УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СУПЕРКОНДЕНСАТОРНОЕ
SUPERCONDENSER ELECTRICAL DEVICE

Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам накопления электрической энергии на основе суперконденсаторов, и может быть использовано в альтернативных источниках энергии, например гибридных двигателях транспортных средств, ветряных и солнечных генераторах и др.
Суперконденсатор является высокотехнологичным устройством сохранения электрической энергии, обладающим максимальными значениями удельной мощности (до 20 кВт/кг) среди традиционных электрохимических источников тока. Высокая емкость и способность в течение короткого промежутка времени накапливать/отдавать значительное количество энергии делают суперконденсатор востребованным компонентом как специальных, так и гражданских систем и приборов. Накопление энергии в суперконденсаторе происходит в результате формирования двойного электрического слоя на границе наноструктурный углерод/раствор неводного электролита.
Устройство электрическое суперконденсаторное отличается наличием встроенной системы активной балансировки суперконденсаторов и платы интерфейса, позволяющими повысить надежность, эффективность и длительность срока эксплуатации.
Известно устройство активной балансировки напряжений последовательно включенных суперконденсаторов, в котором каждый суперконденсатор подключен к схеме, содержащей источник опорного напряжения, делитель напряжения, который устанавливает порог срабатывания шунта, операционный усилитель, первый вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а второй вход - к делителю напряжения, выход операционного усилителя подключен к шунту, представляющему собой диссипативное устройство, шунтирующее суперконденсатор, когда напряжение на нем превышает пороговое значение (описание к патенту US 2003/0214267 A1, МПК H02J 7/00, опубликовано 20.11.2003).
Недостатками известного устройства являются:
- отсутствие фильтров нижних частот в цепи питания операционного усилителя и на его входах, которые необходимы для фильтрации электромагнитных и коммутационных помех;
- отсутствие защиты схем балансировки и суперконденсаторов устройства от переполюсовки;
- отсутствие обратной связи, которая позволила бы управлять процессом заряда устройства суперконденсаторного электрического, чтобы избежать его перегрева или перенапряжения суперконденсаторов.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, содержащее систему последовательно подключенных к напряжению суперконденсаторов, с каждым из которых параллельно связаны электрические схемы активной балансировки напряжений, включающие источник опорного напряжения, делитель напряжения, компаратор и шунт (описание к патенту US 6777917 B2, МПК H02J 7/00, H02H 7/16, H02J 1/00, опубликовано 17.08.2004).
Недостатком известного устройства является усложнение схемы зарядного прибора, который должен регулировать ток заряда в соответствии с сигналами, вырабатываемыми схемой устройства. При работе без внешнего регулятора тока суперконденсаторы устройства могут выйти из строя. Другим недостатком является отсутствие защиты суперконденсаторов и схем устройства от переполюсовки суперконденсаторов, которая возможна при быстром разряде устройства.
Задача изобретения - улучшение эксплутационных характеристик устройства электрического суперконденсаторного.
Технический результат от использования изобретения - повышение надежности и расширение функциональных возможностей устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство электрическое суперконденсаторное, содержащее последовательно подключенные к напряжению, по меньшей мере, один суперконденсатор, с каждым из которых параллельно связаны электрические схемы активной балансировки напряжений, включающие источник опорного напряжения, делитель напряжения, компаратор и шунт, дополнительно снабжено температурным датчиком, системой охлаждения, контроллером и сервисной схемой, связанной с последними и схемами активной балансировки напряжений конденсаторов, в которые включены дополнительные делитель напряжения, компаратор, формирующий сигнал электрической перегрузки, устройство оптической развязки сигнала перегрузки, схема защиты компараторов от отрицательного напряжения питания, схема защиты суперконденсаторов от переполюсовки, фильтры нижних частот в цепи питания компараторов, фильтры нижних частот на входах компараторов.
При этом, сервисная схема может быть выполнена с возможностью мониторинга напряжений суперконденсаторов, формирования общего сигнала перегрузки из соответствующих сигналов схем активной балансировки напряжения с помощью функции «монтажное ИЛИ» и температуры устройства и управления системой охлаждения.
