УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И ВЫРАВНИВАНИЯ СТЕПЕНИ ЗАРЯЖЕННОСТИ БЛОКА АККУМУЛЯТОРОВ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL AND EQUALIZATION OF BATTERY UNIT CHARGING RATE IN COMBINED POWER PLANT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, предназначенных для контроля и выравнивания степени заряженности аккумуляторов в блоке, установленном на транспортном средстве, например, гибридном автомобиле или электромобиле.
Из уровня техники известно устройство подзарядки аккумуляторных батарей гибридного автомобиля, установленных на транспортном средстве по патенту на изобретение (RU 2524352, МПК (2006.01): Н021М 10/48, H02J 7/2, Н02М 9/4, H02J 7/34, опубликованный 27.07.2014 г.), содержащее источник питания, накопительную емкость, датчик тока и электронные электромеханические ключи, причем, в режиме подзарядки аккумуляторная батарея в блоке одним из электронных ключей, подключается по сигналу датчика тока к предварительно заряженному конденсатору от источника питания. Устройство обеспечивает оценку состояния заряда каждой аккумуляторной батареи и их заряда посредством источника питания.
К недостаткам известного аналога относится то, что:
- устройство не позволяет контролировать аккумуляторные батареи в блоке с общим напряжением свыше сотен вольт, поскольку мультиплексоры и полевые транзисторы, используемые в этой схеме, не выдерживают такие большие напряжения;
- в устройстве используются специальные диоды, которые при постоянном включении значительно повышают внутреннее сопротивление батареи и вызывают дополнительные потери мощности батареи, идущей на их нагрев в открытом состоянии;
- устройство для своей реализации требует большое количество дополнительных компонентов, приходящихся на каждый аккумулятор батареи (датчики тока - L, конденсатор - С, полевой транзистор - VT, диод - VD), поэтому при большом количестве аккумуляторов в батарее, составляющем сотни штук в блоке, получается неоправданно громоздкая конструкция.
- устройство также не позволяет контролировать каждый отдельный аккумулятор в батарее.
4
Из уровня техники известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное по авторскому свидетельству на изобретение (SU 1408504, МПК: Н02М 3/07, опубликованное 07.07.1988 г.), который содержит резервную аккумуляторную батарею GB1, задающий генератор на элементах (DD1.1-DD1.3), двухразрядный счетчик на D-триггерах (DD2.1, DD2.2), двойной четырехканальный мультиплексор (DD3) и емкостный накопитель-делитель - конденсаторы (С2-С5).
При наличии напряжения в бортовой сети устройство работает в режиме деления ее напряжения и подзарядки батареи GB1. Буферный режим обеспечен двунаправленным мультиплексором DD3, который поочередно подключает батарею параллельно одному из конденсаторов С2-С5 емкостного делителя напряжения. В результате батарея заряжается до напряжения, равного четверти напряжения бортовой сети.
В момент пропадания напряжения в сети преобразователь автоматически переходит в режим умножения напряжения резервной батареи. В этом режиме конденсаторы С2-С5 через мультиплексор DD3 последовательно заряжаются от батареи GB1, а поскольку они соединены последовательно, на выходе устройства создается напряжение, равное учетверенному напряжению батареи, которое питает не только обслуживаемое электронное устройство, но и микросхемы самого преобразователя.
Однако, у данного аналога, при использовании его в качестве устройства контроля и подзарядки блока аккумуляторов гибридной комбинированной энергетической установки (КЭУ) есть ряд недостатков:
- устройство не позволяет контролировать аккумуляторы в блоке с напряжением выше сотен вольт, поскольку мультиплексоры и полевые транзисторы, используемые в этой схеме, также не выдерживают такие большие напряжения;
- токи подзарядки малы по величине и подзаряд аккумуляторов осуществляется только в импульсном режиме.
- погрешность контроля параметров аккумуляторов увеличена из-за относительно высокого сопротивления открытых каналов мультиплексоров в сравнении с внутренним сопротивлением аккумуляторов.
