БОРТОВОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО
ONBOARD CHARGING DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке высокочастотных зарядных устройств и источников питания с гальванической развязкой выходного напряжения.
Известно устройство, патент РФ №2127200, кл. B60L 15/08, H02J 7/10, 1999, в котором для зарядки тяговой аккумуляторной батареи электромобиля используется силовой преобразователь электропривода, причем с коэффициентом мощности, близким к единице.
Недостатком этого устройства является отсутствие защиты от внезапных включений-отключений напряжения питания, а также отсутствие блока, осуществляющего питание двенадцативольтового электрооборудования электромобиля (фары, стеклоочиститель и т.п.) и подзарядку автомобильной (12 В) аккумуляторной батареи.
Известно также устройство, патент РФ №2222098, кл. B60L 11/12, H02P 7/62, 2002, в котором для зарядки тяговой аккумуляторной батареи электромобиля и подзарядки автомобильной (12 В) аккумуляторной батареи используется однотактный транзисторный преобразователь.
Недостатками этого устройства являются отсутствие защиты от внезапных включений-отключений напряжения питания, а также низкие энергетические показатели, обусловленные использованием однотактного транзисторного преобразователя, обеспечивающего заряд аккумуляторных батарей с очень большой разницей напряжений: у тяговой аккумуляторной батареи порядка 300…400 вольт, а у автомобильной аккумуляторной батареи порядка 14 вольт.
Наиболее близким техническим решением является устройство, патент РФ №2101830, кл. H02J 7/10, H02M 7/12, 1998, (прототип), в котором для зарядки тяговой аккумуляторной батареи электромобиля используется высокочастотный полумостовой транзисторный преобразователь с гальванической развязкой выходного напряжения.
Недостатком этого устройства является отсутствие возможности осуществлять питание двенадцативольтового электрооборудования электромобиля (фары, стеклоочиститель и т.п.) и подзарядку автомобильной (12 В) аккумуляторной батареи во время движения электромобиля, т.е. его вынуждены возить просто как «балласт». Кроме того, это устройство не обеспечивает потребление электрической энергии из сети с коэффициентом мощности, близким к единице.
Целью изобретения является повышение энергетических показателей и расширение функциональных свойств.
Поставленная цель достигается в устройстве, содержащем источник питания собственных нужд, полумостовой транзисторный преобразователь, вход которого через токоограничивающий резистор подключен к источнику питания, содержащему мостовой однофазный выпрямитель, а выход через первый датчик тока подключен к первичной обмотке трансформаторно-выпрямительного каскада, входной фильтр тяговой аккумуляторной батареи, первый и второй усилители мощности для управления транзисторами полумостового транзисторного преобразователя, регулятор напряжения, 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 источника питания, вход которого подключен к входу 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 открытый 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 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 первого датчика тока полумостового транзисторного преобразователя через компаратор подключен к S-входу RS-триггера. Поставленная цель достигается тем, что в источник питания введено третье реле, обмотка которого подключена к входу мостового однофазного выпрямителя, и сетевой активный фильтр, образованный последовательно соединенными дросселем и диодом, катод которого подключен к плюсовой клемме полумостового транзисторного преобразователя, а анод - к первой клемме дросселя и коллектору силового транзистора, эмиттер которого соединен с минусовой клеммой мостового однофазного выпрямителя и с первым выводом токоограничивающего резистора, второй вывод которого подключен к минусовой клемме полумостового транзисторного преобразователя, при этом вторая клемма дросселя через второй датчик тока подключена к плюсовой клемме мостового однофазного выпрямителя, а плюсовая клемма входного фильтра тяговой аккумуляторной батареи через нормально замкнутый контакт силового реле подключена к плюсовой клемме полумостового транзисторного преобразователя, при этом трансформаторно-выпрямительный каскад выполнен имеющим две группы вторичных обмоток, первая из которых через выпрямительные диоды и нормально замкнутые контакты силового реле подключена к входному фильтру бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи, а вторая группа через выпрямительные диоды и нормально разомкнутые контакты силового реле подключена к входному фильтру тяговой аккумуляторной батареи, причем ее минусовой вывод через нормально замкнутый контакт силового реле подключен к эмиттеру силового транзистора, базовый вывод которого через третий усилитель мощности и релейный элемент с гистерезисной характеристикой подключен к выходу суммирующего элемента, на инвертирующий вход которого поступает выходной сигнал второго датчика тока, а на не инвертирующий вход этого сумматора поступает задающий сигнал требуемого тока через дроссель сетевого активного фильтра, который по форме строго повторяет выходное напряжение мостового однофазного выпрямителя источника питания, при этом к тяговой аккумуляторной батареи и к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи подключены соответственно первый и второй ШИМ-регуляторы напряжения с оптронным выходом, первый из которых через нормально разомкнутый блок-контакт силового реле подключен к третьим входам первого и второго логических элементов 4ИЛИ-НЕ, а второй ШИМ-регулятор напряжения подключен к этим же входам через нормально замкнутый блок-контакт силового реле, причем источник питания собственных нужд подключен к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи.