Контроллер может быть выполнен с интерфейсом CAN или RS-428 или Ethernet.
Схемы активной балансировки напряжения могут быть объединены в одну двухпроводную линию для подвода к сервисной схеме, а также схемы балансировки размещены на печатных платах по две на каждой.
Введение в устройство датчика температуры, системы охлаждения, контроллера и связанной с ними и со схемами активной балансировки напряжений суперконденсаторов сервисной схемы позволяет осуществлять мониторинг напряжения и температуры устройства, регистрацию сигналов перегрузки и управление системой охлаждения устройства.
Контроллер, оснащенной интерфейсом, например CAN, позволяет объединять несколько устройств в сеть, а также:
- повысить надежность эксплуатации устройства, поскольку сервисная схема реализует обратную связь, которая позволяет приостановить процесс заряда устройства при его перегрузке или перегреве;
- предоставить пользователю возможность предотвратить переход устройства в критический режим работы или повысить эффективность его использования (например, в системах бесперебойного питания) при соответствующем управлении процессами заряда и разряда устройства на основе данных о его состоянии, передаваемых схемой по шине CAN. Альтернативой интерфейсу CAN могут являться интерфейсы RS-428, Ethernet и другие.
В схемах активной балансировки напряжений суперконденсаторов дополнительные делитель напряжения и компаратор формируют сигнал электрической перегрузки суперконденсатора, когда напряжение на нем превышает предельно допустимый уровень.
В схеме защиты компараторов от отрицательного напряжения на шине питания и входах делители напряжения подключаются к шине питания компараторов, которая через резистор подключается к положительному выводу суперконденсатора. Указанный резистор образует коллекторную цепь биполярного p-n-p транзистора, шунтирующего компараторы и делители при отрицательном напряжении на суперконденсаторе. Эмиттер транзистора подключен к отрицательному выводу суперконденсатора, коллектор - к шине питания компараторов, а база через токоограничивающий резистор - к положительному выводу компаратора. Транзистор открывается, если суперконденсатор заряжается отрицательно и способствует его разряду небольшим базовым током.
В схеме защиты суперконденсаторов от переполюсовки шунт схемы усовершенствован таким образом, что переходит в активное состояние (проводит значительный ток) при отрицательном напряжении на суперконденсаторе. Это достигается за счет применения мощных полевых МОП-транзисторов с подложечными диодами и (или) дополнительных диодов, включенных параллельно транзистору шунта в обратном смещении при положительном напряжении суперконденсатора устройства.
Введение в устройство дополнительного делителя напряжения и компаратора, формирующего сигнал электрической перегрузки, когда напряжение на суперконденсаторе превышает предельно допустимый уровень, позволяет:
- ввести обратную связь, позволяющую приостановить процесс заряда устройства в случае перенапряжения одного или нескольких его суперконденсаторов;
- уменьшить токи шунтирования (соответственно, упростить схемотехническую реализацию шунтов) за счет того, что в соответствии с предлагаемым изобретением допускается кратковременное увеличение напряжения на суперконденсаторах выше номинального уровня, но ниже предельно допустимого.
Введение в устройство оптической (гальванической) развязки сигналов перегрузки позволяет обеспечить электробезопасность при работе устройства в режиме больших напряжений, при построении высоковольтных накопителей (с напряжением до нескольких киловольт), получаемых в результате последовательного соединения устройств. В то же время введение гальванической развязки позволяет объединить сигналы перегрузки от всех схем балансировки с помощью функции «монтажное ИЛИ» и в результате уменьшить количество соединительных проводов внутри устройства и упростить мониторинг состояния устройства.
Введение в устройство схемы защиты компараторов от отрицательного напряжения на шине питания и входах предотвращает выход из строя компараторов при возможной переполюсовке суперконденсаторов во время быстрого разряда.
