УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к автономным системам электроснабжения, и может быть использована преимущественно на транспортных машинах.
Известно микрогибридное устройство для автомобиля (Micro-hybrid device for motor vehicle / Masson et al. // U.S. Pat. №7,952,223 B2 - May 31, 2011) в котором используется перезаряжаемый источник тока в виде батареи электрохимических конденсаторов (именуемой также "ультраконденсатор"), подключенный к бортовой сети автомобиля через двунаправленный преобразователь постоянного тока с блоком управления, имеющим задающий вход, причем по сигналу на задающем входе может осуществляться регулирование величины тока заряда/разряда перезаряжаемого источника тока, что позволяет накапливать и отдавать электрическую энергию и соответствует назначению заявляемой полезной модели. Однако в описании данного изобретения не раскрыта схема двунаправленного преобразователя постоянного тока.
Известна система электроснабжения автомобиля (Automotive electrical system configuration / O'Gorman et al. // U.S. Pat. №8,159,083 B2 - Apr. 17, 2012), в которой используются устройства для накопления электрической энергии. Каждое такое устройство состоит из перезаряжаемого источника тока и двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя, который содержит блок управления, дроссель, первый полумост и второй полумост. Каждый полумост имеет плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод, выполненный с возможностью подключения к плюсовому выводу, либо к минусовому выводу. Минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, переключаемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с переключаемым выводом второго полумоста, плюсовые и минусовые выводы первого и второго полумостов являются силовыми выводами двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя. Каждый полумост содержит два последовательно соединенных электронных ключа, выполненных на основе транзисторов, затворы которых связаны с блоком управления. Первый полумост плюсовым и минусовым выводами параллельно соединен с перезаряжаемым источником тока, а второй - с бортовой сетью автомобиля. В качестве перезаряжаемого источника тока может использоваться ультраконденсатор, либо аккумуляторная батарея.
Данные устройства обеспечивают регулирование величины тока заряда/разряда перезаряжаемого источника тока, что позволяет накапливать и отдавать электрическую энергию и соответствует назначению заявляемой полезной модели, однако в их описании не раскрыта схема блока управления двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя.
Принцип действия блока управления у большинства двунаправленных понижающе-повышающих преобразователей (см. например: Control circuit and method for maintaining high efficiency in a buck-boost switching regulator / Dwelley et al. // U.S. Pat. №6,166,527 - Dec. 26, 2000) основан на анализе величин напряжения на его силовых выводах, по результатам которого выбирается режим работы (понижающий, повышающий или понижающе-повышающий). Понижающе-повышающий режим работы возникает, когда величины входного и выходного напряжений на силовых выводах преобразователя приблизительно одинаковы, и на основе их анализа невозможно сделать однозначный выбор между понижающим и повышающим режимами работы.
Понижающе-повышающий режим работы вызывает избыточные коммутации электронных ключей преобразователя, что ведет к дополнительным потерям энергии. Устройство для накопления электрической энергии должно обеспечивать минимальные потери энергии, поэтому возникновение в нем понижающе-повышающего режима работы нежелательно.
Известен блок управления двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя (Hysteretic controlled buck-boost converter / Qiu et al. // U.S. Pat. №8,330,435 B2 - Dec. 11, 2012), содержащий: первый вход, на который подается напряжение с выхода датчика тока дросселя; второй вход, на который подается напряжение ошибки; множество плавающих сигналов, каждый из которых смещен относительно напряжения ошибки на определенную величину.
Блок управления осуществляет выбор режима работы преобразователя на основе сравнения величины тока дросселя с плавающими сигналами, что позволяет исключить понижающе-повышающий режим работы и тем самым уменьшить потери энергии. Недостатком данного блока управления является сложность его схемы, связанная с необходимостью формирования множества плавающих сигналов.
