено произвольным и разъемным.
- Второе разъемное электрическое соединение с внешним источником (14) питания.
- Первый однопозиционный выключатель (2), управляющий электрическим током, который подается из электрической системы двигателя внутреннего сгорания на батарею (1) суперконденсаторов.
• Второй однопозиционный выключатель (3), управляющий электрическим током, который подается из батареи (1) суперконденсаторов в электрическую систему двигателя внутреннего сгорания.
• Преобразователь (4) постоянного напряжения в постоянное, предназначенный для преобразования напряжения в более высокое или более низкое и выполненный с возможностью зарядки батареи (1) суперконденсаторов от электрической системы двигателя внутреннего сгорания и внешнего источника (14) питания.
• Первое электронное устройство (5), предотвращающее подачу электрического тока с внешнего источника (14) питания в электрическую систему двигателя внутреннего сгорания.
• Второе электронное устройство (6), предотвращающее подачу электрического тока из электрической системы двигателя внутреннего сгорания на внешний источник (14) питания.
• Один или более датчик (8) для измерения напряжения электрической системы двигателя внутреннего сгорания, установленный в первом электрическом соединении.
• Один или более датчик (9) для измерения силы тока, протекающего между электрической системой двигателя и батареей (1) суперконденсаторов, установленный в первом электрическом соединении.
• Один или более датчик (8) для измерения напряжения батареи суперконденсаторов.
• Один или более датчик (9) для измерения силы тока батареи суперконденсаторов.
• Датчик (16) температуры окружающей среды.
• Устройство выбора максимального напряжения зарядки суперконденсаторов.
Интерфейс (15) «человек-машина», выполненный с возможностью:
поддержания связи с электронным управляющим устройством и обеспечения возможности программирования параметров Vnom (номинальное напряжение), Vmax (максимальное напряжение), Vmin (минимальное напряжение) и dVbat (внезапное изменение напряжения); и
отображения информации о рабочих параметрах устройств зажигания и дополнительного питания в электрической системе двигателя внутреннего сгорания, а также для управления указанным устройством зажигания и дополнительного питания.
- Электронное управляющее устройство (7) с соответствующим аппаратно реализованным программным обеспечением, выполненное с возможностью:
приема и обработки сигналов, измеренных датчиками (8) напряжения и датчиками (9) тока электрической системы двигателя внутреннего сгорания и суперконденсаторов;
приема и обработки сигнала, захваченного датчиком (16) температуры, для изменения параметров Vnom, Vmax, Vmin и dVbat с учетом температуры окружающей среды и характеристик аккумулятора (10) двигателя внутреннего сгорания;
управления размыканием и замыканием первого однопозиционного выключателя (2) и второго однопозиционного выключателя (3);
управления длительностью импульса второго однопозиционного выключателя (3);
управления работой преобразователя (4) постоянного напряжения в постоянное; и
поддержания связи с интерфейсом «человек-машина» (15).
А способ управления зарядкой и разрядкой батареи суперконденсаторов с использованием устройства, описанного выше, предусматривающий следующие стадии:
a. Параллельное подключение к электрической системе двигателя внутреннего сгорания;
b. Выбор максимального напряжения (Vmax) и номинального напряжения (Vnom) электрической системы двигателя внутреннего сгорания;
c. Определение напряжения (Vbat) аккумулятора двигателя внутреннего сгорания;
d. Если Vbat≥Vmin, то электронное управляющее устройство (7) активирует преобразователь (4) постоянного напряжения в постоянное, позволяя аккумулятору (10) двигателя зарядить батарею (1) суперконденсаторов до уровня Vmax;
e. Если Vbat<Vmin, то интерфейс (15) «человек-машина» потребует подключения устройства зажигания и дополнительного управления к внешнему источнику питания (14) или перезаряжаемому аккумулятору; а электронное управляющее устройство (7) активирует преобразователь (4) постоянного напряжения в постоянное, позволяя внешнему источнику (14) питания или перезаряжаемому аккумулятору зарядить батарею (1) суперконденсаторов до уровня Vmax;
f. Электрическое замыкание цепи стартера;
g. Определение электрического замыкания стартера путем измерения внезапного изменения напряжения (dVbat) электрической системы двигателя внутреннего сгорания;
h. Если dVbat превышает заданное значение, а электрический стартер электрически замкнут, батарея суперконденсаторов запитывает электрическую цепь двигателя внутреннего сгорания;
i. Определение рабочего состояния двигателя внутреннего сгорания путем измерения напряжения (Vbat) его электрической системы;
j. Если Vbat=Vmax, то двигатель внутреннего сгорания запущен с активированием зарядного генератора, и электронное управляющее устройство (7) приступает к регулированию тока зарядки батареи (1) суперконденсаторов путем модулирования длительности импульсов первого однопозиционного выключателя (2);
k. Останов двигателя внутреннего сгорания; и
1. Если Vbat меньше или равно Vnom, то двигатель остановлен с отключением генератора (11), и электронное управляющее устройство (7) размыкает первый однонаправленный выключатель (2) и второй однонаправленный выключатель (3), и батарея (1) суперконденсаторов заряжается до уровня Vmax с использованием преобразователя (4) постоянного напряжения в постоянное от аккумулятора (10) двигателя внутреннего сгорания или внешнего источника (14) питания.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 представлена монтажная схема устройства вспомогательного зажигания и управления.
