БЛОК ПИТАНИЯ БОРТСЕТИ АВТОМОБИЛЯ
POWER UNIT OF AUTOMOBILE ELECTRICAL SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке высокочастотных источников питания с гальванической развязкой выходного напряжения для транспортных средств с комбинированными энергоустановками.
Известно устройство (Вершигора В.А., Игнатов А.П. и др. Автомобиль ВА3-2108. - М.: ДОСААФ, 1986. - 286 с.), в котором для питания бортсети автомобиля используется синхронная электромашина (автомобильный генератор) с приводом от двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС).
Недостатком этого устройства при использовании его для питания бортсети автомобилей с комбинированными энергоустановками является нарушение энергобаланса бортсети из-за наличия режимов движения автомобиля исключительно на «электротяге», т.е. когда ДВС выключен, а также относительно низкий к.п.д.
Известно также устройство стабилизированного источника питания, патент РФ №2426168, МПК G05F 1/56, публ. 10.08.2011 г., обеспечивающее качественное электропитание питание нагрузки путем введения стабилизации частоты переключений.
Недостатком этого устройства является отсутствие гальванической развязки выходного напряжения.
Известно также устройство мостового инвертора, патент РФ №2223590, МПК Н02М 3/337, Н02М 7/219, G05F 1/56, публ. 10.02.2004 г., обеспечивающее питание нагрузки гальванически развязанным напряжением, причем несмотря на наличие в силовой цепи однофазного мостового преобразователя решен вопрос исключения постоянной составляющей в первичной обмотке выходного трансформатора.
Недостатком этого устройства является отсутствие защиты от внезапных включений-отключений напряжения питания, а также низкие энергетические показатели, обусловленные использованием ШИМ-регулирования напряжения в первичной обмотке выходного трансформатора.
Наиболее близким техническим решением является бортовое зарядное устройство, патент РФ №2101830, МПК H02J 7/10, Н02М 7/12, публ. 10.01.1998 г., принятое за прототип, в котором для питания нагрузки используется высокочастотный полумостовой транзисторный преобразователь с гальванической развязкой выходного напряжения.
Недостатком этого устройства являются низкие энергетические показатели, обусловленные использованием ШИМ-регулирования напряжения в первичной обмотке выходного трансформатора.
Целью изобретения является повышение энергетических показателей и расширение функциональных свойств устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее источник питания собственных нужд, подключенный к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батарее, полумостовой транзисторный преобразователь, вход которого через токоограничивающий резистор подключен к источнику питания, а выход через датчик тока подключен к первичной обмотке трансформаторно-выпрямительного каскада, подключенного через выходной фильтр к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батарее, первый и второй усилители мощности для управления транзисторами полумостового транзисторного преобразователя, регулятор напряжения, вход которого подключен к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батарее, компаратор, RS-триггер и триггер со счетным входом, первое и второе реле, первые выводы катушек которых объединены и подключены к плюсовому выводу внутреннего источника питания второго усилителя мощности, при этом второй вывод катушки первого реле подключен к среднему выводу внутреннего источника питания второго усилителя мощности через нормально замкнутый контакт второго реле, нормально разомкнутый контакт которого шунтирует токоограничивающий резистор, а второй вывод катушки второго реле подключен к выходу датчика наличия напряжения на положительной входной клемме полумостового транзисторного преобразователя, первый и второй логические элементы 4ИЛИ-НЕ, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго усилителей мощности, при этом первые входы логических элементов 4ИЛИ-НЕ подключены через нормально замкнутый контакт первого реле к среднему выводу внутреннего источника питания второго усилителя мощности, а через нормально разомкнутый контакт этого же реле - к положительному выводу этого же источника питания, вторые входы логических элементов 4ИЛИ-НЕ подключены к прямому выходу RS-триггера, третьи входы - к R-входу RS-триггера и к счетному входу второго триггера, прямой выход которого подключен к четвертому входу первого логического элемента 4ИЛИ-НЕ, а инверсный выход этого триггера подключен к четвертому входу второго логического элемента 4ИЛИ-НЕ, при этом выход датчика тока полумостового транзисторного преобразователя через компаратор подключен к S-входу RS-триггера, введен генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключен к третьим входам логических элементов 4ИЛИ-НЕ, а источник питания содержит понижающий ШИМ-регулятор, образованный последовательно соединенными дросселем и полевым транзистором, сток которого подключен к общей точке соединения первой клеммы дросселя и катода диода, а исток этого полевого транзистора подключен к плюсовой выходной клемме входного фильтра, минусовая выходная клемма которого подключена к аноду диода, при этом вторая клемма дросселя является плюсовой выходной клеммой источника питания и подключена к инвертирующему входу сумматора, неинвертирующий вход этого сумматора подключен к выходу регулятора напряжения, а выход сумматора через релейный элемент и третий усилитель мощности подключен к затвору полевого транзистора, при этом второй выход регулятора напряжения через индикатор подключен к плюсовой клемме бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи.
