ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНЫЙ МОДУЛЬ (ЗРМ) С СИСТЕМОЙ ДИАГНОСТИКИ АКБ

Полезная модель (ПМ) относится к области электротехники, в частности к устройствам заряда и разряда аккумуляторных батарей (АКБ), с цифровым интерфейсом для подключения устройств управления, системой диагностики состояния АКБ до начала его заряда, с беспроводным интерфейсом для подключения к цифровому модулю учета работы АКБ, обеспечивающий высокую точность поддержания выходных характеристик.
Известно устройство «Станция автоматическая зарядно-разрядная» [Патент Российской Федерации №2327268, H02J 7/10, 2006], содержащее схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, соединенный с выводами питающего напряжения, три блока усилителей, блок аккумуляторной батареи, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда и блоком индикации, блок датчика напряжения, блок питания, соединенный с выводами питающего напряжения, отличающаяся тем, что в схему управления силовой частью введены блок выпрямителя, соединенный с блоком фильтров, блок сетевого фильтра, соединенный с блоком сетевого выпрямителя, блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с блоком сетевого фильтра и с первым блоком усилителей, блок высокочастотного выпрямителя, соединенный с блоком регулируемого источника зарядного тока, блок фильтра, соединенный с блоком высокочастотного выпрямителя, блок ключа, соединенный со вторым блоком усилителей и с блоком фильтра, блок разряда конденсаторов, соединенный с точкой соединения блока фильтра и блока ключа, блок нагрузки, соединенный с блоком разряда конденсаторов, блок регулируемого источника разрядного тока, соединенный с блоком ключа, с третьим блоком усилителей и с точкой соединения блока ключа, блока разряда конденсаторов и блока фильтра, блок индуктора, соединенный с точкой соединения блока ключа и блока регулируемого источника разрядного тока, блок подключения аккумуляторных батарей, соединенный с блоком индуктора, блоком датчика напряжения и с блоком АКБ, а в схему управления по заданному алгоритму введены блок датчика тока, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей, блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), соединенный с блоком датчика тока, блоком датчика напряжения и блоком управления, блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ), соединенный с блоком управления и с тремя блоками усилителей, блок звуковой сигнализации, соединенный с блоком управления и блок пульта управления, соединенный с блоком задания режима заряда.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются блоки: блок защиты от перепадов напряжения (блок фильтров у аналога), блок выпрямления входного напряжения (блок сетевого выпрямителя у аналога), блок вспомогательного питания (блок питания у аналога), блок выпрямления и стабилизации выходного напряжения (блок высокочастотного выпрямителя у аналога), блок согласования уровней тока и напряжения (блок датчика тока и блок датчика напряжения у аналога), блок микроконтроллера (однокристальный микропроцессор с блоком управления, блоком ШИМ, блоком задания алгоритма заряда, блоком АЦП и блоком задания режима заряда у аналога).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: отсутствие блока защиты от перегрузок, отсутствие блока защиты от неверного подключения аккумуляторной батареи. Отсутствие блока управления нагрузочным шунтом и нагрузочного шунта не позволяет обеспечивать кратковременные нагрузки на АКБ для оценки ее состояния. Без блока беспроводной связи невозможно подключение к АКБ, оснащенной специальным электронным модулем учета ее работы.
