УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕМЕНТАХ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Устройство относится к области электротехники, а именно к системам управления балансировкой аккумуляторных накопителей энергии.
Обеспечение длительного срока службы аккумуляторных батарей, состоящих из последовательно соединенных аккумуляторов весьма актуально. Небольшие различия в характеристиках отдельных аккумуляторов при комплектовании аккумуляторных батарей приводят в процессе эксплуатации батарей к значительному разбалансу в степени заряженности отдельных аккумуляторов, что приводит в итоге к необратимым явлениям, то есть к выходу из строя отдельных элементов и батареи в целом.
Известно "Устройство нивелирования разбаланса напряжений на соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или батареях (варианты)" (RU патент №2156533 от 29.04.1999 г., МПК H02J 7/00, H02J 7/34, (2000.01)), в котором предлагается активное выравнивание напряжения отдельных ячеек аккумуляторной батареи. Устройство содержит трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу аккумуляторов или модулей, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой, систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератор импульсов и формирователь управления ключевыми элементами в виде емкости.
Однако это техническое решение энергетически неэффективно, так как приводит к непроизводительным потерям энергии. При этом скорость и энергия выравнивания ограничены количеством рассеиваемой энергии. Кроме того, к недостаткам такой батареи следует отнести сложность электрической схемы выравнивания напряжения на отдельных аккумуляторах в батарее, а также необходимость использования относительно мощных трансформаторов.
Известно другое техническое решение (RU патент №2230418 от 24.12.2002 г., МПК H02J 7/00, Н01М 10/44, (2000.01) "Батарея химических источников тока"), которое содержит множество единичных модулей из нескольких химических источников, соединенных в последовательную электрическую цепь, выравнивающее устройство, обеспечивающее при работе батареи выравнивание напряжения на отдельных химических источниках тока или модулях, а также блок управления выравнивающим устройством. В качестве последнего используется один или несколько источников постоянного тока, выходы которых подключены параллельно к каждому химическому источнику тока или модулю таким образом, что их полярности совпадают. В качестве источников постоянного тока используются вспомогательные химические источники тока, топливные элементы или электронные блоки, питание которых осуществляется от внешних (относительно батареи) источников энергии.
Суть данного технического решения заключается в питании трансформатора с числом вторичных обмоток, равном числу аккумуляторных ячеек в батарее, преобразовании их выходного напряжения в постоянное и, при необходимости, подаче этого напряжения на аккумуляторную ячейку, требующую подзарядки.
Недостатком данной системы является, в случае применения в больших аккумуляторных батареях, сложность реализации трансформатора с большим количеством вторичных обмоток при одной первичной обмотке.
Наиболее близким к заявляемому является "Устройство балансировки аккумуляторов тяговой батареи" (RU патент на полезную модель №92990 от 26.11.2009, МПК Н01М 10/42, H02J 7/14, H02J 7/32 (2006.01)). Устройство предназначено для выполнения многоканальной двухсторонней балансировки заряда аккумуляторов тяговой батареи при ее заряде от стационарного источника электроэнергии, а также при рекуперации энергии торможения автотранспортного средства в процессе эксплуатации. Конструкция данного устройства представляет собой многообмоточный трансформатор с одинаковым числом витков в каждой обмотке и транзистор с антипараллельным диодом.
Использование данного устройства позволяет переводить электрическую энергию, поступающую на заряженные аккумуляторы, к аккумуляторам с неполным уровнем заряда. Применение данного устройства позволяет увеличить КПД зарядного устройства, снизив энергетические потери, связанные с рассеиванием тепла от заряженных аккумуляторов, находящихся под нагрузкой.
Однако данная схема не позволяет осуществлять преобразование напряжения на высоких частотах. Поскольку аккумулятор является химическим источником энергии, его заряд и разряд обусловливают протекание химических процессов в активной массе аккумуляторной батареи. Для того, чтобы начался процесс заряда или разряда, должна начаться химическая реакция. А длительность этого процесса исчисляется миллисекундами. В целях повышения эффективности преобразователя необходимо поднимать частоту преобразования. Однако в связи с низким быстродействием аккумулятор не сможет полноценно принимать и отдавать энергию. Поэтому на частотах, превышающих сотни Герц, аккумулятор будет представлять собой обрыв электрической цепи. Для исключения этого фактора при работе преобразователя на высоких частотах необходимо шунтировать аккумулятор конденсатором с малой внутренней индуктивностью. Для минимизации пульсаций напряжения при работе преобразователя величина емкости конденсатора должна быть в пределах не менее 10-30 мкФ. Тогда высокочастотная составляющая тока будет замыкаться не через аккумулятор, а через конденсатор.
