УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫРАВНИВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕМЕНТАХ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
DEVICE FOR VOLTAGE GRADING AT STORAGE BATTERY CELLS

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для питания аппаратуры релейной защиты, автоматики и управления подстанций.
Предлагаемое устройство предназначено для автоматического мониторинга и выравнивания напряжения на элементах аккумуляторных батарей, работающих в составе систем оперативного тока или систем питания собственных нужд с номинальными напряжениями 110, 220, 330, 440 вольт, состоящими из элементов с номинальными напряжениями 2, 6, 12 вольт, соединенными последовательно.
Обеспечение длительного срока службы аккумуляторных батарей, состоящих из последовательно соединенных аккумуляторных элементов, является актуальной проблемой. Характеристики отдельных аккумуляторных элементов, из которых состоит батарея, имеют различия, что приводит в процессе эксплуатации к разбросу в степени заряженности отдельных аккумуляторных элементов, обусловленному единым зарядным или разрядным током для последовательно соединенных элементов. Следствием этого являются снижение разрядной емкости батареей, перезаряд и недопустимо глубокий разряд отдельных элементов, разгерметизация и выход из строя как отдельных элементов, так и батареи в целом. Срок службы батарей при этом сокращается.
Известно решение указанной проблемы выравниванием напряжений отдельных элементов батареи при заряде путем селективного шунтирования избыточного напряжения отдельных элементов.
Однако данное техническое решение энергетически неэффективно, так как приводит к непроизводительным потерям энергии, а также вызывает нежелательный перегрев всей батареи. Кроме того, скорость и энергия выравнивания ограничены количеством рассеиваемой в шунтах при этом энергии.
Известно устройство нивелирования разбаланса напряжений, по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или по крайне мере на двух соединенных между собой батареях (патент РФ №2156533, H02J 7/00, H02J 7/34, 29.04.1999), содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу ячеек или батарей, систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератора импульсов и формирователя импульсов управления ключевыми элементами, систему размагничивания трансформатора.
Недостатком известного устройства являются сложность электрической схемы выравнивания напряжения на отдельных аккумуляторах в батарее, зависимость энергетической эффективности зарядного процесса от разброса исходных параметров заряжаемых аккумуляторов и влияние собственных нелинейностей элементов цепи выравнивания на зарядный ток, а также необходимость использования относительно мощных трансформаторов и необходимость размагничивания сердечника трансформатора после каждого рабочего цикла.
Наиболее близким техническим решением является устройство для питания нагрузки (а.с. СССР №1029327, кл. H02J 7/34, 1983 г.), содержащее батарею, состоящую из n аккумуляторов, и параллельно к ней подключенный управляемый преобразователь постоянного тока, имеющий управляемый ключевой элемент, управляющий вход которого соединен с выходом блока контроля режима работы, установленного в цепи батареи, выходной трансформатор и n выравнивающих ячеек, каждая из которых содержит одну выходную обмотку упомянутого трансформатора, подключенную через выпрямитель к соответствующему аккумулятору в батарее.
Недостатками известного устройства являются большая индуктивность рассеяния обмоток трансформатора и слабая связь между обмотками, вследствие чего параметры обмоток ячеек зависят от режимов его работы, низкий к.п.д. ячеек из-за того, что падение напряжения на диодах соизмеримо с рабочим напряжением на аккумуляторах, технологические сложности по обеспечению идентичности параметров множества обмоток выравнивающих ячеек при их расположении на одном сердечнике.
Целью изобретения является продление срока службы аккумуляторной батареи за счет непрерывного и точного мониторинга напряжений ее элементов и их выравнивания, повышение энергетической эффективности, снижение количества элементов устройства, автоматизация технологического процесса, освобождение обслуживающего персонала от рутинного и опасного труда.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве автоматического выравнивания напряжения на элементах аккумуляторной батареи управляемый преобразователь постоянного тока выполнен в виде обратимого DC-DC преобразователя постоянного тока с датчиками тока и напряжения, причем с одной стороны преобразователь подключен к крайним выводам аккумуляторной батареи, а с другой стороны подключен к элементному коммутатору с переключателем полярности, который подключен к контактам реле на каждом выводе элементов аккумуляторной батареи, при этом управление работой всех частей устройства осуществляет блок автоматического управления и мониторинга.