На чертеже показана схема устройства.
Блок питания бортсети автомобиля содержит источник питания собственных нужд 1, подключенный к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батарее 2, полумостовой транзисторный преобразователь 3, вход которого через токоограничивающий резистор 4 подключен к источнику питания 5, а выход через датчик 6 тока подключен к первичной обмотке трансформаторно-выпрямительного каскада 7, подключенного через выходной фильтр 8 к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батарее 2, первый 9 и второй 10 усилители мощности для управления транзисторами полумостового транзисторного преобразователя 3, регулятор напряжения 11, вход которого подключен к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батарее 2, компаратор 12, RS-триггер 13 и триггер 14 со счетным входом, первое 15 и второе 16 реле, первые выводы катушек которых объединены и подключены к плюсовому выводу внутреннего источника питания второго усилителя мощности 10, при этом второй вывод катушки К 15.1 первого реле 15 подключен к среднему выводу внутреннего источника питания второго усилителя мощности 10 через нормально замкнутый контакт 16.2 второго реле 16, нормально разомкнутый контакт которого шунтирует токоограничивающий резистор 4, а второй вывод катушки К 16.1 второго реле 16 подключен к выходу датчика 17 наличия напряжения на положительной входной клемме полумостового транзисторного преобразователя 3, первый 18 и второй 19 логические элементы 4ИЛИ-НЕ, выходы которых подключены к входам соответственно первого 9 и второго 10 усилителей мощности, при этом первые входы логических элементов 18, 19 4ИЛИ-НЕ подключены через нормально замкнутый контакт 15.2 первого реле 15 к среднему выводу внутреннего источника питания второго усилителя мощности 10, а через нормально разомкнутый контакт этого же реле 15 - к положительному выводу этого же источника питания, вторые входы логических элементов 18, 19 4ИЛИ-НЕ подключены к прямому выходу RS-триггера 13, третьи входы - к R-входу RS-триггера 13 и к счетному входу второго триггера 14, прямой выход которого подключен к четвертому входу первого 18 логического элемента 4ИЛИ-НЕ, а инверсный выход этого триггера 14 подключен к четвертому входу второго 19 логического элемента 4ИЛИ-НЕ, при этом выход датчика 6 тока полумостового транзисторного преобразователя 3 через компаратор 12 подключен к S-входу RS-триггера 13. Кроме того, блок питания бортсети автомобиля содержит генератор 20 прямоугольных импульсов, выход которого подключен к третьим входам логических элементов 18, 19 4ИЛИ-НЕ, а источник питания 5 содержит понижающий ШИМ-регулятор, образованный последовательно соединенными дросселем 21 и полевым транзистором 22, сток которого подключен к общей точке соединения первой клеммы дросселя 21 и катода диода 23, а исток этого полевого транзистора 22 подключен к плюсовой выходной клемме входного фильтра 24, минусовая выходная клемма которого подключена к аноду диода 23, при этом вторая клемма дросселя 21 является плюсовой выходной клеммой источника питания 5 и подключена к инвертирующему входу сумматора 25, неинвертирующий вход этого сумматора 25 подключен к выходу регулятора 11 напряжения, а выход сумматора 25 через релейный элемент 26 и третий усилитель 27 мощности подключен к затвору полевого транзистора 22, при этом второй выход регулятора напряжения 11 через индикатор 28 подключен к плюсовой клемме бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи 2.
Устройство работает следующим образом.
Z
Z
В установившемся режиме высокое напряжение с буферного накопителя энергии (далее БНЭ) через входной фильтр 24 поступает на вход понижающего ШИМ-регулятора источника питания 5. ШИМ-регулятор формирует на входе полумостового транзисторного преобразователя 3 пониженное в несколько раз напряжение, пропорциональное заданному Uz, поступающему на неинвертирующий вход сумматора 25 с выхода регулятора напряжения 11. С выхода сумматора 25 разностный сигнал между заданным напряжением Uz и его текущим значением обеспечивает включение-отключение полевого транзистора 22 за счет соответствующих переключений релейного элемента 26. Так как генератор 20 вырабатывает последовательность симметричных импульсов со скважностью 0,5 (меандр), то напряжение на клеммах бортовой двенадцативольтовой батареи 2 строго пропорционально напряжению на входе полумостового транзисторного преобразователя 3, поэтому величина напряжения на клеммах бортовой двенадцативольтовой батареи 2 определяется величиной заданного напряжения U с выхода регулятора напряжения 11. Регулятор напряжения 11 формирует заданное напряжение U в функции поддержания на клеммах бортовой двенадцативольтовой батареи 2 напряжения, требуемого по условиям эксплуатации в зависимости от текущих значений нагрузки и температуры окружающей среды. Таким образом, в установившемся режиме ввиду наличия напряжения на входе полумостового транзисторного преобразователя 3 датчик 17 наличия напряжения источника питания 5 поддерживает второе реле 16 во включенному состоянии, то есть токоограничивающий резистор 4 зашунтирован нормально открытым контактом этого реле, а катушка первого реле 15 обесточена. Поэтому на первые входы логических элементов 4ИЛИ-НЕ 18, 19 поступает нулевое напряжение, не запрещая тем самым прохождение импульсов от генератора 20.