В качестве прототипа выбрано наиболее близкое по назначению и технической сущности к заявляемой полезной модели устройство для накопления электрической энергии на основе двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя (Bidirectional buck-boost converter / Esser // U.S. Pat. №5,734,258 - Mar. 31, 1998). Данное устройство содержит интерфейсные силовые выводы, перезаряжаемый источник тока, первый полумост, второй полумост, дроссель с датчиком тока дросселя и блок управления, причем каждый полумост имеет входы управления, плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод, выполненный с возможностью подключения к плюсовому либо минусовому выводу по сигналам на входах управления; первый полумост плюсовым и минусовым выводами параллельно соединен с перезаряжаемым источником тока, минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, переключаемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с переключаемым выводом второго полумоста, плюсовой и минусовой выводы которого являются интерфейсными силовыми выводами. Каждый полумост содержит два последовательно соединенных электронных ключа, выполненных на основе транзисторов, затворы которых являются входами управления полумоста; каждый электронный ключ шунтирован обратно включенным диодом. В качестве перезаряжаемого источника тока используется батарея электрохимических конденсаторов.
В описании прототипа не раскрыта схема блока управления двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя, но представлен способ управления. Данный способ предусматривает выбор режима работы преобразователя в зависимости от соотношения величин напряжений на интерфейсных силовых выводах и на выводах перезаряжаемого источника тока:
- в тех случаях, когда указанные величины напряжений отличаются значительно, выбирается повышающий либо понижающий режим, характеризующиеся тем, что переключаемый вывод одного из полумостов постоянно подключен к его плюсовому выводу, а переключаемый вывод другого полумоста периодически переключается между его плюсовым и минусовым выводами;
- в тех случаях, когда указанные величины напряжений отличаются незначительно, выбирается понижающе-повышающий режим, характеризующийся тем, что переключаемые выводы обоих полумостов периодически переключается между их плюсовым и минусовым выводами.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
- понижающе-повышающий режим ведет к дополнительным потерям энергии из-за периодического переключения обоих полумостов;
- необходимость выбора режима работы в зависимости от соотношения величин напряжений на интерфейсных силовых выводах и на выводах перезаряжаемого источника тока приводит к усложнению блока управления преобразователя.
Заявленное устройство предназначено для подключения интерфейсными силовыми выводами к электрической сети постоянного тока и регулирования потока электрической энергии через интерфейсные силовые выводы в целях ее накопления и возврата для питания перемежающихся нагрузок большой мощности.
Задача заявленного устройства заключается в уменьшении потерь энергии и упрощении устройства.
Технический результат состоит в минимизации количества переключений при работе устройства и количества элементов и связей.
Технический результат достигается тем, что в заявленном устройстве для накопления электрической энергии, содержащем интерфейсные силовые выводы, перезаряжаемый источник тока, первый полумост, второй полумост, дроссель с датчиком тока дросселя и блок управления, причем каждый полумост имеет вход управления, плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод, выполненный с возможностью подключения к плюсовому либо минусовому выводу по сигналу на входе управления, первый полумост плюсовым и минусовым выводами параллельно соединен с перезаряжаемым источником тока, минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, переключаемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с переключаемым выводом второго полумоста, плюсовой и минусовой выводы которого являются интерфейсными силовыми выводами, согласно полезной модели, блок управления имеет задающий вход и содержит первый триггер Шмитта, выход которого связан с входом управления первого полумоста, второй триггер Шмитта, выход которого связан с входом управления второго полумоста и сумматор, выход которого связан с входами первого и второго триггеров Шмитта, первый вход сумматора связан с выходом датчика тока дросселя, а второй вход сумматора является задающим входом блока управления.
1
2
3
4
Каждый полумост выполнен с возможностью подключения переключаемого выхода к плюсовому выводу по сигналу Н на входе управления, и к минусовому выводу по сигналу L на входе управления, первый триггер Шмитта имеет пороговые уровни U и U переключения выхода в состояния Н и L соответственно, второй триггер Шмитта имеет пороговые уровни U и U переключения выхода в состояния Н и L соответственно.