Введение в устройство схемы защиты суперконденсаторов от переполюсовки предотвращает быструю деградацию параметров полярных суперконденсаторов, тем самым увеличивая срок службы устройства в целом и повышая надежность его работы.
Введение в устройство фильтров нижних частот в цепь питания компараторов позволяет значительно снизить влияние на них электромагнитных и коммутационных помех, которые могут быть значительными при работе устройства в режиме больших импульсных токов.
Введение в устройство фильтров нижних частот на входах компараторов позволило снизить влияние коммутационных помех, создаваемых компаратором в цепи питания при изменении состояния выходных сигналов и перезарядке емкостной нагрузки в виде входной емкости транзисторных ключей в схемах шунта и оптической развязки сигнала перегрузки.
Введение в устройство печатных плат с размещенными на них двумя схемами активной балансировки напряжения позволяет:
-обеспечить попарную балансировку суперконденсаторов, что позволило сделать конструкцию платы более технологичной и экономичной;
-сократить вдвое количество проводов от выводов суперконденсаторов на плату;
-упростить конструкцию устройства суперконденсаторного устройства в целом.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства суперконденсаторного электрического; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема активной балансировки напряжения суперконденсаторов; на фиг.3 - графические зависимости изменения: (а) - зарядный ток и напряжения устройства, (б) - напряжения на конденсаторах устройства с различными емкостями при наличии схем активной балансировки напряжения на суперконденсаторах и в их отсутствие.
Устройство 1 состоит из последовательно включенных суперконденсаторов 102. Параллельно каждому суперконденсатору 102 подключены схемы 103 активной балансировки напряжения. Сигналы перегрузки со всех схем 103 объединены в одну двухпроводную линию, подключенную к сервисной схеме 104. Сервисная схема 104 подключена к системе охлаждения 105, температурному датчику 106 и связана с контроллером 107 с интерфейсом CAN или RS-428 или Ethernet. Сервисная схема 104 и контроллер 107 связаны обратной связью для отправления сообщений последнему о состоянии устройства. Контроллер 107 может посылать команды настройки устройства для присвоения ему сетевого адреса, установки периода следования сообщений, содержащих значение температуры, значения напряжений, состояние сигнала перегрузки и индикаторы близости к критическому режиму по температуре и напряжению. В электрической схеме 103 активной балансировки суперконденсаторов 102 сопротивления 201, 202 образуют делитель напряжения с коэффициентом деления, определяемым значением номинального напряжения суперконденсаторов (напряжение включения шунтов). Резисторы 203, 204 образуют делитель напряжения с коэффициентом деления, определяемым значением предельного напряжения суперконденсаторов, при котором формируется сигнал перегрузки.
Микросхема 208 содержит в себе источник опорного напряжения и два компаратора. Вместо микросхемы 208 могут использоваться дискретные источник опорного напряжения и компараторы (не показаны). Конденсаторы 205 и 206 вместе с резисторами 201, 202 и 203, 204 соответственно образуют фильтры нижних частот, повышающих помехоустойчивость схемы. Конденсатор 207 повышает стабильность опорного напряжения. Конденсатор 209 вместе с резистором 211 образует фильтр нижних частот для цепи питания компараторов, источника опорного напряжения и делителей напряжения. Биполярный транзистор 210 типа p-n-p или полевой транзистор с каналом p-типа открывается при отрицательном напряжении на выводах суперконденсатора 220 и 222 и шунтирует цепь питания делителей напряжения и микросхемы 208, предотвращая выход ее из строя. При положительном напряжении на выводе 220 относительно 222 транзистор 210 закрыт и не влияет на работу схемы. Резистор 212 служит для ограничения тока базы транзистора 210 в открытом состоянии. Резистор 213 служит для ограничения тока светодиода оптрона 214, который подключен к стоку МОП-транзистора 215 с каналом n-типа.
В процессе работы устройства, если напряжение суперконденсатора 102 превышает предельно допустимое значение, микросхема 208 формирует положительное напряжение на затворе транзистора 215, он открывается и включает входной ток оптрона 214. Выходной транзистор оптрона замыкает цепь между выводами 216 и 217.
