КОНТРОЛЛЕР ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ГИБРИДНОЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

Предлагаемая полезная модель относится к технике распределения электроэнергии между элементами, входящими в состав гибридной электрогенерирующей системы, а именно к использованию диодной матрицы в качестве токораспределительного устройства.
Известны гибридные электрогенерирующие системы, включающие 2 или более источников электроэнергии, например, несколько солнечных батарей (СБ) и несколько ветрогенераторов (ВГ) и, возможно, иные источники, например, гидрогенератор, бензиновый или дизельный генератор, термоэлектрический или термоэмиссионный источник, топливный элемент.
Как правило, в таких системах, если они не связаны дополнительно с промышленной электросетью, имеются одно или несколько накопителей электроэнергии. Они запасают электроэнергию от СБ в солнечные периоды и от ВГ во время сильного ветра, а затем отдают энергию потребителям, когда СБ и ВГ в совокупности не могут покрыть потребность в энергии. В настоящее время наиболее распространенным видом накопителей электроэнергии являются аккумуляторные батареи (АБ), но накопителем электроэнергии может также служить электрический конденсатор или реверсивный топливный элемент.
Для повышения надежности гибридных систем, предназначенных для автономной работы в труднодоступных местах, необходимо предусмотреть резервирование элементов, в частности накопителей электроэнергии. С этой целью целесообразно вместо одной АБ большой емкости использовать в системе две или более АБ с требуемой суммарной емкостью. Эти батареи необходимо соединить таким образом, чтобы в случае выхода части АБ из строя остальные продолжали бы функционировать как вторичные источники энергии без участия оператора. Из теории надежности известно, что чем выше кратность резервирования, тем ниже вероятность отказа системы.
Самое простое решение - параллельное соединение контроллеров заряда и накопителей электроэнергии - абсолютно неприемлемо в связи с эксплуатационными особенностями накопителей электроэнергии любых типов.
Для наиболее распространенного вида накопителей электроэнергии - АБ характерны следующие особенности. Соединение нескольких АБ в параллельную группу приводит к тому, что более заряженные АБ становятся источниками тока по отношению к менее заряженным. Причем в силу незначительного внутреннего сопротивления АБ эти токи могут достигать значительных величин, разрушающе действующих как на «приемники», так и на «источники». Даже если в группу были объединены АБ с идентичными начальными зарядами и напряжениями, в процессе эксплуатации при повторении разрядов и зарядов из-за разности индивидуальных вольтамперных характеристик, между отдельными АБ возникнет разница принятых и отданных зарядов, причем вследствие деструктивных процессов эта разница будет возрастать с каждым циклом заряда-разряда. В силу того, что АБ в параллельной группе не могут иметь разные напряжения, соответствующие текущим зарядам, АБ с повышенным внутренним сопротивлением, получая меньший заряд, начнут усиленно деградировать, с каждым циклом еще более увеличивая внутреннее сопротивление и принимая все меньший заряд. В то же время у АБ с меньшим внутренним сопротивлением начнется коррозия и коробление пластин, вызванное повышенным зарядным током. В конечном итоге все это приведет к резкому сокращению срока службы всех АБ с соответствующими последствиями вплоть до коротких замыканий пластин и аварийно-пожарных ситуаций.
Возможны разные варианты подключения накопителей электроэнергии к источникам электроэнергии:
- каждый источник заряжает только одну «свой» накопитель электроэнергии;
- все источники могут заряжать все накопители электроэнергии, которые в этом случае соединены параллельно;
- все источники могут заряжать все накопители электроэнергии, которые в этом случае соединены последовательно;
- группа источников заряжает группу накопителей электроэнергии.
Каждый вариант имеет недостатки.
В первом случае можно за счет известных контроллеров заряда обеспечить оптимальный режим заряда «своего» накопителя электроэнергии, но, после того, как она зарядится полностью, избыточная энергия соответствующего источника будет потеряна.
Недостатки второго варианта были описаны выше.
Третий вариант не обеспечивает повышенную надежность, т.к. выход из строя одного накопителя электроэнергии выведет из строя всю цепь.
Для четвертого режима характерны все недостатки, указанные выше.
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;
3) невозможность проводить заряд АБ от трех и более источников тока.