Наиболее близко, по технической сущности, к предлагаемому изобретению относится устройство балансировки заряда с конденсаторным распределителем, описанное в книге (IntroductiontoHybridVehicleSystemModelingandControlCopyright © 2013 JohnWiley&Sons, Inc., Author(s): WeiLiuPublishedOnline: 14 MAR2013 10:41 AMEST, PrintISBN: 9781118308400 OnlineISBN: 9781118407400DOI: 10.1002/9781118407400AJOHNWILEY&SONS, INC., PUBLICATION, c. 181-185), принятое нами за прототип и содержащее систему выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов включающую микроконтроллер, источник питания в виде блока последовательно соединенных аккумуляторов, при этом все положительные полюса аккумуляторов блока с нечетными номерами подключены к одной общей электрической шине, а все положительные полюса блока аккумуляторов с четными номерами к другой общей электрической шине, группу однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей для коммутации проблемного аккумулятора, пару двухпозиционных электромеханических ключей осуществляющих коммутацию конденсатора к аккумулятору, конденсатор для выравнивания степени заряженности проблемного аккумулятора.
К недостаткам указанного устройства относится отсутствие возможности контроля степени заряженности и отсутствие технической реализации автоматизации работы данного устройства на транспортном средстве, в частности на гибридных автомобилях. Кроме того, из-за большого количества переключений надежность работы двухпозиционных электромеханических ключей в устройстве сильно ограничена.
Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности и увеличении срока эксплуатации блока аккумуляторов, а также универсальности в режиме работы энергопотребления и зарядки блока аккумуляторов.
Технический результат заключается в том, что повысить надежность и увеличить срок эксплуатации блока из нескольких аккумуляторов возможно посредством эффективного автоматического контроля и управления процессом выравнивания степени заряженности каждого аккумулятора в блоке аккумуляторов, установленных на транспортном средстве гибридного автомобиля, а также универсальности в режиме работы энергопотребления и зарядки блока аккумуляторов.
Технический результат достигается за счет того, что устройство автоматического контроля и выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов содержит систему выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов включающую микроконтроллер, источник питания в виде блока последовательно соединенных аккумуляторов, при этом все положительные полюса аккумуляторов блока с нечетными номерами подключены к одной общей электрической шине, а все положительные полюса блока аккумуляторов с четными номерами к другой общей электрической шине, группу однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей для коммутации проблемного аккумулятора, пару двухпозиционных электромеханических ключей, осуществляющих коммутацию накопительного конденсатора к рабочему аккумулятору, отличие, согласно изобретения состоит в том, что устройство дополнительно снабжено системой контроля и первичного выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов, состоящей из двух диодов, согласующего конденсатора с параллельно подключенным к нему постоянным резистором, трансформатора с четырьмя обмотками, двух сглаживающих конденсаторов выбросов напряжения при коммутации однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей, операционного усилителя, включенного по схеме повторителя напряжения, переменного резистора регулирования коэффициента усиления тока обратной связи, делителя напряжения на трех переменных резисторах, подключенных к разнополярному относительно земли источнику опорного напряжения, двух компараторов, микроконтроллера, индикатора, сдвоенного демультиплексора, при этом два разнонаправленных параллельных диода через общую точку присоединения одними выводами через нормально замкнутый контакт двухпозиционного электромеханического ключа подключены к одной из общих шин (а), а другими выводами соединены один с верхней, другой с нижней первичными обмотками трансформатора; согласующая цепочка, состоящая из разделительного конденсатора с параллельно подключенным к нему постоянным резистором своим нижним концом подключена к общей точке соединения первичных обмоток трансформатора, а верхним концом подключена к нормально замкнутому контакту двухпозиционного электромеханического ключа и через него ко второй общей электрической шине (б);
каждый из двух сглаживающих конденсаторов выбросов напряжения при коммутации однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей подключен параллельно к первичным обмоткам трансформатора; средняя точка последовательно соединенных вторичных обмоток трансформатора заземлена;
