Автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током
AUTOMATED SYSTEM FOR FAST CHARGING THE ASYMMETRIC CURRENT BATTERIES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для ускоренного заряда аккумуляторных батарей (АБ) на основе преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Уровень техники
Известно устройство [патент Российской федерации №2319275, H02J 7/10, 2006] для автоматического ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током. Данное устройство предназначено для заряда никель-кадмиевых и никель-металлогидридных АБ. В устройстве реализованы два режима заряда. Первый режим - заряд осуществляется без предварительного доразряда асимметричным током со стабилизированными амплитудами зарядного и разрядного токов, второй режим - заряд осуществляется постоянным током с предварительным доразрядом. Цепь разряда состоит из АБ 14, блока подключения аккумуляторных батарей 11, блока фильтров 21, блока регулируемого источника заряд-разрядного тока 18 и блока разряда конденсаторов (нагрузки) 22. Цепь заряда состоит из блока регулируемого источника зарядного тока 17, блока фильтров 20, блока регулируемого источника заряд-разрядного тока 18, фильтра 21, блока подключения аккумуляторных батарей 11 и АБ 14. Блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 18 является дуальным преобразователем. При разряде АБ блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 18 обеспечивает стабилизацию разрядного тока, блок обеспечивает регулировочную характеристику повышающего импульсного преобразователя. При заряде АБ блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 18 служит для
поддержания уровня зарядного тока в соответствии с режимом заряда при достаточной величине входного напряжения, блок обеспечивает регулировочную характеристику только понижающего импульсного преобразователя. Блок регулируемого источника зарядного тока 17 (выполнен по схеме повышающего преобразователя) служит для повышения входного напряжения, если это необходимо для поддержания уровня зарядного тока в соответствии с режимом заряда.
Недостатки данного устройства заключаются в следующем:
- для заряда АБ с напряжением, близким или выше питающего напряжения, требуется блок регулируемого источника зарядного тока (повышающий преобразователь) 17, так как блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 18 схемотехнически выполнен как понижающий преобразователь при заряде и не обеспечивает поддержания уровня зарядного тока в этом случае;
- нет режима, обеспечивающего двухступенчатый заряд литий-ионных аккумуляторов;
- нет возможности вести заряд от батареи фотоэлектричесой;
- нет функции связи с модулем контроля и управления (МКУ) АБ по интерфейсу SMBus;
- нет связи с персональным компьютером (ПК) по USB интерфейсу. Известно устройство [патент Российской федерации №2318285, H02J 7/10, 2006] для автоматического ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током. Данное устройство предназначено для заряда никель-кадмиевых и никель-металлогидридных АБ. В устройстве реализованы два режима заряда. Первый режим - заряд осуществляется без предварительного доразряда асимметричным током со стабилизированными амплитудами зарядного и разрядного токов, второй режим - заряд осуществляется постоянным током с предварительным доразрядом. Цепь разряда состоит из АБ 14, блока подключения АБ 11, блока фильтров 23, блока регулируемого источника разрядного тока 20, блока разряда конденсаторов (нагрузки) 24. Цепь заряда состоит из блока регулируемого источника зарядного тока 19,
блока фильтров 20, блока регулируемого источника зарядного тока 18, блока фильтров 23, блока подключения аккумуляторных батарей 11, АБ 14. Блок регулируемого источника зарядного тока 18 не является дуальным импульсным преобразователем, поэтому для реализации разряда АБ введен блок регулируемого источника разрядного тока 20. Блок регулируемого источника разрядного тока 20 служит для поддержания уровня разрядного тока. Блок регулируемого источника зарядного тока (18) служит для поддержания уровня зарядного тока в соответствии с режимом заряда при достаточной величине входного напряжения, блок обеспечивает регулировочную характеристику только понижающего импульсного преобразователя. Блок регулируемого источника зарядного тока (19) служит для повышения входного напряжения, если это необходимо для поддержания уровня зарядного тока в соответствии с режимом заряда.