При первоначальном подключении источника питания 5 к БНЭ заряд конденсаторов полумостового транзисторного преобразователя 3 происходит через токоограничивающий резистор 4, так как датчик 17 наличия напряжения еще не включил второе реле 16. Поэтому первое реле 15 оказывается включенным и блокируют своим нормально открытым контактом прохождение импульсов управления полумостовым транзисторным преобразователем 3. После того как конденсаторы полумостового транзисторного преобразователя 3 зарядятся до полного напряжения, датчик 17 наличия напряжения включает второе реле 16, шунтируя его нормально открытым контактом токоограничивающий резистор 4 и отключая тем самым первое реле 15. Теперь на первые входы первого 18 и второго 19 логических элементов 4ИЛИ-НЕ поступает нулевое напряжение, снимая тем самым блокировку прохождения импульсов управления полумостовым транзисторным преобразователем 3. В начальный момент времени напряжение на выходе RS-триггера 13 тоже равно нулю, так как ток еще не нарос до своего предельного значения. Генератор 20 вырабатывает последовательность симметричных импульсов со скважностью 0,5 (меандр), при высоком потенциале которых происходит переброс второго триггера 14 в противоположное состояние и осуществляется так называемая ″гарантированная пауза″, то есть запрет одновременного включения транзисторов полумостового транзисторного преобразователя 3. При низком потенциале на выходе генератора 20 включается, например, через первый усилитель мощности 9, верхний транзистор полумостового транзисторного преобразователя 3. В первичной обмотке трансформаторно-выпрямительного каскада 7 начинает нарастать ток. Если напряжение заряжаемой бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи 2 таково, что величина этого тока достигнет предельного значения, то сработает компаратор 12 и на выходе RS-триггер 13 установится высокий потенциал, в результате чего первый усилитель мощности 9, а следовательно, и силовой транзистор будут отключены. Ток начнет уменьшаться, но RS-триггер 13 останется в прежнем положении до тех пор, пока не будет переключен передним фронтом очередного импульса генератора 20. При этом сменится также и состояние второго триггера 14, что приведет к включению второго усилителя мощности 10 и нижнего транзистора полумостового транзисторного преобразователя 3. Ток в первичной обмотке трансформаторно-выпрямительного каскада 7 снизится до нуля и начнет возрастать в противоположном направлении. Когда он достигнет предельного значения, вновь сработает компаратор 12 и отключит тем самым усилитель мощности 10. Далее процесс повторяется, обеспечивая заряд бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи 2 стабильным током.
Если напряжение бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи 2 уже достигло такого значения, что ток в первичной обмотке трансформаторно-выпрямительного каскада 7 не нарастает до предельного значения, то срабатывания компаратора 12 не происходит и длительность включенного состояния транзисторов полумостового транзисторного преобразователя 3 определяется только генератором 20.
Внезапное отключение и включение напряжения БНЭ никак не отражается на алгоритме работы блока питания бортсети автомобиля, так как источник питания 1 собственных нужд подключен к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батарее 2.
Таким образом, в предлагаемом устройстве отсутствует ШИМ-регулирование напряжения в первичной обмотке трансформаторно-выпрямительного каскада 7, что обеспечивает максимально возможные энергетические показатели, а регулирование выходного напряжения блока питания бортсети автомобиля осуществляется за счет изменения напряжения на входе полумостового транзисторного преобразователя 3. Эти изменения обеспечиваются понижающим ШИМ-регулятором источника питания 5, задание для которого формируется регулятором напряжения 11 в функции поддержания на клеммах бортовой двенадцативольтовой батареи 2 напряжения, требуемого по условиям эксплуатации в зависимости от текущих значений нагрузки и температуры окружающей среды. Второй выход регулятора напряжения 11 через индикатор 28 подключен к плюсовой клемме бортовой двенадцативольтовой батареи 2 и сигнализирует включением индикатора 28 о критическом повышении или понижении напряжения на клеммах бортовой двенадцативольтовой батареи 2. В качестве такого регулятора можно использовать один из серийно выпускаемых интегральных регуляторов для автомобильных генераторов, например TC80223×WS фирмы Motorola, импульсный выход (ЕХС) которого подключается к неинвертирующему входу сумматора 25 через апериодический фильтр, а второй выход (LAMP) подключается к индикатору 28.