На фиг. 2 представлена блок-схема способа вспомогательного зажигания и управления.
На чертежах используются следующие обозначения:
1. Батарея суперконденсаторов
2. Первый однопозиционный выключатель
3. Второй однопозиционный выключатель
4. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное
5 и 6. Электронные устройства
7. Электронное управляющее устройство
8 и 9. Датчики напряжения и силы тока
10. Аккумулятор двигателя внутреннего сгорания
11. Генератор
12. Стартер
13. Цепи дополнительного энергопотребления
14. Внешний источник электропитания
15. Интерфейс «человек-машина»
16. Датчик температуры
Подробное раскрытие предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения
Основная функция заявленного изобретения, к которому относится настоящий документ, заключается в обеспечении зажигания и работы двигателя внутреннего сгорания или любого другого устройства или процесса, требующего наличия аккумулятора для подвода или поглощения токов в течение короткого промежутка времени, вне зависимости от состояния его аккумулятора или даже при отсутствии аккумулятора или его полном отказе. Это достигается путем управления зарядкой и разрядкой батареи суперконденсаторов, используемой в качестве системы быстрого аккумулирования электроэнергии.
Главный отличительный признак настоящего изобретения заключается в том, что для осуществления описываемого управления не требуется никаких внешних управляющих команд, косвенно определяющих попытки зажигания и останова, текущее состояние двигателя внутреннего сгорания и состояние его аккумуляторной батареи. Это достигается за счет использования алгоритма управления, основанного на считывании изменений напряжения, силы тока и внутреннего сопротивления электрической системы двигателя внутреннего сгорания, а также других физических параметров, необходимых для осуществления управления надлежащим образом, таких как температура.
В предпочтительном варианте своего осуществления устройство, являющееся предметом настоящего изобретения, содержит:
• Батарею суперконденсаторов (1), емкость которых адаптирована под мощность стартера (12) двигателя внутреннего сгорания и цепи дополнительного энергопотребления (13);
• Первое электрическое соединение, параллельно подключаемое к электрической системе двигателя внутреннего сгорания; при этом указанное электрическое соединение выполнено произвольным и разъемным;
• Второе разъемное электрическое соединение с внешним источником питания;
• Первый однопозиционный выключатель (2), управляющий электрическим током, который подается из электрической системы двигателя внутреннего сгорания, в частности, с аккумулятора или генератора, в зависимости от фазы работы, на батарею суперконденсаторов;
• Второй однопозиционный выключатель (3), управляющий электрическим током, который подается из батареи суперконденсаторов в электрическую систему двигателя внутреннего сгорания;
• Преобразователь (4) постоянного напряжения в постоянное, предназначенный для преобразования напряжения в более высокое или более низкое, который заряжает батарею суперконденсаторов от электрической системы двигателя и внешнего источника питания;
• Первое и второе электронные устройства (5) и (6), соответственно, в предпочтительном варианте представляющие собой диоды, которые предотвращают прохождение электрического тока с внешнего источника (14) питания в аккумулятор (10)и наоборот;
• Один или более датчик (8) для измерения напряжения электрической системы двигателя внутреннего сгорания, установленный на первом электрическом соединении;
• Один или более датчик (9) для измерения силы тока в электрической системе двигателя внутреннего сгорания, установленный на первом электрическом соединении;
• Один или более датчик (8) для измерения напряжения батареи суперконденсаторов;
• Один или более датчик (9) для измерения силы тока батареи суперконденсаторов;
• Датчик (16) для измерения температуры окружающей среды;