Как вариант оптимизации заряда группы накопителей электроэнергии от одного или нескольких источников можно использовать активный «интеллектуальный» контроллер, который должен собирать и анализировать информацию о текущих параметрах всех элементов и выдавать команды на устройства, перераспределяющие зарядные токи между накопителями электроэнергии.
Такая схема должна включать набор датчиков, исполнительных элементов, регулирующих силу токов, и управляющего процессора, а также требует разработки специального программного обеспечения.
Примером такого контроллера является контроллер заряда и разряда АБ, заявленный в патенте США №5631533 и 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) недостаточная надежность при длительной работе в автономном режиме, поскольку случайный сбой в работе процессора, кратковременная потеря питания или неисправность хотя бы одного из датчиков, или исполнительных элементов, или одной АБ может вывести из строя всю цепь;
3) невозможность вести заряд одновременно от двух и более источников тока;
4) невозможность вести заряд двух и более параллельно включенных АБ.
Известны решения, направленные на улучшение различных характеристик заряда-разряда АБ.
Известна система заряда, которая содержит объединенные общей шиной адресов и данных электронно-вычислительную машину (ЭВМ) и m функциональных модулей, каждый из которых имеет силовой и дополнительный источники питания и объединенные собственной локальной шиной адресов и данных контроллер, аналого-цифровой преобразователь и 1-J зарядно-коммутационных блоков со стабилизаторами тока и коммутаторами для подключения зарядных ячеек и световых индикаторов. ЭВМ выполнена с возможностью контроля степени заряженности аккумуляторных батарей по напряжению релаксации на выводах коммутаторов. (Патент РФ №2183887 «СПОСОБ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ И АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ», оп. 20.06.2001).
Известно устройство для зарядно-разрядного циклирования, которое содержит источник постоянного тока, блок нагрузки, контроллер, между источником постоянного тока и АБ включены первый и второй управляемые двухполюсные коммутаторы, первые выходные полюсы которых соединены и подключены к плюсу АБ, а вторые выходные полюсы соединены и подключены к минусу АБ, при этом плюс источника постоянного тока соединен с первым входным полюсом первого коммутатора и с входом блока нагрузки, выход которой соединен со вторым входным полюсом второго коммутатора, а минус источника постоянного тока соединен со вторым входным полюсом первого коммутатора и с первым входным полюсом второго коммутатора, а контроллер электрически соединен с выходом АБ и с управляемыми входами коммутаторов и источника постоянного тока. Кроме того, блок нагрузки выполнен на последовательно соединенных диодах, к которым подключены вентиляторы постоянного тока. (Патент РФ №2375791, «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОГО ЦИКЛИРОВАНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ», оп. 10.12.09).
Известна автоматизированная система заряда аккумуляторных батарей, которая содержит источники питания и зарядные ячейки. Система содержит m модулей, объединенных общей магистралью адресов и данных с головной ЭВМ, оснащенной специальной управляющей программой "А-Заряд", каждый модуль состоит из контроллера модуля, аналого-цифрового преобразователя и N распределительно-коммутационных блоков, объединенных локальной магистралью адресов и данных и соединенных с источником питания локальной силовой магистралью, распределительно-коммутационный блок содержит L зарядно-разрядных каналов, состоящих из устройства управления током заряда, устройства разряда, устройства управления цветом сигнального индикатора и коммутационного устройства для подключения канала к источнику питания, аналого-цифровому преобразователю, и к зарядным ячейкам, и соответствующим им световым индикаторам, при этом число модулей m и число распределительно-коммутационных, блоков n зависят от требуемого общего числа зарядных ячеек. (Патент РФ №2134477, оп. 10.08.99, «АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ»).
Наиболее близким к предложенной полезной модели является АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИЛЬНОТОЧНАЯ СИСТЕМА ЗАРЯДКИ-РАЗРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ (Патент на ПМ №89296, оп. 27.11.2009).