нижний вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к повторителю на операционном усилителе, а его выход через переменный резистор обратной связи подключен к верхнему концу вторичной обмотки трансформатора и к входам компараторов; вторые входы каждого из компараторов подключены к делителю напряжения источника разнополярного относительно земли опорного напряжения, причем один из компараторов настроен на срабатывание от положительных уровней входного напряжения, другой компаратор настроен на срабатывание отрицательных уровней входного напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора, а с помощью переменных резисторов делителя напряжения задаются положительные и отрицательные пороги срабатывания компараторов; выходы компараторов подключены к микроконтроллеру, который информационной шиной связан с индикатором, а управляющей шиной с входом адресной коммутации сдвоенного демультиплексора, обеспечивающего последовательное подключение аккумуляторов в блоке к двум общим электрическим шинам через управляющие обмотки однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей при их попарном подключении к двум общим электрическим шинам, причем полярность подключения нечетных и четных аккумуляторов к двум общим электрическим шинам периодически изменяется на противоположную;
устройство снабжено системой управления процессом окончательного выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов состоящей из микроконтроллера, триггера, устройства совпадения, двух операционных усилителей, пары двухпозиционных электромеханических ключей, служащих для переключения с режима контроля и индикации на режим выравнивания, другой пары двухпозиционных электромеханических ключей, обеспечивающих нужную полярность подключения резервного аккумулятора к двум общим электрическим шинам, четырех ограничительных резисторов тока управления обмотками двухпозиционных электромеханических ключей, накопительного конденсатора, резервного аккумулятора и постоянного резистора, ограничивающего ток выравнивания, при этом микроконтроллер выходом, вырабатывающим управляющий импульс, длительность которого соответствует времени задержки сигнала, связан с входом схемы совпадения и входом операционного усилителя, включенного по схеме повторителя напряжения, а выход операционного усилителя через ограничивающие ток резисторы на время длительности импульса задержки подключен к обмоткам управления парой синхронно работающих двухпозиционных электромеханических ключей, служащих для переключения с режима контроля и индикации на режим выравнивания; вторым синхронизирующим выходом микроконтроллер связан с входом триггера выбора сигнала нечетного и четного порядкового номера аккумулятора в блоке, выход триггера связан со вторым входом схемы совпадения, выход схемы совпадения связан с входом другого операционного усилителя, включенного по схеме повторителя напряжения, а его выход через ограничивающие ток резисторы подключен к обмоткам управления парой синхронно работающих двухпозиционных электромеханических ключей, обеспечивающих нужную полярность подключения резервного аккумулятора к двум общим электрическим шинам; накопительный конденсатор через контакты пары двухпозиционных электромеханических ключей, служащих для переключения с режима контроля и индикации на режим выравнивания и другой пары двухпозиционных электромеханических ключей, обеспечивающих нужную полярность подключения резервного аккумулятора к двум общим электрическим шинам при их замыкании, подсоединяется на время длительности импульса задержки соответственно к общим электрическим шинам, а резервный аккумулятор через резистор ограничивающий ток подсоединен параллельно к выводам накопительного конденсатора.
Кроме того отличия также состоят в том, что первичные обмотки трансформатора включены встречно относительно средней точки; два сглаживающих конденсатора выбросов напряжения при коммутации однопозиционных электромеханических ключей подключены к первичным обмоткам трансформатора; индикатор выполнен с возможностью отображения порядкового номера проблемного аккумулятора в блоке и его состояния перезаряда или недозаряда; количество сдвоенных демультиплексоров и количество однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей может быть увеличено пропорционально количеству контролируемых аккумуляторов в блоке; время длительности импульса задержки от микроконтроллера является регулируемым и определяется опытным путем; переменный резистор обратной связи, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, выполняет функцию регулировки тока перезарядки аккумуляторов блока.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства автоматического контроля и выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов.