Принцип работы устройства поясняется схемой на фиг.1.
Устройство с помощью клемм подключается к элементам 1, 2 и т.д. (всего n шт.) аккумуляторной батареи (АБ) 3 системы оперативного постоянного тока, в которую также входят: зарядно-подзарядное устройство 4 с питанием от промышленной сети, шины оперативного тока 5 и выключатели нагрузок 6.
Включение/выключение устройства осуществляется с помощью автоматического выключателя 7.
Перед началом функционирования выполняется настройка устройства, при которой в память устройства вводится количество и параметры контролируемых аккумуляторных элементов.
Блок автоматического управления и мониторинга 8 в программируемом циклическом режиме сигналами 9 с помощью переключателя полярности 10 и реле 11, 12, 13 и т.д. (всего n+1 реле) элементного коммутатора 13 поочередно подключает элементы аккумуляторной батареи 1, 2 и т.д. к обратимому DC-DC преобразователю 14 и измеряет напряжение подключенного элемента.
Состояние переключающих контактов переключателя полярности 10, изображенное на фиг.1, соответствует режиму работы с нечетными элементами аккумуляторной батареи. Так, например, при работе с элементом 1 включаются реле 11 и 12. Переключение 10 в противоположное состояние соответствует режиму работы с четными элементами аккумуляторной батареи. Например, при работе с элементом 2 включаются реле 12 и 13. Таким образом, наличие в схеме переключателя полярности 10 позволяет вдвое уменьшить количество реле в элементном коммутаторе 13.
Напряжение подключенного элемента U2 передается в блок автоматического управления и мониторинга 8 и оценивается в соответствии с нормой для данного типа аккумулятора. При этом учитывается температура аккумуляторной батареи, которая измеряется датчиком температуры 15, и текущее значение рабочего тока АБ, который измеряется датчиком тока 16. Если это напряжение ниже нормы, то DC-DC преобразователь 14 подзаряжает подключенный элемент АБ. При этом блок управления 8 формирует импульсы управления 17, включающие транзистор 18. При включении транзистора 18 в обмотке w1 трансформатора 19 нарастает ток I1 и в индуктивности обмотки w1 накапливается энергия. Величина тока I1 измеряется датчиком тока 20 и передается в блок автоматического управления и мониторинга 8. При выключении транзистора 18 энергия, накопленная в обмотке w1, трансформируется через обмотку w2 и диод 21 в подключенный элемент АБ. Ток, втекающий в подключенный элемент, примерно в n раз больше отобранного от АБ, где n - количество элементов АБ. В реальном трансформаторе часть энергии не способна трансформироваться и рассеивается в защитном варисторе 22.
Если напряжение подключенного элемента выше нормы, DC-DC преобразователь 14 разряжает подключенный элемент или отбирает протекающий через него избыточный зарядный ток. При этом блок управления формирует импульсы 23, включающие транзистор 24. При включении транзистора 24 в обмотке w2 трансформатора 19 нарастает ток I2 и в индуктивности обмотки w2 накапливается энергия. Величина тока I2 измеряется датчиком тока 25 и передается в блок автоматического управления и мониторинга 8. При выключении транзистора 24 энергия, накопленная в обмотке w2, трансформируется через обмотку w1 и диод 26 поступает обратно в аккумуляторную батарею 3. Возвратный ток в АБ примерно в n раз меньше отобранного. Часть энергии, не способная трансформироваться, рассеивается в защитном варисторе 27.
Таким образом, проходя все элементы АБ, устройство измеряет и корректирует их напряжение, а также выявляет неисправные.
Конденсаторы 28, 29 в DC-DC преобразователе 14 служат для фильтрации высокочастотных составляющих токов. Для обеспечения защиты от коротких замыканий элементов АБ служат предохранители 30, 31, 32 и т.д. (всего n+1). Источник питания собственных нужд 33 обеспечивает питание блока автоматического управления и мониторинга от АБ.
Предлагаемое изобретение позволяет продлить срок службы аккумуляторной батареи, повысить ее энергетическую эффективность, снизить количества элементов устройства, автоматизировать технологический процесс, а также расширить область практического применения устройства.