Автоматизированная система состоит из управляющего компьютера (ПК), который может быть отнесен на расстояние до 500 м и М функциональных модулей. Каждый модуль состоит из зарядно-разрядного агрегата (ЗРА) и зарядной камеры (ЗК), выполненных в отдельных корпусах и разнесенных друг от друга. ЗРА состоит из стабилизированного источника питания (ИП), многоканального устройства дискретного ввода-вывода (УДВВ), предназначенного для управления током и многоканального устройства аналогового ввода (УАВ) для измерения тока. ЗК состоит из кассеты для N аккумуляторов, собранных в аккумуляторную батарею АБ, и зарядно-коммутационного блока (ЗКБ). ЗКБ содержит набор N реле (Р) для коммутации тока зарядки-разрядки каждого аккумулятора, К многоканальных устройств дискретного ввода-вывода (УДВВ), предназначенных для управления реле, и L многоканальных устройств аналогового ввода (УАВ), предназначенных для измерения напряжения на клеммах каждого аккумулятора, а также для измерения температуры электролита, уровня электролита в аккумуляторах и т.д. Количество К устройств УДВВ, входящих в состав 3КБ, определяется количеством каналов ввода-выводаи числом аккумуляторов. Количество L устройств УАВ, входящих в состав ЗКБ, определяется количеством каналов аналогового ввода и числом аккумуляторов.
Недостатком этого устройства является большое количество цифровых и аналоговых устройств, в том числе, и управляющего компьютера, что, во-первых, снижает полезный выход энергии, т.к. все эти устройства сами потребляют энергию, во-вторых, снижает надежность системы в автономном режиме.
Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является такое распределение потоков электроэнергии, которое обеспечивает максимально полное использование электроэнергии, произведенной источниками, при поддержании требуемой силы тока, потребляемого потребителем электроэнергии, обеспечение наиболее щадящего режима заряда-разряда накопителей электроэнергии с высокой надежностью, связанной с отсутствием «интеллектуальных» элементов (ЭВМ, процессоров и т.п.).
Для достижения указанного технического результата предложен контроллер электроэнергии для гибридной электрогенерирующей системы, содержащий источники электроэнергии, накопители электроэнергии, систему распределения токов, токопроводящие шины, при этом система распределения токов выполнена на диодах, а 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.
Кроме того устройство содержит, по крайне мере, два источника электроэнергии и два накопителя электроэнергии.
Также 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.
Данное устройство (контроллер) для автоматического управления процессами заряда и разряда накопителей электроэнергии, коммутирующее по крайней мере два независимых источника электроэнергии и по крайней мере два накопителя электроэнергии, позволит оптимизировать процесс заряда и разряда накопителей электроэнергии, в частности, при нестабильности энерговыработки хотя бы одного из источников электроэнергии и нестабильном энергопотреблении потребителя электроэнергии, в каждый момент времени наибольшая доля зарядного тока направляется в наиболее разряженный накопитель электроэнергии, а наибольшая доля тока потребителя электроэнергии потребляется от наиболее полно заряженного накопителя электроэнергии.
На фигуре 1 показана схема устройства для варианта с 4 разными источниками электроэнергии и 4 накопителями электроэнергии, где 1-4 - источники электроэнергии гибридной электрогенерирующей системы, 5-8 - накопители электроэнергии, 9-24 - диоды, обеспечивающие связь источников электроэнергии с накопителями электроэнергии, 25-28 - диоды, обеспечивающие связь аккумуляторов с потребителем электроэнергии (нагрузкой).
Предлагаемая схема за счет нелинейной вольтамперной характеристики диодов автоматически обеспечивает оптимизацию процессов заряда и разряда накопителей электроэнергии при минимальных потерях «избыточной» энергии.
На фигурах 2-11 показаны графики изменения токов и напряжений в процессе зарядки и разрядки группы из 4 накопителей электроэнергии, в качестве которых использовались АБ, от 4 источников электроэнергии. Электрические параметры элементов, использованных в устройстве, приведены ниже.
На фигурах 2 и 6 показана зависимость от времени напряжения каждой из 4 АБ в процессе их разрядки через устройство на общий потребитель электроэнергии.
На фигуре 3 и 7 показана зависимость от времени тока каждой из 4 АБ в процессе их разрядки через устройство на общий потребитель электроэнергии, а также среднего тока через потребитель электроэнергии.
На фигурах 4, 8 и 10 показана зависимость от времени напряжения каждой из 4 АБ в процессе их зарядки от 4 источников электроэнергии через устройство.