На чертеже приведена схема устройства.
Бортовое зарядное устройство, содержащее источник питания 1 собственных нужд, полумостовой транзисторный преобразователь 2, вход которого через токоограничивающий резистор 3 подключен к источнику питания 4, содержащему мостовой однофазный выпрямитель 5, а выход через первый датчик 6 тока подключен к первичной обмотке трансформаторно-выпрямительного каскада 7, входной фильтр 8 тяговой аккумуляторной батареи 9, первый 10 и второй 11 усилители мощности для управления транзисторами полумостового транзисторного преобразователя 2, регулятор напряжения 12, компаратор 13, RS-триггер 14 и триггер 15 со счетным входом, первое 16 и второе 17 реле, первые выводы катушек которых объединены и подключены к плюсовому выводу внутреннего источника питания второго усилителя 11 мощности, при этом второй вывод катушки К16.1 первого реле 16 подключен к среднему выводу внутреннего источника питания второго усилителя 11 мощности через нормально замкнутый контакт 17.2 второго реле 17, нормально разомкнутый контакт которого шунтирует токоограничивающий резистор 3, а второй вывод катушки К17.1 второго реле 17 подключен к выходу датчика 18 наличия напряжения источника питания 4, вход которого подключен ко входу полумостового транзисторного преобразователя 2, первый 19 и второй 20 логические элементы 4ИЛИ-НЕ, выходы которых подключены к входам соответственно первого 10 и второго 11 усилителей мощности, при этом первые входы логических элементов 19, 20 4ИЛИ-НЕ подключены через нормально замкнутый контакт 16.2 первого реле 16 к среднему выводу внутреннего источника питания второго усилителя мощности 11, а через нормально открытый контакт этого же реле 16 - к положительному выводу этого же источника питания, вторые входы логических элементов 19, 20 4ИЛИ-НЕ подключены к прямому выходу RS-триггера 14, третьи входы - к R-входу RS-триггера 14 и счетному входу второго триггера 15, прямой выход которого подключен к четвертому входу первого 19 логического элемента 4ИЛИ-НЕ, а инверсный выход этого триггера 15 подключен к четвертому входу второго 20 логического элемента 4ИЛИ-НЕ, при этом выход первого датчика 6 тока полумостового транзисторного преобразователя 2 через компаратор 13 подключен к S-входу RS-триггера 14, источник питания 2 содержит третье реле 21, обмотка К21.1 которого подключена к входу мостового однофазного выпрямителя 5, и сетевой активный фильтр 22, образованный последовательно соединенными дросселем 23 и диодом 24, катод которого подключен к плюсовой клемме полумостового транзисторного преобразователя 2, а анод - к первой клемме дросселя 23 и коллектору силового транзистора 25, эмиттер которого соединен с минусовой клеммой мостового однофазного выпрямителя 5 и с первым выводом токоограничивающего резистора 3, второй вывод которого подключен к минусовой клемме полумостового транзисторного преобразователя 2, при этом вторая клемма дросселя 23 через второй датчик 26 тока подключена к плюсовой клемме мостового однофазного выпрямителя 5, а плюсовая входная клемма входного фильтра 8 тяговой аккумуляторной батареи 9 через нормально замкнутый контакт 21.2 силового реле 21 подключена к плюсовой клемме полумостового транзисторного преобразователя 2, при этом трансформаторно-выпрямительный каскад 7 выполнен имеющим две группы вторичных обмоток, первая 27 из которых через выпрямительные диоды 28, 29 и нормально замкнутые контакты 21.3, 21.4 силового реле 21 подключена к входному фильтру 30 бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи 31, а вторая группа 32 вторичных обмоток трансформаторно-выпрямительного каскада 7 через выпрямительные диоды 33, 34 и нормально разомкнутые контакты 21.5, 21.6 силового реле 21 подключена к входному фильтру 8 тяговой аккумуляторной батареи 9, причем ее минусовой вывод через нормально замкнутый контакт 21.7 силового реле 21 подключен к эмиттеру силового транзистора 25, базовый вывод которого через третий усилитель 35 мощности и релейный элемент 36 с гистерезисной характеристикой подключен к выходу сумматора 37, на инвертирующий вход которого поступает выходной сигнал второго датчика 26 тока, а на не инвертирующий вход этого сумматора 37 поступает задающий сигнал 38 требуемого тока через дроссель 23 сетевого активного фильтра 22, который по форме строго повторяет выходное напряжение мостового однофазного выпрямителя 5 источника питания 4, при этом к тяговой аккумуляторной батареи 9 и к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи 31 подключены соответственно первый 12 и второй 39 ШИМ-регуляторы напряжения с оптронным выходом, первый 12 из которых через нормально разомкнутый блок-контакт 21.8 силового реле 21 подключен к третьим входам первого 19 и второго 20 логических элементов 4ИЛИ-НЕ, а второй ШИМ-регулятор 39 напряжения подключен к этим же входам через нормально замкнутый блок-контакт 21.9 силового реле 21, причем источник питания 1 собственных нужд подключен к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи 31.