Недостатки данного устройства заключаются в следующем:
- для заряда АБ с напряжением, близким или выше питающего напряжения, требуется блок регулируемого источника зарядного тока (повышающий преобразователь) 19, т.к. блок регулируемого источника зарядного тока 18 схемотехнически выполнен как понижающий преобразователь и не обеспечивает поддержания уровня зарядного тока в этом случае;
- блок регулируемого источника зарядного тока 18 не обеспечивает разряд АБ (т.е. не является дуальным), что привело к введению в зарядное устройство (ЗУ) блока регулируемого источника разрядного тока 20 для разряда АБ;
- нет режима, обеспечивающего двухступенчатый заряд литий-ионных аккумуляторов;
- нет возможности вести заряд от батареи фотоэлектричесой;
- нет функции связи с МКУ АБ по интерфейсу SMBus;
- нет связи с ПК по USB интерфейсу.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка автоматизированного устройства для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, обеспечивающего:
- стабилизацию зарядно-разрядного тока за счет применения дуального DC-DC преобразователя, имеющего регулировочную характеристику как повышающего, так и понижающего преобразователя при заряде и разряде;
- связь по интерфейсу SMBus с модулем контроля и управления АБ;
- двухступенчатый заряд литий-ионных АБ;
- связь по интерфейсу USB с персональным компьютером;
- заряд от батареи фотоэлектрической.
Технический результат, который может быть достигнут с помощью изобретения, сводится к обеспечению:
- стабилизации зарядно-разрядного тока за счет применения дуального DC-DC преобразователя, имеющего регулировочную характеристику как повышающего, так и понижающего преобразователя при заряде и разряде;
- связи по интерфейсу SMBus с модулем контроля и управления АБ;
- двухступенчатого зарядя литий-ионных АБ;
- связи по интерфейсу USB с персональным компьютером;
- заряда от батареи фотоэлектрической.
Технический результат достигается за счет реализации дуального DC-DC преобразователя, имеющего регулировочную характеристику как повышающего, так и понижающего преобразователя при заряде и разряде (выполнен по топологии - синхронный SEPIC преобразователь), а также расширения функциональных возможностей изделия за счет введения интерфейса SMBus для связи с МКУ АБ, двухступенчатого заряда литий-ионных АБ, связи по интерфейсу USB с персональным компьютером и работы ЗУ от батареи фотоэлектрической.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено автоматизированное устройство для ускоренного заряда аккумуляторных батарей асимметричным током (блок-схема).
Осуществление изобретения
На фиг. 1 изображена блок-схема устройства. Устройство включает силовую часть зарядного устройства (СЧЗУ) и систему управления зарядным устройством (СУЗУ). СУЗУ состоит из блока стабилизации 3 и блока ввода-вывода 5. Блок стабилизации состоит из микроконтроллера (МК) 4 и соединенных с ним блоком датчика напряжения 15, блоком датчика напряжения 16, блоком датчика тока 17, блоком индикации 25, блоком звуковой сигнализации 26. Блок МК 4 состоит из блока управления 24 и соединенных с ним блоком ШИМ 18, блоком сопряжения по интерфейсу SMbus 19, блоком аналого-цифрового преобразования (АЦП) 20, блоком усилителей 21, блоком задания алгоритма заряда 22, блоком сопряжения по интерфейсу I2C 23. Блок ввода-вывода 5 соединен с персональным компьютером 6. Блок МКУ 14 соединен с блоком сопряжения по интерфейсу SMbus 19. Питающее напряжение подается на блок фильтров 7. Выход блока фильтра 7 соединен с блоком нагрузки 10 и блоком регулируемого источника заряд-разрядного тока 8. Выход блока регулируемого источника заряд-разрядного тока 8 соединен с входом блока фильтра 9. Выход блока фильтра 9 соединен с блоком подключения АБ и самой АБ. Выход блока ШИМ 18 соединен с входом блока усилителей 11, выход которого соединен с блоком регулируемого источника заряд-разрядного тока 8.
Устройство работает следующим образом.
При включении устройства блок МК 4 инициализирует записанную в блок задания алгоритма заряда 22 программу, которая устанавливает выходные сигналы портов ввода-вывода в начальное состояние, контролирует входные сигналы портов ввода-вывода и АЦП. Сигналы с выхода блока МК 4 запирают блок усилителей 11 во избежание открытия силовых элементов схемы 1 СЧЗУ. Блок ввода-вывода 5 служит для отображения информации на алфавитно-цифровом дисплее и управления устройством. Обмен информацией между блоком ввода-вывода 5 и блоком стабилизации 3 осуществляется по интерфейсу 12C. С помощью блока ввода-вывода 5 оператор вручную выбирает тип и режим для никель-кадмиевой, никель-металлогидридной или литий-ионной (без встроенного МКУ с интерфейсом SMBus) АБ. Режим заряда асимметричным током предусмотрен только для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных АБ. Параметры заряда для выбранного типа АБ передаются в блок стабилизации 3. Блок управления 24 анализирует полученную информацию и выбирает из блока задания алгоритма заряда 22 алгоритм, соответствующий заряду данного типа батареи. При подключении АБ с МКУ зарядное устройство по интерфейсу SMBus считывает данные (токи, напряжения окончания заряда и т.д.) и в автоматическом режиме начинает процесс заряда. Заряд осуществляется в автоматическом режиме без участия оператора, все параметры заряда задает сама батарея. В процессе заряда параметры (емкость АБ, число циклов и т.д.), считанные из МКУ АБ, через блок стабилизации 3 передаются в блок ввода-вывода 5, где отображаются на алфавитно-цифровом дисплее (АЦД). При подключении батареи фотоэлектрической блок МК 4 через блок датчика напряжения 15 определяет наличие подключение к ЗУ последней. Алгоритм заряда от батареи фотоэлектрической реализуется по принципу поиска максимальной мощности путем коротких периодических изменений положения рабочей точки.