На фигурах 5, 9 и 11 показана зависимость от времени зарядного тока каждой из 4 АБ в процессе их зарядки от 4 источников электроэнергии через устройство, а также среднего зарядного тока.
Подробное описание устройства.
Отрицательные выводы всех источников электроэнергии, накопителей электроэнергии и потребителя электроэнергии присоединяются к общей шине; положительный вывод источника электроэнергии через один из диодов 9-24 соединяется с положительным выводом каждого накопителя электроэнергии («+» диода к источнику, «-» диода к накопителю). В общем случае при N источниках электроэнергии и М накопителях электроэнергии количество таких диодов составляет N*M. Положительный вывод каждого накопителя электроэнергии соединяется через один из диодов 25-28 с положительным выводом потребителя электроэнергии («+» диода к накопителю, «-» диода к потребителю). В общем случае при N источниках электроэнергии и М накопителей электроэнергии количество таких диодов составляет М.
При подобной схеме включения отпадает необходимость в создании индивидуальных контроллеров заряда для каждого накопителя электроэнергии и схемы коммутации зарядно-разрядных токов, потому что в роли системы распределения зарядно-разрядных токов, начинают работать сами накопители электроэнергии вместе с диодами. Не имея прямой связи с другими накопителями электроэнергии, каждый накопитель поддерживает индивидуальное напряжение, зависящее от его текущего заряда, причем, чем ближе заряд к максимальному, тем выше напряжение.
Ток, получаемый накопителем электроэнергии во время заряда от источника электроэнергии, в общем случае равен
и
а
вни
вна
I=(U-U)/(R+R),
где
и
U - напряжение источника электроэнергии без нагрузки (ЭДС)
а
U - напряжение накопителя электроэнергии без нагрузки (ЭДС)
вни
R - внутреннее сопротивление источника электроэнергии
вна
R - внутреннее сопротивление накопителя электроэнергии.
Для наглядности опишем работу устройства, в котором в качестве накопителей электроэнергии используются АБ.
Учитывая незначительную величину внутреннего сопротивления АБ по сравнению с внутренним сопротивлением источника электроэнергии, в первом приближении ее изменением в процессе заряда можно пренебречь. Тогда из формулы видно, что АБ с меньшим начальным напряжением (соответственно, с меньшим зарядом) получит ток больший, чем АБ с большим напряжением (с большим зарядом). При этом напряжение на выходе источника будет определяться именно АБ с наименьшим зарядом, как потребителями максимального тока. Из этой же формулы следует, что АБ, имеющая больший заряд, будет потреблять меньший ток (в пределе даже нулевой, если напряжение зарядного источника электроэнергии в данный момент ниже, чем напряжение этой АБ). Наибольший зарядный ток потечет в АБ с минимальным зарядом, и по мере роста напряжения на нем к источникам будут подключаться более заряженные, но все еще способные принимать заряд АБ.
Это означает, что АБ, имеющая полный заряд, или хотя бы больший, чем остальные, сама себя выключает из процесса зарядки, в то же время не препятствуя остальным набирать заряд от всех источников электроэнергии, процесс запасания энергии не останавливается, пока есть хотя бы одна не полностью заряженная АБ.
В пределе все АБ наберут заряд близкий к максимальному, и их напряжения выровняются.
При разряде группы АБ, нагруженных на единого потребителя электроэнергии, будет происходить аналогичный процесс, но с противоположной зависимостью тока АБ от ее заряда.
Если какая-то из АБ в данный момент имеет заряд больший, чем остальные, то и напряжение на ней несколько выше, чем на остальных. Проводимость диода, через который данная АБ связана с потребителем электроэнергии, выше, чем остальных диодов, поэтому основной потребляемый ток будет поступать именно от этой АБ. Менее заряженная АБ будет отдавать меньший ток; в пределе, если разница между ее напряжением и напряжением более заряженной АБ превышает потенциал открытия диода, ток, отдаваемый менее заряженной АБ, может упасть до нуля.
Это обеспечивает такой режим работы, при котором наиболее заряженные АБ включаются в работу в первую очередь и отдают потребителю электроэнергии ток больший, чем менее заряженные, что выравнивает заряды и напряжения АБ в группе.
