КОНТРОЛЛЕР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Область техники
Полезная модель относится к технике распределения электроэнергии между элементами, входящими в состав автономной энергетической установки, а именно к использованию диодной матрицы в качестве токораспределительного устройства, а также транзисторов для коммутации накопителей энергии в последовательную и параллельную цепи.
Уровень техники
Известен контроллер заряда и разряда АБ (патент США № 5631533), включающий средства измерения параметров АБ и средства включения-выключения зарядного тока, а также использующий специально разработанное программное обеспечение. Данное устройство позволяет заряжать группу последовательно соединенных АБ от одного источника тока, причем при достижении напряжением одной из батарей максимально допустимой величины, она по команде контроллера шунтируется соответствующим резистором, что исключает превышение допустимого заряда, а остальные АБ в цепи продолжают накапливать заряд.
Недостатками этого устройства являются
1) потери энергии в шунтирующих резисторах;
2) невозможность вести заряд одновременно от двух и более источников тока одновременно;
3) невозможность вести заряд двух и более параллельно включенных АБ одновременно.
Известен контроллер заряда, входящий в состав ветроэнергетической установки ВЭУ-2000. Этот контроллер позволяет осуществлять заряд одновременно от двух источников (от ВГ и от СБ) нескольких АБ, которые должны быть соединены последовательно (Ветроэнергетическая установка ВЭУ-2000, Паспорт с техническим описанием (Руководство по эксплуатации ВЭУ 2000), Москва 2011 г.).
Недостатками этого устройства являются:
1) после того, как хотя бы одна батарея из соединенных последовательно будет заряжена до максимального напряжения, заряд всех АБ следует прекратить, т.к. в противном случае батарея может выйти из строя, что нарушит протекание тока по всей цепи и обесточит нагрузку;
2) невозможность параллельного включения двух и более АБ одновременно;
3) невозможность проводить заряд АБ от трех и более источников тока одновременно.
Известен способ реализации контроля заряда и разряда накопителей энергии реализованный в заправке электромобилей от солнечной энергии (https://geektimes.ru/post/281246/). Питание установки осуществляется за счет солнечной энергии. Контроль заряда-разряда организован в ней с помощью контроллера заряда и инвертора. Необходимые параметры для заряда электрического транспорта формируются с помощью инвертора и блока заряда электромобиля. Так как напряжение аккумуляторных батарей находится на уровне 48В, а для зарядки электромобиля необходимо напряжение 50-500В. Необходимые параметры достигаются путем перевода постоянного тока с напряжением 48В в переменный с напряжением 220В, после чего через повышающий напряжение трансформатор ток доводится до необходимых параметров и подается на блок зарядки.
Недостатками этой системы являются
1) низкая надежность энергообеспечения, так как один источник энергии заряжает одну группу аккумуляторных батарей;
2) для получения параметров тока необходимых для зарядки электромобиля, используется устройство перевода постоянного тока в переменный, устройства повышающее напряжение до необходимого уровня, и перевод его в постоянный.
Ближайшим аналогом заявленной полезной модели является контроллер энергии для гибридной электрогенерирующей системы (патент РФ № 118134), состоящий из источников электроэнергии, накопителей электроэнергии, системы распределения токов выполненной на диодах, токопроводящих шин. Отрицательные выводы всех источников электроэнергии и всех накопителей электроэнергии объединены в одну общую шину, соединенную с отрицательным выводом потребителя электроэнергии, положительный вывод каждого источника электроэнергии через группу диодов соединен с группой шин, число которых равно числу накопителей электроэнергии, причем каждая из шин подключена к положительному выводу одного из накопителей электроэнергии, а через диод - к общей положительной шине, соединенной с положительным выводом потребителя электроэнергии. Устройство содержит, по крайне мере, два источника электроэнергии и два накопителя электроэнергии, число диодов в группе может быть равно числу накопителей электроэнергии. Число групп диодов может быть равно числу источников электроэнергии. Источник электроэнергии может представлять собой солнечную батарею или ветрогенератор, или гидрогенератор, или бензиновый или дизельный генератор, или термоэлектрический или термоэмиссионный источник, или топливный элемент. Накопитель электроэнергии может представлять собой аккумуляторную батарею, или электрический конденсатор, или реверсивный топливный элемент.
Недостатком данного контроллера является невозможность получения более высоких параметров напряжения и тока без подключения дополнительных повышающих напряжение устройств.
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение необходимых параметров напряжения и тока в широком диапазоне без использования повышающих напряжение устройств.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в распределении электроэнергии, так что обеспечиваются необходимые параметры напряжения и тока для заряда без дополнительных преобразований.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что контроллер распределения электроэнергии автономной энергетической установки содержит источники электроэнергии и накопители электроэнергии, токопроводящие шины, систему распределения токов, выполненную на диодах, так что положительные полюса источников электроэнергии токопроводящими шинами через диоды соединены с положительными полюсами накопителей энергии, отрицательные полюса источников электроэнергии токопроводящими шинами соединены с отрицательными полюсами накопителей электроэнергии, а положительные и отрицательные выводы накопителей соединены с соответствующими выводами потребителя электроэнергии, при этом контроллер дополнительно содержит управляемые ключи, соединенные с блоком контроля и управления, так что положительные и отрицательные полюса источников электроэнергии соединены с соответствующими полюсами накопителей электроэнергии через управляемые ключи, накопители электроэнергии соединены между собой последовательно токопроводящими шинами с управляемыми ключами.