Устройство по предложенному изобретению содержит источник питания в виде блока последовательно соединенных из (n) рабочих аккумуляторов 1 (A1, А2, A3, …, An-1, An), систему потребления и зарядки 2 (СПЗ) блока аккумуляторов 1 КЭУ в условиях эксплуатации, согласующую цепочку, состоящую из разделительного конденсатора 3 (С1) с параллельно подключенным к нему постоянным резистором 4 (R1), группу однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей 5 (SF1, SF2, SF3, SF4, …, SFn, SFn+1) с малым внутренним сопротивлением (например, герконы), общие электрические шины 6 (a) и 7 (б), причем положительные полюса блока из последовательно соединенных (n) рабочих аккумуляторов 1 с нечетными номерами (SF1, SF3, …), подключены к одной общей электрической шине 6 (a), а все положительные полюса блока из последовательно соединенных рабочих аккумуляторов 1 с четными номерами (SF2, SF4, …) к другой общей электрической шине 7 (б). К шине 6 (a) через нормально замкнутый контакт двухпозиционного электромеханического ключа 8 (SFk1) подключены два разнонаправленных параллельных диода 9 (D1, D2), каждый из которых другим выводом последовательно соединен с одной из встречно включенных относительно средней точки первичных обмоток трансформатора 10 (Т), параллельно к которым подсоединены сглаживающие конденсаторы 11 (С2) и 12 (С3), а к общей точке соединения первичных обмоток трансформатора 10 (Т) подключена согласующая цепочка, состоящая из разделительного конденсатора 3 (С1) с параллельно подключенным к нему постоянным резистором 4 (R1), второй конец, указанной ранее цепочки, подключен через нормально замкнутый контакт двухпозиционного электромеханического ключа 13 (SFk2) к общей электрической шине 7 (б), средняя точка вторичных обмоток трансформатора 10 (Т) заземлена, причем один конец вторичной обмотки трансформатора 10 (Т) подключен к повторителю на операционном усилителе 14 (ОУ1), а его выход через переменный резистор обратной связи 15 (Roc) подключен к верхнему концу вторичной обмотки трансформатора 10 (Т) и к входам компараторов 16 (К1) и 17 (К2), вторые входы каждого из компараторов 16 (К1) и 17 (К2), подключены к делителю напряжения 18 источника разнополярного относительно земли опорного напряжения, причем один из компараторов 16 (К1) настроен на срабатывание от положительных уровней входного напряжения, другой компаратор 17 (К2) настроен на срабатывание от отрицательных уровней входного напряжения, снимаемого с вторичной обмотки трансформатора, а с помощью переменных резисторов (R2, R3, R4) делителя напряжения 18 задаются положительные и отрицательные пороги срабатывания компараторов 16 (К1) и 17 (К2), выходы компараторов 16 (К1) и 17 (К2) подключены к микроконтроллеру 19 (МК), который информационной шиной связан с индикатором 20 (HG), а управляющей шиной с входом адресной коммутации сдвоенного демультиплексора 21 (DMS), обеспечивающего последовательное подключение рабочих аккумуляторов 1 (А1, А2, А3, …, An-1, An) в блоке к двум общим электрическим шинам через управляющие обмотки нормально разомкнутых однопозиционных электромеханических ключей при их попарном подключении к двум общим электрическим шинам 6 (a), 7 (б), причем, полярность подключения нечетных и четных аккумуляторов к двум общим электрическим шинам 6 (a), 7б) периодически изменяется на противоположную, микроконтроллер 19 (МК), вырабатывающий управляющий импульс, длительностью соответствующей времени задержки сигнала, связан с входом схемы совпадения 22 (СС) и операционным усилителем 23 (ОУ2), включенным по схеме повторителя напряжения, а выход операционного усилителя 23 (ОУ2), через ограничивающие ток резисторы (R7, R8) на время длительности импульса задержки подключен к обмоткам управления парой синхронно работающих двухпозиционных электромеханических ключей 26 (SFd1 и SFd2), служащих для переключения с режима контроля и индикации на режим выравнивания, вторым синхронизирующим выходом микроконтроллер 19 (МК) связан с входом триггера 24 (ТТ) выбора сигнала нечетного и четного порядкового номера аккумулятора в блоке, выход триггера 24 (ТТ) связан со вторым входом схемы совпадения 22 (СС), выход указанной схемы совпадения 22 (СС), связан со входом другого операционного усилителя 25 (ОУЗ), включенного по схеме повторителя напряжения, а его выход через ограничивающие ток резисторы (R5, R6), подключен к обмоткам управления парой синхронно работающих двухпозиционных электромеханических ключей 26 (SFd1 и SFd2), обеспечивающих нужную полярность подключения резервного аккумулятора 28 (G1) к двум общим электрическим шинам 6 (a) и 7 (б), накопительный конденсатор 27 (С4) через контакты пары двухпозиционных электромеханических ключей 8 (SFk1) и 13 (SFk2), служащих для переключения с режима контроля и индикации на режим выравнивания, и другой пары двухпозиционных электромеханических ключей 26 (SFd1 и SFd2), обеспечивающих нужную полярность подключения резервного аккумулятора к двум общим электрическим шинам 6 (a) и 7 (б) при их замыкании, подсоединяется на время длительности импульса задержки соответственно к общим электрическим шинам, а резервный аккумулятор 28 (G1) через постоянный резистор 29 (R9), ограничивающий ток выравнивания, подсоединен параллельно к выводам накопительного конденсатора 27 (С4).