Поскольку в каждом цикле заряда или разряда наблюдается тенденция к уравниванию зарядов АБ, то длительная работа схемы будет поддерживать АБ в равных условиях эксплуатации, независимо от колебаний производительности источников энергии и энергопотребления потребителя электроэнергии, что продлевает срок службы АБ.
Токи, вырабатываемые всеми источниками, суммируются и распределяются между АБ следующим образом: наиболее разряженная в данный момент АБ получает максимальную долю полного тока, АБ с большим зарядом - меньшую, в полностью заряженную АБ (если такая найдется) ток не подается вовсе.
Аналогичная ситуация и с разрядом: основной ток, потребляемый нагрузкой, она получает от АБ с максимальным зарядом. По мере уменьшения запасенного в этой АБ заряда ее ток снижается, а ток следующей по полноте заряда АБ - возрастает, затем «лидерство» переходит к третьей АБ и т.д.
Число источников электроэнергии и накопителей электроэнергии может быть любым и не обязательно равным.
В качестве источников электроэнергии устройство может содержать различные комбинации из солнечных батарей, ветрогенераторов, гидрогенераторов, бензиновых и(или) дизельных генераторов, термоэлектрических и(или) термоэмиссионных генераторов, топливных элементов.
В качестве накопителей электроэнергии можно использовать аккумуляторные батареи, электрические конденсаторы или реверсивные топливные элементы.
Общая схема контроллера и его принцип работы будет одинаков.
Для проверки соответствия действительных параметров ожидаемым, на макетной плате по схеме для варианта с 4 разными источниками тока (ИТ) и 4 АБ, представленной на фигуре 1, была собрана действующая модель. В качестве АБ применены кислотные гелевые аккумуляторы «Europower» со следующими параметрами: номинальное напряжение 12 вольт, емкость 1,2 амперчаса. Первичными источниками зарядного тока служили нестабилизированные источники питания БПН15-1 со следующими параметрами: напряжение 18 вольт, максимальный ток 1 ампер, включенные в схему через регулировочные реостаты 100 Ом (последние на фигуре 1 не показаны). В качестве диодов были использованы диоды Шоттки 1N5822, имеющие наиболее низкое падение напряжения в прямом направлении. Потребителем электроэнергии (нагрузкой) служила лампа накаливания, рассчитанная на напряжение 12 B, мощностью 7 Вт (на фигуре 1 не показана).
Напряжения и токи в зарядно-разрядных шинах измерялись четырехразрядными мультиметрами М830B и измерительными панелями SVAL0013 (на фигуре 1 не показаны).
Перед началом экспериментов по заряду и разряду для проверки корректности функционирования измерительной части схемы была проведена предварительная проверка влияния разности токов, обеспечиваемых зарядными устройствами на величину зарядных токов АБ. Проверка показала, что независимо от количества и порядка подключения источников зарядного тока сумма токов источников всегда была равна сумме зарядных токов. Даже если подключенным оставался только один первичный источник, сумма зарядных токов была равна току этого источника.
Затем все 4 АБ прошли предварительный цикл «заряд-разряд», после чего последовали основные эксперименты.
Были проведены 5 экспериментов (циклов заряда и разряда АБ в различных режимах). Длительность одного цикла составляла в зависимости от режима от 6 до 12 часов. Окончание цикла определялось по достижении на АБ предельных величин напряжений.
Пример №1
Разряд группы АБ с разным начальным зарядом.
Все четыре АБ были предварительно полностью заряжены. Затем АБ №1 была разряжена до минимального напряжения 10,2 вольта, АБ №2 - примерно до 12 вольт. После этого при отключенных первичных ИТ к схеме, изображенной на фигуре 1, был подключен потребитель электроэнергии, одновременно началась регистрация напряжений и токов, зависимость которых от времени показана на фигурах 2 и 3 соответственно.
В начале разряда АБ №1 не отдавала тока, так как ее напряжение было ниже, чем у остальных.
АБ №3 и №4 отдавали в нагрузку примерно по 270 миллиампер.
АБ №2, хотя и имела напряжение на уровне №3 и №4, отдала в нагрузку значительно меньший ток, около 36 миллиампер.
По мере разряда напряжение и ток, отбираемый с АБ №3 и №4, падали.