Известно устройство «Зарядно-разрядный модуль (ЗРМ) с функцией выравнивания мощности разряда при последовательном объединении» [Патент Российской Федерации №143650, H02J 7/00, 2006.01] содержащий блок микроконтроллера, передающий команды на блок ШИМ, подключенный к блоку управления силовыми ключами через блок гальванической изоляции, блок разряда, блок согласования уровней тока и напряжения, блок защиты от перепадов напряжения, блок выпрямления входного напряжения, подключенный к блоку вспомогательного питания и блоку силовых ключей, формирующий импульсы на блок силового трансформатора, подключенный к блоку выпрямления и стабилизации выходного напряжения, с блоком измерителя входного тока, подключенного к блоку защиты от перегрузок, блок защиты от неверного подключения АКБ, блок человеко-машинного интерфейса, блок цифрового интерфейса, подключенные к блоку ШИМ и блоку микроконтроллера, отличающийся тем, что содержит блок гальванической изоляции между блоком микроконтроллера и блоком цифрового интерфейса, а так же содержит блок стабилизации напряжения разряда и блок ограничения напряжения выхода, позволяющий объединять устройства последовательно и равномерно перераспределять мощность при разряде.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются блоки: блок защиты от перепадов напряжения, блок выпрямления входного напряжения, блок вспомогательного питания, блок выпрямления и стабилизации выходного напряжения, блок согласования уровней тока и напряжения, блок микроконтроллера, блок защиты от перегрузок, блок защиты от неверного подключения аккумуляторной батареи, блок цифрового интерфейса.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: отсутствие нагрузочных шунтов и блока управления нагрузочными шунтами не позволяет обеспечивать кратковременные нагрузки на АКБ для оценки ее состояния. Без блока беспроводной связи невозможно подключение к АКБ оснащенной специальным электронным модулем учета работы АКБ. Отсутствие блока точного измерения напряжения не позволяет измерять напряжение непосредственно на клеммах АКБ и производить компенсацию потерь напряжения на проводах и клеммах. Отсутствие блока точного измерения тока не позволяет учитывать только ток, переданный АКБ, что приводит к погрешностям подсчета емкости, особенно для АКБ небольших емкостей.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство «Зарядно-разрядный модуль (ЗРМ)» [Патент Российской Федерации №119540, H02J 7/10, 2006.01], содержащий блок микроконтроллера, передающий команды на блок ШИМ, подключенный к блоку управления силовыми ключами через блок гальванической изоляции, блок разряда, блок согласования уровней тока и напряжения, блок защиты от перепадов напряжения, блок выпрямления входного напряжения, подключенный к блоку вспомогательного питания и блоку силовых ключей, формирующего импульсы на блок силового трансформатора, подключенного к блоку выпрямления и стабилизации выходного напряжения, отличающийся тем, что содержит блок измерения входного тока, подключенный к блоку защиты от перегрузок, блок защиты от неверного подключения АКБ, блок человеко-машинного интерфейса, блок цифрового интерфейса, подключенные к блоку ШИМ и блоку микроконтроллера.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются блоки: блок защиты от перепадов напряжения, блок выпрямления входного напряжения, блок вспомогательного питания, блок выпрямления и стабилизации выходного напряжения, блок согласования уровней тока и напряжения, блок микроконтроллера, блок защиты от перегрузок, блок защиты от неверного подключения аккумуляторной батареи, блок цифрового интерфейса. Без блока беспроводной связи невозможно подключение к АКБ, оснащенной специальными электронным модулем.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: отсутствие нагрузочных шунтов блока управления нагрузочными шунтами не позволяет обеспечивать кратковременные нагрузки на АКБ для оценки ее состояния. Без блока беспроводной связи невозможно подключение к АКБ оснащенной специальным электронным модулем учета работы АКБ. Отсутствие блока точного измерения напряжения не позволяет измерять напряжение непосредственно на клеммах АКБ и производить компенсацию потерь напряжения на проводах и клеммах. Отсутствие блока точного измерения тока не позволяет учитывать только ток, переданный АКБ, что приводит к погрешностям подсчета емкости, особенно для АКБ небольших емкостей. Отсутствие блоков точного измерения напряжения и тока не позволяет измерять небольшие изменения внутреннего сопротивления АКБ в процессе заряда и разряда, что необходимо для правильной оценки износа АКБ.
Задача, на решение которой направлена ПМ, состояла в создании зарядно-разрядного модуля, обеспечивающего предварительную диагностику состояния аккумуляторной батареи перед началом заряда, оценивающую степень износа АКБ по изменению тока и напряжения в процессе заряда и разряда, а так же осуществляющего проверку наличия электронного модуля, устанавливаемого на АКБ и чтения с него данных о типе АКБ и режимах ее эксплуатации, с автоматическим выбором наиболее оптимального алгоритма заряда АКБ.