Задача состоит в повышении надежности работы устройства путем усовершенствования его схемы.
Технический результат достигается тем, что устройство для высокочастотного преобразования напряжения на элементах аккумуляторной батареи содержит последовательно соединенные модули, каждый из которых включает в себя один аккумулятор, одну обмотку многообмоточного трансформатора, все обмотки которого имеют одинаковое число витков и намотаны на общий ферромагнитный сердечник.
Кроме того, каждый модуль включает в себя один полевой транзистор с антипараллельным диодом, включенный своей силовой цепью последовательно с обмоткой трансформатора в своем модуле, которая своим началом соединена с плюсовым зажимом аккумулятора, минусовой зажим которого подключен к истоку полевого транзистора. Аккумуляторы всех модулей соединены последовательно между собой и образуют аккумуляторную батарею. Внешние зажимы аккумуляторной батареи предназначены для подключения к внешним зажимам зарядно-разрядных блоков. Один из них является источником заряда, а другой - нагрузкой аккумуляторной батареи.
Дополнительно каждый модуль включает в себя конденсатор, подключенный параллельно к аккумулятору своего модуля, и однофазный трансформатор управления. Первичная обмотка последнего подключена к общим шинам, предназначенным для подключения к источнику переменного напряжения. Вторичная обмотка указанного трансформатора своим началом включена в управляющую цепь полевого транзистора, и своим концом она соединена с минусовым зажимом аккумулятора в своем модуле. Трансформаторы управления всех модулей выполнены одинаковыми, а первичная и вторичная обмотки каждого из них включены синфазно.
Новым по сравнению с прототипом является следующее.
Каждый модуль включает в себя конденсатор, подключенный параллельно к аккумулятору своего модуля, и однофазный трансформатор управления. Первичная обмотка последнего подключена к общим шинам, предназначенным для подключения к источнику переменного напряжения. Вторичная обмотка указанного трансформатора своим началом включена в управляющую цепь полевого транзистора, и своим концом она соединена с минусовым зажимом аккумулятора в своем модуле. Трансформаторы управления всех модулей выполнены одинаковыми, а первичная и вторичная обмотки каждого включены синфазно.
Это позволяет, как и в прототипе, при заряде аккумуляторной батареи, состоящей из множества аккумуляторов с различной степенью заряженности, распределять через схему выпрямления излишнюю мощность, подаваемую на заряженный аккумулятор, между разряженными аккумуляторами.
Кроме того, наличие в схеме устройства трансформаторов управления позволяет обеспечить одновременную подачу сигналов управления на затворы всех транзисторов, в результате чего все транзисторы открываются одновременно.
Наличие в каждом модуле индивидуального конденсатора, подключенного параллельно своему аккумулятору, позволяет регулировать процесс передачи энергии от аккумуляторов с более высоким напряжением относительно среднего значения к аккумуляторам, имеющим более низкое напряжение относительно среднего.
Кроме того, при высокочастотном преобразовании неизбежна пульсация напряжения на выводах аккумулятора. Это значит, что активная масса аккумулятора вблизи электродов подвергается локальным высокочастотным циклам заряда-разряда. И как следствие происходит разрушение активной массы аккумулятора вблизи электродов. А это, в свою очередь, ведет к снижению полезной емкости и срока жизни аккумулятора. Производители аккумуляторов, как правило, регламентируют величину пульсации напряжения. А чем больше емкость шунтирующего конденсатора, тем меньше пульсация напряжения.
Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию новизна, а также о том, что между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.
На фигуре приведена принципиальная схема предлагаемого технического решения.
Рассмотрим работу устройства на конкретном примере.
Устройство для высокочастотного преобразования и выравнивания напряжения на элементах аккумуляторной батареи (см. фиг.) содержит 10 последовательно соединенных модулей, каждый один из которых включает в себя один аккумулятор 1.1 (2.1…10.1), одну обмотку 1.2 (2.2…10.2) многообмоточного трансформатора 11, все обмотки которого имеют одинаковое число витков и намотаны на общий ферромагнитный сердечник 12. Кроме того, каждый модуль содержит один полевой транзистор 1.3 (2.3…10.3) с антипараллельным диодом 1.4 (2.4…10.4), включенный своей силовой цепью последовательно с указанной обмоткой 1.2 (2.2…10.2) трансформатора в своем модуле, которая своим началом соединена с плюсовым зажимом аккумулятора 1.1 (2.1…10.1), минусовой зажим которого подключен к истоку полевого транзистора 1.3 (2.3…10.3). Аккумуляторы 1.1…10.1 всех модулей 1…10 соединены последовательно между собой и образуют аккумуляторную батарею 13. Внешние ее зажимы 14 и 15 предназначены для подключения к внешним зажимам зарядно-разрядных блоков 16, 17. Один из них является источником заряда 16, а другой - нагрузкой 17 аккумуляторной батареи 13.