Совокупность описанных выше существенных признаков позволяет контроллеру распределения электроэнергии осуществлять коммутацию необходимого количества накопителей электроэнергии в последовательную цепь для достижений необходимых параметров напряжения для потребителя, и осуществлять коммутации накопителей электроэнергии в параллельную цепь для зарядки накопителей электроэнергии, при этом соблюдается условие, при котором энергия с источника электроэнергии может попадать на любой из накопителей электроэнергии, но без перетекания электроэнергии с одного накопителя на другой.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется фигурой.
На фигуре приведена схема контроллера распределения электроэнергии автономной энергетической установки, где цифрами обозначены:
1-4 - источники электроэнергии;
5-8 - накопитель электроэнергии;
9-24 - диоды;
25-35 - управляемый ключ;
36 - блок контроля и управления;
37 - потребитель электроэнергии.
Осуществление и примеры реализации
Контроллер распределения электроэнергии автономной энергетической установки (см. фиг.), так же, как и контролер (патент РФ № 118134) включает в себя как минимум два источника электроэнергии 1-4, систему распределения токов, выполненную на диодах 9-24, как минимум 2 накопителя электроэнергии 5-8 и потребитель электроэнергии 37, но в отличие от прототипа дополнительно содержит управляющие ключи 25-35 и блок контроля и управления ими.
Положительные полюса источников электроэнергии 1-4 токопроводящими шинами через диоды 9-24 и управляемые ключи 25-28 соединены с положительными полюсами накопителей электроэнергии 5-8. Отрицательные полюса источников электроэнергии 1-4 токопроводящими шинами через управляемые ключи 35, 29-31 соединены с отрицательными полюсами накопителей электроэнергии 5-8. Накопители электроэнергии 5-8 соединены между собой последовательно управляющими ключами 32-34. Отрицательные полюса накопителей электроэнергии 5-8 соединены с отрицательными полюсами источников электроэнергии 1-4 и отрицательным полюсом зарядного блока потребителя электроэнергии 37 через управляемые ключи 29-31, 35. Положительный полюс группы последовательно соединенных накопителей электроэнергии 5-8 соединен с положительным полюсом потребителя электроэнергии 37. Блок контроля и управления 36 соединен с управляемыми ключами 25-35.
В качестве управляемых ключей 25-35 могут использоваться полевые IGBT или MOSFET транзисторы, так же могут быть использованы бесконтактные твердотельные или контактные электромагнитные реле. Блок контроля и управления может быть выполнен в виде бортового компьютера с блоком питания и токопроводящими дорожками, для проведения сигнала на управляемые ключи. В качестве потребителя электроэнергии может выступать зарядный блок для электромобиля.
В качестве источников электроэнергии так же как в патенте РФ №118134 могут быть использованы солнечные батареи, ветрогенераторы, гидрогенераторы, бензиновые или дизельные генераторы, или термоэлектрический или термоэмиссионный источник, или топливный элемент. Накопители электроэнергии могут быть представлены аккумуляторными батареями, электрическими конденсаторами, или реверсивными топливными элементами.
Примеры реализации
Работа установки разделяется на три режима:
1) Режим заряда накопителей электроэнергии 5-8;
2) Режим разряда накопителей электроэнергии 5-8;
3) Спящий режим.
Режим заряда определяется тем, что блоком контроля и управления 36 производится размыкание управляемых ключей 32-34 и замыкание управляемых ключей 25-31, 35. Показатель напряжения системы в таком положении равен показателю напряжения одного накопителя электроэнергии. В таком положении электроэнергия, идущая от источников 1-4 через диоды 9-24, поступает на накопители электроэнергии 5-8. Диоды 9-24 обеспечиваются проход энергии от источников электроэнергии 1-4, но предотвращают перетекание энергии от накопителя к накопителю.
Режим разряда определяется тем, что блоком контроля и управления 36 производится размыкание управляемых ключей 25-31 и замыкание управляемых ключей 32-34. В результате чего происходит последовательное соединение накопителей электроэнергии 5-8. Показатель напряжения будет ровняться сумме напряжений всех накопителей электроэнергии 5-8. В таком виде через токопроводящие шины энергия подается на потребителя электроэнергии 37.
Спящий режим определяется тем, что управляемые ключи 25-35 разомкнуты, что означает полную изолированность источников электроэнергии 5-8 от системы. Спящий режим может быть необходим в случае, когда накопители электроэнергии 5-8 полностью заряжены и отсутствует необходимость в нагрузке, а также во время технического осмотра.
Таким образом, заявленная полезная модель решает следующую основную проблему, а именно: распределение электроэнергии, которое обеспечивает максимально полное использование электроэнергии, произведенной источниками, а также обеспечивает необходимые параметры тока для заряда, например электрического транспорта без дополнительных преобразований и устройств.