Технический результат достигается тем, что ПМ содержит блок защиты от перегрузок, блок защиты от неверного подключения АКБ, отдельный высокоскоростной блок ШИМ, блок цифрового интерфейса, а также блок разряда в виде активной (переменной) нагрузки, блок беспроводного интерфейса 2,4Гц для связи с электронным модулем, установленным на АКБ, нагрузочный шунт, блок коммутации нагрузочного шунта и блок усиления напряжения на шунте, обеспечивающий кратковременный нагрузки с высоким током, блоки точного измерения тока и напряжения, позволяющие оценивать даже небольшое изменение напряжения и тока АКБ в процессе заряда и разряда, исключая влияние контактов и потерь на проводах и позволяющие оценивать изменение внутреннего сопротивления АКБ.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом (фиг.), где:
1) блок защиты от перепадов напряжения;
2) блок выпрямления входного напряжения;
3) блок вспомогательного питания;
4) блок управления силовыми ключами;
5) блок силовых ключей;
6) блок гальванической изоляции;
7) блок измерителя входного тока;
8) блок силового трансформатора;
9) блок ШИМ;
10) блок защиты от перегрузок;
11) блок выпрямления и стабилизации выходного напряжения;
12) блок микроконтроллера;
13) блок согласования уровней тока и напряжения;
14) блок беспроводного интерфейса 2,4ГГц;
15) блок гальванической изоляции;
16) блок разряда;
17) блок точного измерения тока;
18) блок точного измерения напряжения;
19) блок коммутации нагрузочных шунтов;
20) нагрузочные шунты;
21) блок цифрового интерфейса;
22) блок усиления напряжения на шунте;
23) блок защиты от неверного подключения АКБ.
Работа устройства начинается с подачи питающего напряжения на блок защиты от перепадов напряжения (1). В этом блоке входное напряжение, поступающее на модуль, фильтруется и дальше подается на блок выпрямления входного напряжения (2), где переменное напряжение преобразуется в постоянное и подается на блок силовых ключей (5) и блок вспомогательного питания (3).
Бок вспомогательного питания (3) формирует гальванически изолированное от входных цепей питающее напряжение для управляющей части: блока микроконтроллера (12) и блока ШИМ (9), а так же формирует не изолированное питающее напряжение для блока управления силовыми ключами (4).
После того, как блок вспомогательного питания (3) сформирует все необходимые напряжения для работы модуля, запускается блок микроконтроллера (12). Этот блок определяет основной алгоритм работы всего устройства. После запуска блок микроконтроллера (12) опрашивает блок согласования уровней тока и напряжения (13), блок цифрового интерфейса (21), через блок гальванической изоляции (15), блок беспроводного интерфейса (14) чтобы определить, какие устройства управления присутствуют. Управление зарядным устройством осуществляется только по цифровому интерфейсу. С помощью блока цифрового интерфейса (21) через блок (15) блок микроконтроллера (12) получает команды о включении, выключении, паузе и т.д., а также отправляет данные о режимах работы.
После диагностики и опроса всех систем блок микроконтроллера (12) ожидает подключения АКБ к выходу устройства. Далее, когда подключается аккумуляторная батарея, блок микроконтроллера (12) через блок беспроводного интерфейса 2,4ГГц (14) опрашивает все блоки учета работы АКБ в зоне доступности беспроводной сети. После обнаружения всех блоков, микроконтроллер начинает процедуру диагностирования АКБ. Для этого блок микроконтроллера (12) формирует тестовую команду заряда со стабилизацией тока небольшого уровня и одновременно читает состояние АКБ, обнаруженных по беспроводному каналу. Как только фиксируется совпадение начала и окончания подачи тестового импульса на зарядном устройстве и каком-либо АКБ, блок микроконтроллера (12) по беспроводному каналу через блок беспроводного интерфейса (14) с данного АКБ считывает информацию о количестве циклов заряда/разряда, номинальном напряжении и типе АКБ. Если связь с АКБ по беспроводному каналу не удалось установить, то блок микроконтроллера (12) через блок гальванической изоляции (15) и блок цифрового интерфейса (21) отправляет на пульт запрос о необходимости указать тип подключенной батареи. После определения типа подключенной батареи, блок микроконтроллера (12) рассчитывает какое количество нагрузочных шунтов (20) необходимо подключить для получения кратковременного импульса большого разрядного тока и передает команду управления блоку коммутации нагрузочных шунтов (19), который в свою очередь подключает нужное количество нагрузочных шунтов (20). Далее блок усиления напряжения на шунте (22) усиливает напряжение на шунте и передает в блок микроконтроллера (12), который пересчитывает напряжение в ток через нагрузочный шунт (20). Регулировать ток через нагрузочные шунты (20) невозможно, но при этом нагрузочные шунты обеспечивают кратковременный большой ток, что позволяет оценить изменение электродвижущей силы (ЭДС) аккумулятора при резком увеличении нагрузки. Изменение напряжения на клеммах АКБ считывается с блока точного измерения напряжения (18). Данный блок представляет из себя дифференциальный вход с высоким выходным сопротивлением, который подключается непосредственно к клеммам АКБ параллельно с силовыми проводами, таким образом, в отличие от измерителя напряжения в блоке согласования уровней тока и напряжения (13), на него в значительно меньшей мере влияют помехи, генерируемые преобразователем и не влияет на результат измерения падение напряжения на проводах и клеммах при больших токах заряда и разряда. Оценив насколько изменилось ЭДС АКБ и, зная ток, который протекал через нагрузочный шунт (20), блок микроконтроллера (12) оценивает работоспособность АКБ и возможность ее заряда, либо необходимость проведения обслуживания АКБ, после чего передает эти данные через блок гальванической изоляции (15) и блок цифрового интерфейса (21) на устройство управления.