• Интерфейс (15) «человек-машина», встроенный в устройство или внешне подключаемый, который выполнен с возможностью:
поддержания связи с электронным управляющим устройством (7) и обеспечения возможности программирования параметров Vnom, Vmax, Vmin и dVbat; и
отображения информации о рабочих параметрах устройств зажигания и дополнительного питания в электрической системе двигателя внутреннего сгорания, а также для управления указанным устройством зажигания и дополнительного питания; и
• Электронное управляющее устройство (7) с соответствующим аппаратно реализованным программным обеспечением, выполненное с возможностью:
приема и обработки сигналов, измеренных датчиками (8) напряжения и датчиками (9) тока электрической системы двигателя внутреннего сгорания и суперконденсаторов;
приема и обработки сигнала, захваченного датчиком (16) температуры, и изменения параметров Vnom, Vmax, Vmin и dVbat с учетом измеренной температуры окружающей среды и характеристик аккумулятора (10) двигателя внутреннего сгорания;
управления размыканием и замыканием первого однопозиционного выключателя (2) и второго однопозиционного выключателя (3);
управления длительностью импульса второго однопозиционного выключателя (3);
управления работой преобразователя (4) постоянного напряжения в постоянное; и
поддержания связи с интерфейсом «человек-машина» (15).
А способ управления устройством, описанным выше, предусматривает следующие стадии:
a. Параллельное подключение к электрической проводке двигателя внутреннего сгорания.
b. Выбор максимального напряжения (Vmax) и номинального напряжения (Vnom) электрической системы двигателя внутреннего сгорания.
c. Определение напряжения (Vbat) аккумулятора двигателя внутреннего сгорания;
d. Если Vbat≥Vmin (где Vmin - это минимальное рабочее напряжение преобразователя постоянного напряжения в постоянное), то электронное управляющее устройство (7) активирует преобразователь (4) постоянного напряжения в постоянное, позволяя аккумулятору (10) двигателя зарядить батарею (1) суперконденсаторов до уровня Vmax;
e. Если Vbat<Vmin, то интерфейс (15) «человек-машина» потребует подключения устройства зажигания и дополнительного управления к внешнему источнику питания (14) или перезаряжаемому аккумулятору; а электронное управляющее устройство (7) активирует преобразователь (4) постоянного напряжения в постоянное, позволяя внешнему источнику (14) питания или перезаряжаемому аккумулятору зарядить батарею (1) суперконденсаторов до уровня Vmax.
f. Электрическое замыкание цепи стартера (12);
g. Определение электрического замыкания стартера (12) путем измерения внезапного изменения напряжения (dVbat) электрической системы двигателя внутреннего сгорания;
h. Если dVbat превышает заданное значение, а электрический стартер электрически замкнут, электронная управляющая система (7) замыкает второй однопозиционный выключатель (3), что позволяет батарее суперконденсаторов запитать электрическую цепь двигателя внутреннего сгорания;
i. Определение рабочего состояния двигателя внутреннего сгорания путем измерения напряжения (Vbat) его электрической системы;
j. Если Vbat=Vmax, то двигатель внутреннего сгорания запущен с активированием зарядного генератора (11), и электронное управляющее устройство (7) приступает к регулированию тока зарядки батареи (1) суперконденсаторов путем модулирования длительности импульсов первого однопозиционного выключателя (2);
k. Останов двигателя внутреннего сгорания; и
1. Если Vbat меньше или равно Vnom, то двигатель остановлен с отключением генератора (11), и электронное управляющее устройство (7) размыкает первый однонаправленный выключатель (2) и второй однонаправленный выключатель (3), и батарея (1) суперконденсаторов заряжается до уровня Vmax с использованием преобразователя (4) постоянного напряжения в постоянное от аккумулятора (10) двигателя внутреннего сгорания или внешнего источника (14) питания.