Если задан заряд асимметричным током (для никель-кадмиевой или никель-металлогидридной АБ) блок ввода-вывода 5 выдает параметры режима заряда в блок стабилизации 3 в соответствии с выбранным типом и режимом заряда АБ. Блок управления 24 выдает сигналы управления зарядом на блок ШИМ 18 и сигнал на блок индикации 25. Сигналы, поступающие с блока ШИМ 18 на блок усилителей 11 и далее на блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8, устанавливают амплитуды и длительности зарядных и разрядных импульсов согласно выбранному типу АБ. Блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8 является дуальным, т.е. обеспечивает протекания тока в двух направлениях - зарядного или разрядного. При формировании разрядного импульса энергия накапливается во входных конденсаторах блока фильтра, а затем используется для формирования зарядного импульса, т.е. осуществляется рекуперация энергии. Амплитуды зарядного и разрядного импульса контролируются с помощью сигналов, поступающих с блока датчика тока 17 на блок усилителей 21 и далее на блок АЦП 20. В ходе заряда контролируется напряжение АБ, сигнал с АБ через блок датчика напряжения 16 поступает на блок АЦП 20. По окончании процесса заряда блок управления 24 прекращает подачу сигналов управления на блок ШИМ 18, на выходах которого устанавливаются уровни, запирающие блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8, батарея отключается от зарядной цепи. Блок управления 24 подает сигнал в блоки индикации 25, звуковой сигнализации 26, ввода-вывода 5 о нормальном завершении процесса заряда.
Если задан ускоренный режим (для никель-кадмиевой или никель-металлогидридной АБ) заряда постоянным током, то алгоритм заряда соответствует вышеописанному, но в процессе заряда блок регулируемого источника заряд-разрядного тока формирует только зарядный ток.
Если задан стандартный режим (для никель-кадмиевой или никель-металлогидридной АБ) заряда постоянным током, блок управления 24 выдает сигналы управления разрядом на блок ШИМ 18 и сигналы свечения на блок индикации 25. Сигнал с блока ШИМ 18, поступающий на блок усилителей 11 и далее на блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8, устанавливает амплитуду разрядного тока согласно выбранному типу АБ. Амплитуда разрядного тока контролируется с помощью сигнала, поступающего с блока датчика тока 17 на блок АЦП 20. Энергия разряда гасится в блоке нагрузки 10, представляющем собой резистор и ключ. В ходе разряда в соответствии с алгоритмом контролируется напряжение АБ. По достижении конечного разрядного напряжения блок управления 24 прекращает подачу сигналов управления в блок ШИМ 18, на выходе которого устанавливается уровень, запирающий блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8. Далее блок управления 24 выдают сигналы управления зарядом на блок ШИМ 18. Сигналы, поступающие с блока ШИМ 18 на блок усилителей 11 и далее на блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8, устанавливают амплитуду зарядного тока согласно выбранному типу АБ. Амплитуда зарядного тока контролируются с помощью сигнала, поступающего с блока датчика тока 17 на блок усилителей 21 и далее на блок АЦП 20. В ходе заряда контролируется напряжение АБ, сигнал с АБ через блок датчика напряжения 16 поступает на блок АЦП 20. По окончании процесса заряда блок управления 24 прекращает подачу сигналов управления на блок ШИМ 18, на выходах которого устанавливаются уровни, запирающие блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8, батарея отключается от зарядной цепи. Блок управления 24 подает сигнал в блоки индикации 25, звуковой сигнализации 26, ввода-вывода 5 о нормальном завершении процесса заряда.