Сигнал перегрузки с выхода компаратора через оптическую развязку, выполненную на оптроне, ток светодиода которого коммутируется полевым транзистором, объединяется с соответствующими сигналами от остальных схем балансировки с помощью функции «монтажное ИЛИ»: эмиттеры и коллекторы выходных транзисторов оптронов соединяются параллельно двумя проводами, которые подключаются к сервисной схеме 104. Это дает возможность пользователю по одному сигналу контролировать состояние всех суперконденсаторов устройства и в случае перегрузки хотя бы одного суперконденсатора предотвратить аварийную ситуацию, приостановив процесс заряда устройства.
Сервисная схема 104 воспринимает это замыкание как сигнал перегрузки и посылает соответствующее сообщение по шине CAN. Может быть предусмотрен вывод сигнала перегрузки на внешний разъем модуля для возможности корректной его эксплуатации без подключения к шине CAN. Сопротивление 218 и МОП-транзистор 219 с каналом n-типа образуют шунт, который под управлением микросхемы 208 проводит ток, когда напряжение суперконденсатора превышает значение номинального напряжения, и не проводит ток, если напряжение суперконденсатора имеет меньшее значение. Сопротивление 218 и транзистор 219 должны обеспечивать заданный ток шунтирования. Параллельно транзистору 219 может быть подключен диод 221, который совместно с подложечным диодом транзистора будет проводить ток в случае отрицательного напряжения на выводе суперконденсатора 220 относительно вывода 222, тем самым защищая суперконденсатор от переполюсовки. При достаточно большом токе диодов отрицательное напряжение на конденсаторе не достигнет значений, способных привести к деградации его характеристик. Усовершенствованная таким образом схема шунта служит для ограничения как положительного, так и отрицательного напряжения суперконденсатора.
На фиг.3a показано, как изменяется во времени ток и напряжение устройства после подключения его к источнику заряда в момент времени t0. При постоянной эдс источника заряда и его выходном сопротивлении ток устройства (кривая 301) с максимального значения, установившегося в момент времени t0, спадает до нуля по экспоненте. Напряжение (кривая 302) наоборот экспоненциально возрастает от нуля до значения эдс источника заряда, которое не должно превышать значение номинального напряжения устройства (которое определяется суммой номинальных напряжений конденсаторов устройства).
На фиг.36 показано, как изменяются напряжения на суперконденсаторах после подключении к источнику заряда в момент времени t0 на примере устройства из трех суперконденсаторов. Емкость суперконденсатора, которому соответствуют кривые 306 и 308, имеет номинальное значение. Емкости суперконденсаторов, которым соответствуют кривые 305, 309 и 307, 310, отличаются от номинального значения на 10%. Суперконденсатор с меньшей емкостью (кривые 305, 309) заряжается быстрее, чем суперконденсатор с большей емкостью (кривые 307, 310). Если схемы балансировки не применяются, то напряжение первого суперконденсатора превысит предельно допустимое значение, отмеченное прямой 303, как видно по кривой 309. Второй суперконденсатор при этом окажется недостаточно заряженным: кривая 310 не достигает уровня номинального напряжения 304. Суперконденсатор же с номинальной емкостью, как и положено, зарядится до номинального напряжения. При применении схем балансировки, в соответствии с предлагаемым изобретением, напряжения на всех суперконденсаторах со временем выравниваются до номинального уровня. При пониженных токах шунтирования напряжение на суперконденсаторе с наименьшей емкостью, как видно по кривой 305, на некоторое время превысит номинальное значение, но не достигнет предельно допустимого уровня, соответствующего перегрузке. В приведенном примере предельное напряжение всего на 5.5% превышает номинальное, но это позволяет уменьшить ток шунтов в 5 раз, т.е. ток шунтирования может быть в 5 раз меньше значения зарядного тока устройства в момент времени t1, которое можно оценить по фиг.3a.