Когда необходимо включить заряд, блок микроконтроллера (12) задает уровень выходного напряжения и выходного тока, а также режим стабилизации (тока или напряжения) для блока ШИМ (9). При получении команды от блока микроконтроллера (12), блок ШИМ (9) подает управляющие импульсы через блок гальванической изоляции (6) на блок управления силовыми ключами (4). Далее, с помощью блока силовых ключей (5) входное напряжение импульсами подается на блок силового трансформатора (8), где величина входного напряжения понижается и подается на блок выпрямления и стабилизации выходного напряжения (11). Данные об уровне выходного тока и напряжения поступают на блок согласования уровней тока и напряжения (13). В этом блоке согласуются уровни выходного тока и напряжения в уровни, необходимые блоку микроконтроллера (12) и блоку ШИМ (9). Также в блоке согласования уровней тока и напряжения (13) реализована схема компенсации контура обратной связи. Данные о токе и напряжении также измеряются в блоках точного измерения тока (17) и напряжения (18). Блок точного напряжения (18) измеряет напряжение на клеммах АКБ, в отличие от измерителя напряжения в блоке согласования уровней тока и напряжения, который измеряет напряжение на выходе блока выпрямления (2). Таким образом, один измеритель напряжения необходим для работы стабилизатора и реализации контура обратной связи, для работы ШИМ, а второй - для точного измерения напряжения на АКБ. При этом блок микроконтроллера (12), считывая данные с блока точного измерения напряжения (18), постоянно вносит поправки в задаваемый уровень напряжения для блока ШИМ (9) таким образом, чтобы при работе в режиме стабилизации напряжения обеспечить зарядное напряжение на клеммах АКБ максимально близкое заданному. Аналогично с блоками измерения тока: измерение тока в блоке согласования уровней происходит (13) с учетом всего тока после блока выпрямления, включая ток, который не участвует в заряде АКБ, а потребляется преобразователем в процессе работы. Это необходимо для правильной работы схемы коррекции контура обратной связи. Блок точного измерения тока (17) измеряет только тот ток, который участвует в заряде АКБ. На основании этих данных блок микроконтроллера (12) вносит поправки в уровень задаваемого тока для блока ШИМ (9) при работе в режиме стабилизации тока.
В случае, если задана программа разряда, блок микроконтроллера (12) передает команду остановки на блок ШИМ (9) и выставляет уровень заданного тока на блок разряда (16). Далее блок разряда (16) самостоятельно поддерживает уровень заданного тока, при этом микроконтроллер, считывая данные с блока точного измерения тока (17), вносит поправки в уровень задаваемого тока для блока разряда (16), чтобы обеспечить наиболее точное соответствие реального тока, заданному в алгоритме разряда.
В случае, если с блока защиты от неверного подключения АКБ (23) приходят данные о неправильном подключении клемм АКБ или блок защиты от перегрузок (10) с помощью блока измерителя входного тока (7) фиксирует перегрузку по току или напряжению, то команды запуска на блок ШИМ (9) или блок разряда (16) блокируются, после чего ошибку фиксирует блок микроконтроллера (12) и передает информацию о типе ошибки на блок человеко-машинного интерфейса (14) и/или блок цифрового интерфейса (21).
В настоящее время на предприятии ООО «НИКТЕС» изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность и соответствие всем заявленным характеристикам.