Предложенное устройство работает следующим образом.
Система автоматического контроля и первичного выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов.
1
3
2
4
k1
1
2
1
1
k2
По сигналам микроконтроллера 19, подаваемым на вход адресной коммутации сдвоенного демультиплексора 21 с числом выходов (n) в каждом демультиплексоре 21 осуществляется последовательное подключение рабочих аккумуляторов 1 в блоке КЭУ через однопозиционные нормально-разомкнутые электромеханические ключи (n+1) с малым внутренним сопротивлением к общим шинам 6 (a) и 7 (б), причем, все положительные полюса блока рабочих аккумуляторов 1 с нечетными номерами (SF, SF, …), подключены к одной общей электрической шине 6 (a), а все положительные полюса блока рабочих аккумуляторов 1 с четными номерами (SF, SF, …) к другой общей электрической шине 7 (б). В результате на электрических шинах 6 (a), и 7/б) происходит чередование положительных и отрицательных напряжений, которые от электрической шины 6 (a), через нормально замкнутый контакт двухпозиционного электромеханического ключа 8 (SF), цепочку из двух разнонаправленных параллельных диодов 9 (D, D), подаются на встречно включенные, относительно общей точки, первичные обмотки трансформатора 10(Т) и от общей точки указанной первичной обмотки трансформатора 10 (Т) через параллельную цепочку из разделительного конденсатора 3 (C) и постоянного резистора 4 (R) и через нормально замкнутый контакт двухпозиционного электромеханического ключа 13 (SF) на общий электрический провод 7 (б), при этом, если в блоке у каждого рабочего аккумулятора 1 одинаковая степень заряженности, то на вторичной низковольтной обмотке трансформатора 10 (Т) напряжение будет близко к нулю и если хотя бы один рабочий аккумулятор 1 из блока окажется перезаряженным или недозаряженнным, то на вторичной низковольтной обмотке трансформатора 10 появится соответственно положительный или отрицательный импульс с амплитудой, пропорциональной величине разбаланса.
С помощью операционного усилителя 14 (ОУ1) осуществляется согласование выходного и входного сопротивлений вторичных обмоток трансформатора 10 (Т), а с помощью переменного резистора 15 (Roc) в цепи обратной связи производится плавная регулировка тока перезарядки и, следовательно, первичное выравнивание степени заряженности рабочих аккумуляторов блока 1, поскольку, например, при уменьшении сопротивления переменного резистора 15 (Roc) обратной связи происходит увеличение потребляемой мощности во вторичной обмотке трансформатора 10 (Т), ток выравнивания рабочих аккумуляторов 1, протекающий через первичную обмотку трансформатора 10 (Т), также возрастает и выравнивание степени заряженности рабочих аккумуляторов в блоке 1 будет происходить более эффективно.
2
3
4
С верхнего конца вторичной обмотки трансформатора 10 (Т) сигнал подается на первые входы двух компараторов 16 (К1) и 17 (К2), а на их вторые входы от источника разнополярного относительно земли источника опорного напряжения Еоп через делитель 18 на сопротивлениях резисторов (R, R, R) задаются опорные напряжения порога срабатывания: положительные для компаратора 16 (К1) и отрицательные для компаратора 17 (К2).