Дополнительно каждый модуль 1 (2…10) включает в себя конденсатор 1.5 (2.5…10.5), подключенный параллельно к аккумулятору 1.1 (2.1…10.1), и однофазный трансформатор управления 1.6 (2.6…10.6). Первичная обмотка 1.7 (2.7…10.7) указанного трансформатора подключена к общим шинам 18, 19, предназначенным для подключения к источнику переменного напряжения 20. Вторичная обмотка 1.8 (2.8…10.8) своим началом включена в управляющую цепь полевого транзистора1.3 (2.3…10.3) и своим концом она соединена с минусовым зажимом аккумулятора 1.1 (2.1…10.1) в своем модуле 1…10. Трансформаторы 1.6…10.6 управления всех модулей 1…10 выполнены одинаковыми, а первичная 1.7 (2.7…10.7) и вторичная 1.8 (2.8…0.8) обмотки каждого из них включены синфазно.
В качестве полевых транзисторов 1.3…10.3 предпочтительно использовать транзисторы типа MOSFET, так как они в открытом состоянии обладают двунаправленной проводимостью, что исключает возникновение падения напряжения на обратном диоде. И, кроме того, это повышает точность балансировки напряжения, так как падение напряжения на обратном диоде составляет минимум 0,7 В.
Источник напряжения 20 является задающим генератором, вырабатывающим сигнал типа "меандр".
Рассмотрим работу предлагаемого устройства.
При подаче напряжения от источника заряда 16 на зажимы 14,15 аккумуляторной батареи 13 происходит одновременный заряд аккумуляторов 11…10.1 и конденсаторов 1.5…10.5. В силу возможного разброса параметров аккумуляторов и разной степени их заряженности напряжение на их зажимах, а также на зажимах соответствующих им конденсаторов будут неодинаковыми в разных модулях.
Допустим, что напряжение на зажимах аккумулятора 1.1 и конденсатора 1.5 модуля 1 выше, чем напряжение на зажимах аккумулятора 2.1 и конденсатора 2.5 модуля 2. После одновременной подачи от задающего генератора 20 сигнала управления на все трансформаторы управления 1.6…10.6 и вследствие этого одновременного открытия всех транзисторов 1.4…10.4 напряжение с конденсаторов 1.5…10.5 прикладывается к индивидуальным обмоткам 1.2…10.2 силового трансформатора 11. В результате создаются условия для разряда конденсаторов через их индивидуальные обмотки и транзисторы, так как высокочастотная составляющая тока замыкается через конденсатор, а не через аккумулятор.
По закону электромагнитной индукции при протекании токов разряда через указанные обмотки магнитодвижущие силы от этих токов возбуждают магнитный поток в магнитопроводе 12. Результирующий магнитный поток будет индуктировать э.д.с. самоиндукции и э.д.с. взаимной индукции в обмотках трансформатора 11. А напряжение на зажимах каждого аккумулятора будет определяться как среднее значение, равное величине напряжения на аккумуляторной батарее от результирующего магнитного потока, деленной на число аккумуляторов в батарее. Исходя из этого аккумуляторы с более высоким напряжением относительно среднего будут отдавать энергию аккумуляторам, имеющим более низкое напряжение относительно среднего. Иными словами, конденсатор с максимальным напряжением из всей цепочки конденсаторов, то есть 1.1, отдаст свою энергию и намагнитит сердечник 12 трансформатора 11. В то же время конденсаторы с более низким напряжением (2.1) будут потреблять энергию из сердечника, при этом размагничивая его, то есть будут стремиться удержать рост магнитного потока.
При равенстве напряжения на аккумуляторе и среднего значения напряжения от действия результирующего магнитного потока, когда напряжение на каждом аккумуляторе равно среднему значению напряжения в силовом трансформаторе, токи перетекания из одних аккумуляторов в другие прекратятся.
Таким образом, рассмотренное устройство при относительно простом схемном решении обеспечивает возможность обмена энергией между всеми аккумуляторами в аккумуляторной батарее, обеспечивает возможность выравнивания напряжений в аккумуляторах в режимах заряда, разряда и хранения энергии, а также обеспечивает возможность регулировки и ограничения токов перетекания при его работе и тем самым позволяет нивелировать разброс параметров отдельных аккумуляторов.