Устройство работает следующим образом.
В режиме заряда тяговой аккумуляторной батареи 9 бортовое зарядное устройство электромобиля подключено к сетевой зарядной станции, т.е. на вход мостового однофазного выпрямителя 5 источника питания 4 поступает сетевое напряжение, поэтому третье реле 21 находится во включенном состоянии, обеспечивая тем самым отключение тяговой аккумуляторной батареи 9 от входных клемм полумостового транзисторного преобразователя 2 и подключение ее ко второй группе 32 вторичных обмоток трансформаторно-выпрямительного каскада 7. Благодаря работе релейного регулятора тока, образованного сумматором 37 и релейным элементом 36, ток в дросселе 23 полностью (с точностью до величины ширины петли гистерезиса релейного элемента 36) повторяет форму выходного напряжения мостового однофазного выпрямителя 5, обеспечивая отсутствие фазового сдвига между током и напряжением сети, т.е. обеспечивая работу с коэффициентом мощности, близким к единице.
В установившемся режиме заряда тяговой аккумуляторной батареи 9 ввиду наличия напряжения на входе полумостового транзисторного преобразователя 2 датчик 18 наличия напряжения источника питания 4 поддерживает второе реле 17 во включенном состоянии, то есть токоограничивающий резистор 3 зашунтирован нормально открытым контактом этого реле, а катушка первого реле 16 обесточена. Поэтому на первые входы логических элементов 4ИЛИ-НЕ 19, 20 поступает нулевое напряжение, не запрещая тем самым прохождение импульсов от регулятора напряжения 12.
При первоначальном включении в сеть источника питания 4 заряд конденсаторов полумостового транзисторного преобразователя 2 происходит через токоограничивающий резистор 3, так как датчик 18 наличия напряжения еще не включил второе реле 17. Поэтому первое реле 16 оказывается включенным и блокирует своим нормально открытым контактом прохождение импульсов управления полумостовым транзисторным преобразователем 2. После того как конденсаторы полумостового транзисторного преобразователя 2 зарядятся до полного напряжения, датчик 18 наличия напряжения включает второе реле 17, шунтируя его нормально открытым контактом токоограничивающий резистор 3 и отключая тем самым первое реле 16. Теперь на первые входы первого 19 и второго 20 логических элементов 4ИЛИ-НЕ поступает нулевое напряжение, снимая тем самым блокировку прохождения импульсов управления полумостовым транзисторным преобразователем 2. В начальный момент времени напряжение на выходе RS-триггера 14 тоже равно нулю, так как ток еще не достиг своего предельного значения. Регулятор напряжения 12 вырабатывает последовательность импульсов, при высоком потенциале которых происходит переброс второго триггера 15 в противоположное состояние и осуществляется так называемая гарантированная пауза, то есть запрет одновременного включения транзисторов полумостового транзисторного преобразователя 2. При низком потенциале на выходе регулятора напряжения 12 включается, например, через первый усилитель мощности 10, верхний транзистор полумостового транзисторного преобразователя 2. В первичной обмотке трансформаторно-выпрямительного каскада 7 начинает нарастать ток. Если напряжение заряжаемой тяговой аккумуляторной батареи 9 таково, что величина этого тока достигнет предельного значения, то сработает компаратор 13 и на выходе RS-триггер 14 установится высокий потенциал, в результате чего первый усилитель мощности 10, а следовательно, и силовой транзистор будут отключены. Ток начнет уменьшаться, но RS-триггер 14 останется в прежнем положении до тех пор, пока не будет переключен передним фронтом очередного импульса регулятора напряжения 12. При этом сменится также и состояние второго триггера 15, что приведет к включению второго усилителя мощности 11 и нижнего транзистора полумостового транзисторного преобразователя 2. 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 13 и отключит тем самым усилитель мощности 11. Далее процесс повторяется, обеспечивая заряд тяговой аккумуляторной батареи 9 стабильным током.
Если напряжение тяговой аккумуляторной батареи 9 уже достигло такого значения, что ток в первичной обмотке трансформаторно-выпрямительного каскада 7 не нарастает до предельного значения, то срабатывания компаратора 13 не происходит и длительность включенного состояния транзисторов полумостового транзисторного преобразователя 2 определяется только регулятором напряжения 12.
Внезапное отключение и включение сетевого напряжения никак не отражается на алгоритме работы бортового зарядного устройства, так как источник питания 1 собственных нужд подключен к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батарее 31
В режиме заряда бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батарее 31 работа предлагаемого устройства происходит аналогично, отличаясь лишь тем, что источник питания 4 обесточен и напряжение на вход полумостового транзисторного преобразователя 2 подается от тяговой аккумуляторной батареи 9 через нормально замкнутые контакты 21.2 и 21.7 обесточенного третьего реле 21.