Напряжение АБ №2 падало со скоростью, меньшей, чем у №№3 и 4, а ток рос.
По истечении примерно часа напряжение АБ 2, 3 и 4 уменьшилось до уровня, обеспечившего открытие диода, через который АБ №1 подключена к потребителю электроэнергии. Начиная с этого момента, АБ №1 включается в работу и начинает отдавать ток в потребитель электроэнергии.
В дальнейшем напряжения и токи АБ №№3 и 4 падают примерно с равной скоростью. Скорость падения величины напряжения АБ №2 меньше, чем у №№3 и 4, Напряжение АБ №1 изменяется с наименьшей скоростью.
На 228-й минуте заряд АБ №2 подходит к концу и ее ток начинает резко падать. Падение тока компенсируют АБ №№1, 3 и 4.
Цикл заканчивается выравниванием напряжения на всех четырех АБ. При достижении минимально допустимого напряжения эксперимент был остановлен.
В процессе разряда АБ отдали в потребитель электроэнергии:
№1 - 0,18 А.ч
№2 - 0,41 А.ч
№3 - 0,79 А.ч
№4 - 0,79 А.ч
По суммарному току - 2,17 А.ч.
Таким образом, эксперимент №1 показал, что наименее заряженная АБ отдала минимальную энергию, более заряженная - несколько большую, а наиболее заряженные АБ - максимальную. При этом чересчур глубокого разряда АБ не произошло, так как ни одно из напряжений не опустилось ниже допустимой границы. Равенство напряжений в конце разряда свидетельствует о равенстве остаточных зарядов.
Пример №2.
Заряд разнозаряженных АБ от общего источника.
В эксперименте также использовалась группа из четырех АБ.
АБ были разряжены в предыдущем эксперименте, но перед началом данного эксперимента АБ №№1 и 2 были предварительно заряжены до напряжения под нагрузкой 14 вольт. Результаты показаны на фигурах 4 и 5.
Начиная с включения тока заряда до временной отметки 40 минут, диоды АБ №№1 и 2 были заперты, так как напряжение АБ №№3 и 4, определяющие напряжение источника зарядного тока, было ниже напряжения открытия.
На 40-й минуте заряда напряжение на АБ №№3 и 4 возросло до напряжения открытия диодов №№1 и 2, и они также начали заряжаться.
Однако зарядный ток АБ №№1 и 2 был значительно меньше, чем АБ №№3 и 4 и составлял единицы миллиампер, то есть заряд этих АБ практически не возрастал.
По мере заряда АБ №№2 и 3 их зарядные токи снижались, а напряжение росло. Примерно на 155-й минуте напряжения всех четырех АБ стали равными. Несмотря на равенство напряжений, АБ №№1 и 2 по-прежнему потребляли значительно меньший ток, чем №№3 и 4.
До конца эксперимента напряжения на АБ оставались примерно равными (напряжение №№3 и 4 росло несколько быстрее, так как их зарядный ток был заметно больше).
Заряд был остановлен при достижении на всех АБ напряжения 14,4 В.
В результате заряда в АБ было отдано:
№1 - 0,09 А.ч
№2 - 0,10 А.ч
№3 - 1,01 А.ч
№4 - 0,81 А.ч
По суммарному току - 2,01 А.ч
Таким образом, эксперимент №2 показал, что наименее заряженная АБ получала наибольшую энергию, а заранее заряженная - не получала энергии вовсе. По мере выравнивания напряжений, более заряженные АБ начали заряжаться, однако зарядный ток был невелик и не обеспечивал заметного увеличения заряда. При выравнивании полученных зарядов напряжения АБ также выровнялись. По окончании заряда перезаряженных АБ в группе не было, так как ни на одном из них напряжение не превысило максимально допустимый уровень.
Пример №3.
Разряд одинаково заряженных АБ на общую нагрузку.
В эксперименте использовалась группа из четырех предварительно заряженных АБ при отключенных первичных ИТ.
Общей нагрузкой (потребителем электроэнергии) являлась лампочка, с током потребления порядка 550 мА. Результаты показаны на фигурах 6 и 7.
Начиная с начала эксперимента и до временной отметки около 340 минут разряд проходил стабильно при примерно равных напряжениях на всех АБ. Токи потребления от каждой АБ были близкими, но несколько отличались.
