ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНЫЙ МОДУЛЬ (ЗРМ) С ФУНКЦИЕЙ ВЫРАВНИВАНИЯ МОЩНОСТИ РАЗРЯДА ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ ОБЪЕДИНЕНИИ

Полезная модель (ПМ) относится к области электротехники, в частности, к устройствам заряда и разряда аккумуляторных батарей (АКБ) с цифровым интерфейсом управления, защитой от неверных действий оператора и возникновения внештатных ситуаций, а так же с возможностью каскадирования модулей параллельно и последовательно, при этом обеспечивает равномерное распределение мощности как при заряде, так и при разряде.
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, наличие уже установленного блока индикации и блока звуковой сигнализации вместо блока человеко-машинного интерфейса и блока интерфейса SPI, а так же отсутствие блока цифрового интерфейса. Кроме того, блок ШИМ у аналога включен в состав однокристального микропроцессора, что не позволяет обеспечить высокую скорость стабилизации тока или напряжения, что в свою очередь препятствует объединению блоков для увеличения выходного тока или напряжения.
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 человеко-машинного интерфейса, блок цифрового интерфейса.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: отсутствие блока гальванической изоляции для цифрового интерфейса, что не позволяет объединять более двух модулей по напряжению (последовательно), отсутствие блока ограничения напряжения, что может приводить к перенапряжению на выходе модуля при последовательном подключении нескольких модулей, а так же отсутствие блока стабилизации напряжения, установленного перед разрядным модулем и позволяющего равномерно распределять мощность разряда при последовательном объединении модулей.
Задача, на решение которой направлена ПМ, состояла в создании зарядно-разрядного модуля, обеспечивающего различные варианты организации человеко-машинного интерфейса, как с непосредственным подключением аналоговых приборов и кнопок управления или подключением жидкокристаллического индикатора, так и с удаленным управлением по цифровому интерфейсу связи, при этом обеспечивающего объединение более двух блоков для увеличения выходной мощности как параллельно, так и последовательно, с возможностью обмена данными между собой и равномерного распределения выходной мощности между несколькими блоками не только при заряде, но и при разряде.
Технический результат достигается тем, что ПМ содержит блок защиты от перегрузок, блок защиты от неверного подключения АКБ, блок человеко-машинного интерфейса, отдельный высокоскоростной блок ШИМ, блок цифрового интерфейса, а так же блок разряда в виде активной (переменной) нагрузки, блок ограничения напряжения выхода, уменьшающий, в случае необходимости, выходное сопротивление модуля и перераспределяющий часть напряжения на модули, установленные последовательно, а так же блок стабилизации напряжения разряда, установленный пред разрядным модулем и обеспечивающий режим разряда не только со стабилизацией тока, но и со стабилизацией напряжения.
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 стабилизации напряжения разряда;
15) блок человеко-машинного интерфейса;
16) блок гальванической изоляции;
17) блок разряда;
18) блок ограничения напряжения выхода;
19) блок цифрового интерфейса;
20) 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 (19) через блок гальванической изоляции (16) и блок человеко-машинного интерфейса (14) для того, чтобы определить, какое количество устройств подключено параллельно, какие органы управления присутствуют и есть ли удаленное устройство управления. Если несколько зарядно-разрядных модулей подключаются последовательно, то управление ими и распределения напряжения заряда, осуществляется через блок цифрового интерфейса (19). Так как при последовательном объединении выходы зарядно-разрядных модулей гальванически связываются, при этом потенциалы земли отличаются на уровень зарядного напряжения на каждом модуле, для того чтобы исключить протекание тока через блоки цифрового интерфейса (19), которые тоже объединяются, установлен блок гальванической изоляции (16), развязывающий блок цифрового интерфейса (19) от остальных цепей зарядно-разрядного-модуля.
После диагностики и опроса всех систем блок микроконтроллера (12) ожидает подключения АКБ к выходу устройства. Если блок микроконтроллера (12) в процессе опроса подключенных устройств определил, что нет других ЗРМ, подключенных последовательно, тогда блокируется работа блока ограничения напряжения выхода (18), иначе работа этого блока разрешается. Далее, когда подключается аккумуляторная батарея к объединенным последовательно модулям, на каждом из модулей блок ограничения напряжения выхода (18) следит за величиной напряжения в данный момент на выходе, и если ее значение превышает заданный порог, то передается команда блоку разряда (17) начать разряд слабым током, чтобы уменьшить сопротивление выхода и перераспределить часть напряжения на подключенный последовательно другой модуль.
После перераспределения напряжения АКБ между зарядно-разрядными модулями (если несколько модулей объединены последовательно), блок микроконтроллера (12) ожидает команд задания режимов работы (заряда, разряда, уровня выходной мощности и т.д.) от оператора через блок человеко-машинного интерфейса (15) или от удаленного устройства через блок цифрового интерфейса (19). Далее работа устройства зависит от того, какой режим работы (заряд или разряд) задан.
При получении команды заряда блок микроконтроллера (12), задает уровень выходного напряжения и выходного тока, а так же 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). Так же в блоке согласования уровней тока и напряжения (13) реализована схема компенсации контура обратной связи.
В случае, если задана программа разряда, на блок ШИМ (9) выставляется команда останова, далее в зависимости от того, имеются ли последовательно подключенные другие ЗРМ, блок микроконтроллера (12) определяет, блокировать или нет работу блока стабилизации напряжения разряда (14). Если присутствуют другие ЗРМ, подключенные последовательно, тогда на блок стабилизации напряжения разряда (14) выдается команда о запуске процесса стабилизации напряжения на уровне U равном
где Um - текущее напряжение АКБ;
Uк - количество подключенных последовательно ЗРМ.
При этом на блок разряда (17) выдается уровень необходимого тока разряда. Таким образом, равномерно перераспределяется мощность, выделяемая блоками разряда каждого из ЗРМ, подключенных последовательно. Если на каком-то ЗРМ при разряде начинает расти напряжение на выходе, то блок стабилизации напряжения разряда (14) дает команду блоку разряда (17) уменьшать величину сопротивления (увеличивать величину силы тока) до тех пор, пока величина напряжения на выходе не уменьшится до нужного значения U рассчитанного по формуле (1).
Параметры текущего тока заряда/разряда, а так же уровня выходного напряжения передаются на удаленное устройство через блок цифрового интерфейса (19) и/или блок человеко-машинного интерфейса (14).
В случае, если с блока защиты от неверного подключения АКБ (20) 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 (17) блокируются, после чего ошибку фиксирует блок микроконтроллера (12) и передает информацию о типе ошибке на блок человеко-машинного интерфейса (14) и/или блок цифрового интерфейса (19).
В настоящее время на предприятии ООО ”НПП КРОН” изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность и соответствие всем заявленным характеристикам.