2
3
4
i
зад
зад
7
8
d1
d2
зад
При превышении амплитуды импульса рассогласования заданного на делителе напряжения 18, с помощью резисторов (R, R, R) заданного положительного и отрицательного порогов срабатывания компараторов 16 (К1) и 17 (К2), на микроконтроллер 19 поступает сигнал сработавшего компаратора: если при срабатывании компаратора 16 (К1), выявляется перезаряженный рабочий аккумулятор из блока, а при срабатывании компаратора 17 (К2) выявляется недозаряженный аккумулятор из блока, то микроконтроллер 19 (МК) останавливает процесс опроса блока рабочих аккумуляторов 1, фиксируясь на i-ом проблемном рабочем аккумуляторе (A) через адресную коммутацию (АК) демультиплексора 21 и обмотки управления группы однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей 5 и индицирует на дисплее индикатора 20 (HG) его порядковый номер и вид неисправности (перезаряд или недозаряд), одновременно микроконтроллер 19 вырабатывает сигнал длительности времени задержки (Т.), который на время (Т) через операционный усилитель 23 (ОУ2), резисторы R, R, и управляющие обмотки двухпозиционных электромеханических ключей 8 (SFk1) и 13 (SFk2) переключает электрические шины 6 (a) и 7 (б) от режима контроля на режим выравнивания, подсоединяясь к контактам двухпозиционных электромеханических ключей 26 (SF и SF). Таким образом, осуществляется переход в режим выравнивания с длительностью Т.
зад
5
6
9
зад
Сигнал от микроконтроллера 19 переводит триггер 24 (ТТ) из состояния 0 в 1 (0 - при четном аккумуляторе, 1 - при нечетном аккумуляторе,) в соответствии с выбором для контроля аккумуляторов 2 из блока. Сигнал от триггера 24 (ТТ) через схему совпадений 22 (СС1) на время равное (Т) передается сигнал нечетности-четности от триггера 24 (ТТ), который через операционный усилитель 25 (ОУЗ) и через резисторы (R, R), устанавливает контакты двухпозиционных электромеханических ключей 26 (SFd1 и SFd2) в соответствующее состояние, обеспечивающее нужную полярность подключения резервного аккумулятора 28 (G) подключает накопительную емкость 27 (С4) предварительно заряженную от резервного аккумулятора 28 (G) и через постоянный резистор 29 (R) к общим шинам 6 (a) и 7 (б), через замкнутые на время Т контакты двухпозиционных электромеханических ключей 8 (SFk1), и 13 (SFk2).
Система управления процессом окончательного выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов.
i
i
С этого момента начинается этап окончательного выравнивания проблемного рабочего аккумулятора (SF) за счет перераспределения разницы потенциалов между напряжением накопительного конденсатора 27 (С4), предварительно заряженного от резервного аккумулятора 28 (G) и проблемного рабочего аккумулятора (SF) и далее происходит выравнивание напряжения между проблемным и резервным аккумуляторами через сопротивление постоянного резистора 29 (R9), ограничивающего ток перезарядки.
i
Поскольку проблемные рабочие аккумуляторы (SF) могут быть как перезаряженными, так и недозаряженными на резервном аккумуляторе 28 (G) будет поддерживаться заряженность, близкая к среднеарифметическому значению по всем рабочим аккумуляторам 1, входящим в состав блока рабочих аккумуляторов 1.
зад.
i
По окончании сигнала длительности времени задержки (Т) от микроконтроллера 19 (МК), двухпозиционные электромеханические ключи 8 (SFk1), и 13 (SFk2) переключаются на режим контроля и первичного выравнивания блока рабочих аккумуляторов 1, начиная с i+1 рабочего аккумулятора по команде микроконтроллера 19 на продолжение опроса рабочих аккумуляторов 1 через демультиплексор 21 пока не обнаружится другой проблемный аккумулятор (SF) и т.д.