Начиная с 340-й минуты, величина токов потребления начала резко изменяться. По всей вероятности, АБ №4 оказалась наименее заряженной, и, начиная с данной отметки, отдаваемый ей в нагрузку ток начал падать. Однако остальные АБ компенсировали это падение увеличением своих разрядных токов. И до конца разряда ток нагрузки оставался достаточно стабильным, равным сумме разрядных токов всех четырех АБ.
Существенно, что, несмотря на приближение заряда АБ №4 к концу, напряжение на нем оставалось на уровне, равном остальным АБ, а отдаваемый ток под конец разряда сократился до единиц миллиампер. То есть, резко уменьшилась скорость разряда без уменьшения напряжения на аккумуляторе.
Разряд был остановлен, когда напряжение на всех АБ приблизилось к 10,2 вольта.
В результате разряда АБ отдали в нагрузку:
№1 - 1,04 А.ч
№2 - 1,01 А.ч
№3 - 1,00 А.ч
№4 - 0,83 А.ч
По суммарному току - 3,88 А.ч.
Таким образом, эксперимент №3 показал, что разрядные токи АБ в группе приблизительно пропорциональны текущему заряду АБ. Уменьшение тока одной из АБ в результате разряда компенсируется увеличением токов АБ, имеющих больший заряд на данный момент времени. Исчерпание заряда одной из АБ не приводит к чересчур глубокому разряду данной АБ за счет снижения разрядного тока. Как видно, по окончании процесса разряда напряжение ни на одной АБ не упало ниже допустимого; судя по равенству конечных напряжений, все АБ разрядились примерно до одинакового уровня, несмотря на наличие явной разницы в начальных зарядах.
Дальнейшие эксперименты №№4 и 5 являются повторениями (с некоторыми отличиями) эксперимента №2 и проведены для статистической достоверности. Результаты показаны на фигурах 8 и 9, 10 и 11 соответственно.
Пример №4.
Заряд одинаково разряженных АБ от общего источника.
В целом прошел по тому же сценарию, как эксперимент №2. Токи заряда так же взаимно компенсировались так, что суммарный (и средний) зарядный ток равномерно уменьшался к концу заряда в полном соответствии с теоретической вольтамперной и зарядной характеристиками АБ.
В результате заряда в АБ было отдано:
№1 - 0,97 А.ч
№2 - 0,90 А.ч
№3 - 1,03 А.ч
№4 - 0,87 А.ч
По суммарному току - 3,77 А.ч
Таким образом, в эксперименте №4 принципиальных отличий от результатов эксперимента №2 не обнаружено.
Пример №5
Заряд одинаково разряженных АБ от общего источника.
Графики изменения напряжений и зарядных токов почти аналогичны соответствующим графикам в эксперименте №4. Можно сделать вывод, что зарядно-разрядный цикл в дальнейшем будет повторяться с незначительными отличиями.
В результате заряда в АБ было отдано:
№1 - 0,98 А.ч
№2 - 0,93 А.ч
№3 - 1,09 А.ч
№4 - 0,90 А.ч
По суммарному току - 3,90 А.ч
Поскольку во время экспериментов №№2, 4 и 5 динамика процесса заряда повторялась, дальнейшее проведение экспериментов было прекращено.
Таким образом, простое соединение группы источников электроэнергии, группы накопителей электроэнергии и потребителя электроэнергии через диодную матрицу, описанную выше, приводит к тому же техническому результату (выравнивание режимов работы нескольких параллельно включенных накопителей электроэнергии и запасание без потерь всей вырабатываемой электроэнергии), что и использование сложных схем, включающих микропроцессорные контроллеры заряда с коммутационной аппаратурой. Однако стоимость диодов существенно ниже, чем стоимость коммутационных контроллеров, а надежность пассивной диодной схемы благодаря простоте во много раз превышает надежность контроллеров. К тому же она не требует дополнительных затрат энергии, которые характерны для устройств измерения, контроля и коммутации, используемых в известных схемах.
Дополнительным преимуществом описанного соединения является независимость количества накопителей электроэнергии в системе от количества источников электроэнергии, что создает удобство при проектировании конкретной установки, а также облегчает ее дальнейшую модернизацию в случае необходимости.