Пороговые уровни триггеров Шмитта удовлетворяют неравенствам:
при условии, что выходной сигнал датчика тока дросселя принят положительным, если ток дросселя протекает в направлении от переключаемого вывода первого полумоста к переключаемому выводу второго полумоста.
Пороговые уровни триггеров Шмитта удовлетворяют неравенствам:
при условии, что выходной сигнал датчика тока дросселя принят положительным, если ток дросселя протекает в направлении от переключаемого вывода второго полумоста к переключаемому выводу первого полумоста.
Неравенства (1, 2) или (3, 4) описывают эквивалентные варианты осуществления заявляемого устройства (выбор неравенств зависит от направления тока дросселя, условно принятого положительным).
Перезаряжаемый источник тока может быть выполнен в виде батареи электрохимических конденсаторов.
Перезаряжаемый источник тока может быть выполнен в виде аккумуляторной батареи.
Ниже описано влияние существенных признаков заявляемого устройства на достижение технического результата.
Совокупность существенных признаков заявленного устройства: "первый полумост, второй полумост, дроссель и блок управления; каждый полумост имеет вход управления, плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод, выполненный с возможностью подключения к плюсовому либо минусовому выводу по сигналу на входе управления; минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, переключаемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с переключаемым выводом второго полумоста" описывает двунаправленный понижающе-повышающий преобразователь.
Существенные признаки заявленного устройства: "блок управления имеет задающий вход и содержит первый триггер Шмитта, выход которого связан с входом управления первого полумоста, второй триггер Шмитта, выход которого связан с входом управления второго полумоста и сумматор, выход которого связан с входами первого и второго триггеров Шмитта, первый вход сумматора связан с выходом датчика тока дросселя, а второй вход сумматора является задающим входом блока управления" обеспечивают возможность регулирования тока, протекающего через дроссель двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя в соответствии с поставленной задачей: уменьшение потерь электрической энергии.
Возможность регулирования тока, протекающего через дроссель двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя, в совокупности с признаками: "параллельное соединение первого полумоста с перезаряжаемым источником тока; плюсовой и минусовой выводы второго полумоста являются интерфейсными силовыми выводами" обеспечивает работу заявленного устройства в соответствии с назначением и достигаемым техническим результатом: регулирование потока электрической энергии через интерфейсные силовые выводы в целях ее накопления и возврата для питания перемежающихся нагрузок большой мощности с минимизацией количества переключений и количества элементов и связей.
1
2
3
4
Совокупность существенных признаков: «каждый полумост выполнен с возможностью подключения переключаемого выхода к плюсовому выводу по сигналу Н, либо к минусовому выводу по сигналу L на входе управления; первый триггер Шмитта имеет пороговые уровни U и U переключения выхода в состояния Н и L соответственно; второй триггер Шмитта имеет пороговые уровни U и U переключения выхода в состояния Н и L соответственно; пороговые уровни триггеров Шмитта удовлетворяют неравенствам (1, 2) при условии, что выходной сигнал датчика тока дросселя принят положительным, если ток дросселя протекает в направлении от переключаемого вывода первого полумоста к переключаемому выводу второго полумоста; пороговые уровни триггеров Шмитта удовлетворяют неравенствам (3, 4) при условии, что выходной сигнал датчика тока дросселя принят положительным, если ток дросселя протекает в направлении от переключаемого вывода второго полумоста к переключаемому выводу первого полумоста» обеспечивает минимизацию количества переключений при работе заявленного устройства.
Минимизация количества переключений обусловлена тем, что работа в понижающе-повышающем режиме исключена, так как выполнение неравенств (1, 2) и неравенств (3, 4) обеспечивает однозначный выбор между понижающим и повышающим режимами. При одновременной подаче сигналов Н на логические входы управления обоих полумостов возрастание тока дросселя в точности соответствует понижающему режиму работы преобразователя, а убывание тока - повышающему режиму работы преобразователя.