Если задан ускоренный режим заряда для литий-ионной АБ (без встроенного МКУ с интерфейсом SMBus), блок управления 24 выдает сигналы управления зарядом на блок ШИМ 18 и сигналы свечения на блок индикации 25. Заряд проходит в комбинированном режиме: вначале при постоянном токе до напряжения 4,2 В/элемент, затем при постоянном напряжении. Сигнал, поступающий с блока ШИМ 18 на блок усилителей 11 и далее на блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8, устанавливает амплитуду зарядного тока согласно выбранному типу АБ. Амплитуда зарядного тока контролируются с помощью сигнала, поступающего с блока датчика тока 17 на блок усилителей 21 и далее на блок АЦП 20. В ходе заряда контролируется напряжение АБ, сигнал с АБ через блок датчика напряжения 16 поступает на блок АЦП 20. При достижении напряжения 4,2 В/элемент блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8 переходит в режим стабилизации напряжения. Процесс заряда продолжается при спадающем токе. По окончании процесса заряда (прекращается при достижении минимального значения тока, задан в соответствии с выбранным типом АБ) блок управления 24 прекращает подачу сигналов управления на блок ШИМ 18, на выходах которого устанавливаются уровни, запирающие блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8, батарея отключается от зарядной цепи. Блок управления 24 подает сигнал в блоки индикации 25, звуковой сигнализации 26, ввода-вывода 5 о нормальном завершении процесса заряда.
При подключении литий-ионной АБ (со встроенным МКУ с интерфейсом SMbus) блок сопряжения по интерфейсу SMbus 19 считывает информацию с МКУ. Блок задания алгоритма заряда 22 формирует режим в соответствии с параметрами, считанными из МКУ АБ. Заряд осуществляется в автоматическом режиме. Параметры, считанные из МКУ АБ, передаются на блок ввода-вывода, где отображаются на блоке АЦД. Процесс заряда аналогичен вышеописанному для литий-ионной АБ.
Если подключена батарея фотоэлектрическая, на вход блока управления 24 поступает сигнал с входа блока датчика напряжения 15, сигнализирующий о наличии батареи фотоэлектрической. Для всех типов батарей, можно выбрать только ускоренный режим заряда постоянным током. Блок управления 24 выдает сигналы управления зарядом на блок ШИМ 18 и сигналы свечения на блок индикации 25. Сигнал, поступающий с блока ШИМ 18 на блок усилителей 17 и далее на блок регулируемого источника заряд-разрядного тока 8, устанавливает амплитуду зарядного тока согласно выбранному типу АБ. В случае нехватки энергии реализуется алгоритм заряда по принципу поиска максимальной мощности путем коротких периодических изменений положения рабочей точки. При недостаточной освещенности батареи фотоэлектрической - ток заряда не стабилизирован. В ходе заряда контролируется напряжение АБ, сигнал с АБ через блок датчика напряжения 16 поступает на блок АЦП 20. По окончаниипроцесса заряда блок управления 24 прекращает подачу сигналов управления на блок ШИМ 18, на выходах которого устанавливаются уровни, запирающие блок регулируемого источника заряд-разрядного тока, батарея отключается от зарядной цепи. Блок управления 24 подает сигнал в блоки индикации 25, звуковой сигнализации, ввода-вывода о нормальном завершении процесса заряда.
Ведение в силовую часть зарядного устройства (СЧЗУ) блока регулируемого источника заряд-разрядного тока, построенного по принципу дуального преобразователя и имеющего регулировочную характеристику как повышающего, так и понижающего преобразователя при заряде и разряде приводит к исключению одновременного применения нескольких преобразователей, способных работать только как повышающий или понижающий, что приводит к уменьшение массы, габаритов и стоимости.
Введение блока сопряжения SMBus обеспечивает автоматический заряд литий-ионных АБ (при наличии МКУ с интерфейсом SMBus). При появлении новых АБ с аналогичным интерфейсом не потребуется перепрограммировать и перенастраивать ЗУ, поскольку все параметры заряда содержатся в МКУ АБ, ЗУ по интерфейсу SMBus считает параметры и установит АБ на заряд.
Введение в систему алгоритма заряда по принципу поиска точки максимальной мощности позволило обеспечить заряд АБ от батареи фотоэлектрической.
Введение блока сопряжения USB позволило обеспечить взаимодействие ЗУ с ПК. Данные об АБ (зарядно/разрядные графики напряжения, данные с МКУ АБ и т.д.) могут быть сохранены на ПК в базе данных для последующего анализа.