Способ согласно настоящему изобретению заслуживает внимание потому, что в отличие от других существующих вариантов практического применения суперконденсаторов подключение данного устройства предусматривает выполнение простой операции без внесения изменений в монтажную схему имеющейся электропроводки, требуя лишь параллельного подключения устройства к аккумулятору или электрической системе с помощью зажимов типа «крокодил» или иной соединительной системы подобного рода. Он выполняется автоматически безопасным образом. Он позволяет определить рабочее состояние двигателя или процесса, состояние зарядки суперконденсаторов и главного аккумулятора или отсутствие таковой, а также защитить систему и пользователя от ошибочных подключений и коротких замыканий.
В соответствии со своей конструкцией описываемое устройство может представлять собой стационарное или используемое по необходимости устройство; при этом оно может быть выполнено таким образом, чтобы обеспечивать любое потребное напряжение или разные напряжения, выбираемые автоматически или в ручном режиме.
Для получения максимального крутящего момента в стартере двигателя внутреннего сгорания первоначальная зарядка батареи суперконденсаторов осуществляется при максимальном напряжении системы, и может выполняться от частично разряженного аккумулятора или внешнего источника питания, если аккумулятор полностью разряжен или отсутствует.
Вспомогательный источник питания может обладать более высоким или более низким напряжением в сравнении с номинальным напряжением системы, и в любом случае его требования в отношении емкости или аккумулированной энергии являются минимальными. Например, для запуска дизельного двигателя объемом 2000 куб. см может потребоваться мощность немного менее 2 Вт-ч, которая может быть получена от небольшой батарейки или перезаряжаемого аккумулятора типа АА. Такое же количество энергии может быть получено от устройств самого разного типа, таких как аккумуляторы мобильных телефонов, USB-порты и солнечные панели, от сетевого электричества и т.д.
Помимо возможности применения в двигателях внутреннего сгорания, описываемое устройство также выполнено с возможностью использования в гибридных транспортных средствах, самолетах или любом другом устройстве или процессе, где необходим аккумулятор для подвода или поглощения сильных электрических токов в течение короткого периода времени.
В переносном варианте своего осуществления описываемое устройство обеспечивает следующие преимущества в сравнении с пускозарядным устройством:
- Оно не содержит жидкостей.
- Оно легче и имеет меньшие размеры, чем пускозарядное устройство.
- Отсутствует необходимость в его постоянной подзарядке или предварительной зарядке, а это означает, что его можно перевозить в багажнике автомобиля и использовать в любой момент в качестве аварийного устройства.
- Пускозарядное устройство не обладает функцией автоматического управления, а служит исключительно для запуска и не позволяет транспортному средству тронуться с места, если его аккумулятор сильно изношен или поврежден.
- Это устройство может оставаться установленным на временной основе, обеспечивая зажигание и работу транспортного средства или двигателя до замены поврежденного аккумулятора.
В стационарном варианте своего осуществления описываемое устройство обеспечивает следующие преимущества:
- Благодаря автоматической методике управления, которая обеспечивает возможность установки описываемого устройства без необходимости модифицирования электропроводки двигателя, можно избежать таких проблем, как необходимость получения разрешения производителя, утрата гарантий или необходимость внесения изменений в заводских условиях.
- Предотвращает потенциальные электромеханические отказы транспортного средства при его движении и потенциальную потерю управления транспортным средством в результате внезапного выхода из строя аккумулятора, что повышает безопасность на дороге.
- Существенно продлевает срок службы аккумулятора, отвечая за частоту разрядок и зарядок во время пуска любого двигателя внутреннего сгорания или, например, при торможении гибридных транспортных средств.
- Гарантирует зажигание при сверхнизких температурах.
- Позволяет существенно уменьшить емкость стандартного аккумулятора, что дает соответствующие преимущества в плане экономии и защиты окружающей среды.
- Уменьшение его веса представляется заметным преимуществом при использовании в определенных сферах, например, в авиации.
Стоить отметить, что помимо всех перечисленных преимуществ описываемое устройство обеспечивает зажигание и работу двигателя вне зависимости от состояния аккумулятора; поддерживает электрический ток, необходимый для корректного срабатывания электроники, блоков управления, систем впрыска, ABS и пр. за счет стабилизации стационарной электрики, что позволяет транспортному средству продолжать движение без каких бы то ни было проблем до тех пор, пока не будет заменен поврежденный аккумулятор.