1
2
3
4
Минимально возможная частота переключений соответствует максимально допустимому уровню пульсаций тока дросселя, который задается пороговыми уровнями U и U в понижающем режиме работы, либо пороговыми уровнями U и U в повышающем режиме работы.
Эти же признаки одновременно обеспечивают упрощение устройства, так как отсутствует необходимость в элементах и связях для анализа величин напряжений на выводах преобразователя.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами.
Фиг. 1 содержит блок-схему устройства.
1
Σ
2
Σ
Фиг. 2 содержит передаточную характеристику TS(u) первого триггера Шмитта и передаточную характеристику TS(u) второго триггера Шмитта.
Фиг. 3 иллюстрирует работу устройства и содержит временные диаграммы:
Σ
- диаграмма сигнала u(t) на выходе сумматора;
1
- диаграмма сигнала TS(t) на выходе первого триггера Шмитта;
2
- диаграмма сигнала TS(t) на выходе второго триггера Шмитта.
Устройство для накопления электрической энергии содержит
интерфейсные силовые выводы 1 и 2, перезаряжаемый источник тока 3, первый полумост 4, второй полумост 5, дроссель 6 с датчиком 7 тока i дросселя и блок управления. Блок управления имеет задающий вход 8 и содержит первый триггер Шмитта 9, второй триггер Шмитта 10 и сумматор 11.
Каждый полумост 4 и 5 выполнен с возможностью подключения переключаемого выхода к плюсовому выводу по сигналу Н на входе управления, либо к минусовому выводу по сигналу L на входе управления. Полумосты 4 и 5 построены по общеизвестной схеме: каждый полумост содержит два последовательно соединенных электронных ключа, выполненных на основе полевых или IGBT транзисторов, затворы которых через драйверы и логические элементы связаны с входом управления полумоста; каждый транзистор шунтирован обратно включенным диодом. Первый полумост 4 плюсовым и минусовым выводами параллельно соединен с перезаряжаемым источником тока 3, минусовой вывод первого полумоста 4 соединен с минусовым выводом второго полумоста 5, переключаемый вывод первого полумоста 4 через дроссель 6 соединен с переключаемым выводом второго полумоста 5, плюсовой и минусовой выводы которого являются интерфейсными силовыми выводами 1 и 2.
Выход первого триггера Шмитта 9 связан с входом управления первого полумоста 4. Выход второго триггера Шмитта 10 связан с входом управления второго полумоста 5. Выход сумматора 11 связан с входами триггеров Шмитта 9 и 10. Первый вход сумматора 11 связан с выходом датчика 7 тока дросселя, а второй вход сумматора 11 является задающим входом 8 блока управления.
Перезаряжаемым источником тока 3 является любой двухполюсник, способный накапливать энергию при протекании зарядного тока и отдавать энергию при протекании разрядного тока, например, аккумуляторная батарея или батарея электрохимических конденсаторов (ультраконденсатор).
Работа заявленного устройства рассматривается на примере использования ультраконденсатора.
Условные допущения:
- ток i дросселя 6 принят положительным, если протекает в направлении от переключаемого вывода первого полумоста 4 к переключаемому выводу второго полумоста 5 (положительное направление тока i на фиг. 1 указано стрелкой);
- сигнал u(i) на выходе датчика 7 является линейной возрастающей функцией от тока i;
- напряжения измеряются относительно точки соединения минусовых выводов первого и второго полумостов, если напряжение на плюсовом выводе первого полумоста превышает напряжение на плюсовом выводе второго полумоста, то режим работы считается понижающим, в противном случае - повышающим;
- состояния заявленного устройства обозначены как: НН, LH, HL, где первый символ соответствует состоянию выхода первого триггера Шмитта 9, а второй символ соответствует состоянию выхода второго триггера Шмитта 10.
Σ
ref
1
Σ
2
Σ
4
2
1
Σ
2
Σ
4
2
Σ
4
2
ref
Предположим, что устройство находится в состоянии НН, при этом положение ключей полумостов 4, 5 соответствует представленному на фиг. 1: плюсовой вывод первого полумоста 4 подключен через дроссель 6 к плюсовому выводу второго полумоста 5. В состоянии НН ток i дросселя 6 в понижающем режиме возрастает, а в повышающем - убывает. Изменение тока i дросселя влечет за собой соответствующее изменение сигнала u=u+u(i) на выходе сумматора 11 и на входах триггеров Шмитта 9, 10. Передаточные характеристики TS(u), TS(u) триггеров Шмитта 9, 10 (фиг. 2) определяют для сигнала окно U÷U, за пределами которого невозможно состояние НН. В соответствии с характеристиками TS(u), TS(u), выход сигнала за пределы окна U÷U вызывает переход в состояние LH в понижающем режиме, либо в состояние HL в повышающем режиме. Таким образом, действует отрицательная обратная связь, которая удерживает величину сигнала u в границах окна U÷U. Следовательно, изменяя сигнал u на задающем входе 8 можно изменять сигнал u(i), то есть, управлять током i дросселя.
Если задать отрицательный ток i дросселя, то ультраконденсатор 3 будет заряжаться; положительный ток i дросселя ведет к разряду ультраконденсатора 3.
Работа устройства поясняется далее на примере разряда ультраконденсатора 3 в соответствии с временными диаграммами (фиг. 3).
1
Непосредственно перед наступлением момента времени t:
- ультраконденсатор 3 заряжен и напряжение на нем соответствует понижающему режиму;
1
2
- устройство находится в состоянии НН (TS(t)=H, TS(t)=H);
Σ
- ток i дросселя и сигнал u(t) возрастают.
1
Σ
2
1
В момент времени t сигнал u(t) достигает значения U - первый триггер Шмитта 9 переключается и сигнал TS(t) переходит в состояние L.
1
2
В интервале времени t÷t устройство находится в состоянии LH:
- переключаемый вывод первого полумоста 4 подключен к его минусовому выводу;
Σ
- ток i дросселя и сигнал u(t) убывают;
2
Σ
1
1
- в момент времени t сигнал u(t) достигает значения U - первый триггер Шмитта 9 переключается и сигнал TS(t) вновь переходит в состояние Н.
3
Циклы переключений в понижающем режиме повторяются до момента времени t.
3
4
В интервале времени t÷t устройство находится в состоянии НН, но из-за разряда ультраконденсатора 3 напряжение на нем становится ниже, чем на плюсовом выводе второго полумоста 5, что соответствует переходу в повышающий режим:
Σ
- ток i дросселя и сигнал u(t) начинают снижаться;
4
Σ
4
2
- в момент времени t сигнал u(t) достигает значения U - второй триггер Шмитта 10 переключается и сигнал TS(t) переходит в состояние L.
4
5
В интервале времени t÷t устройство находится в состояние HL:
- переключаемый вывод второго полумоста 5 подключен к его минусовому выводу;
Σ
- ток i дросселя и сигнал u(t) возрастают;
5
Σ
3
2
- в момент времени t сигнал u(t) достигает значения U - второй триггер Шмитта 10 переключается и сигнал TS(t) переходит в состояние Н.
Далее циклы переключений повторяются в повышающем режиме и разряд ультраконденсатора 3 продолжается.
1
Σ
2
Σ
Рассмотренный пример показывает, что заявляемое устройство обеспечивает однозначный выбор между понижающим и повышающим режимами работы без перехода в понижающе-повышающий режим. Максимально допустимый уровень пульсаций тока i дросселя 6 задается передаточными характеристиками TS(u), TS(u) триггеров Шмитта 9, 10. При этом обеспечивается минимально возможная частота переключений, что соответствует поставленной технической задаче уменьшения потерь энергии.
Блок управления содержит меньшее количество элементов и связей, чем у известных устройств, что обеспечивает упрощение заявляемого устройства.