Устройство для накопления электрической энергии

 

Изобретение относится к электротехнике . Цель изобретения - увеличение эффективной энергоемкости. Устройство позволяет в результате отслеживания заряда каждого последовательно включенного конденсатора и управления зарядом конденсаторов путем их шунтирования осуществить заряд каждого из конденсаторов равномерно и получить на каждом конденсаторе и на всей батарее требуемый уровень рабочего напряжения, б ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s Н 02 J 15/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4611569/07 (22) 29.11.88 (46) 28.02.91. Бюл. М 8 (71) Институт проблем управления (72) Ф.Ф, Пащенко и В,Н.Судариков (53) 621.716.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 604084,,кл. Н 02 J15/00,,1975. .Фрюнгель Ф. Импульсная техника, Генерирование и применение разрядов конденсаторов. М.— Л,: Энергия, 1965, с. 13, рис. 1, с. 39, рис 13, с,206, рис. 86.

Гисбург С,Г. Методы решения задач по переходным процессам. М.: Высшая школа, 1967, с. 54, рис 11.17.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для накопления электрической энергии в составе резервированных или импульсных автономных систем электропитания.

Цель изобретения — увеличение эффективной энергоемкости.

На фиг. 1 преведена структурная схема предложенного устройства; на фиг. 2-4— примеры реализации блока амплитудной селекции и пороговых элементов; на фиг. 5 и 6 — временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства v, его отдельных узлов.

Устройство (фиг. 1) содержит батарею 1 накопительных элементов в виде и включенных последовательно конденсато(зов 2, и дифференциальных усилителей 3, и элементов 4 задержки, блок 5 амплитудной селек- . ции, и элементов И 6, и ключей 7, и шунтовых резисторов 8, и диодов 9, ограни„„5U„„1631661 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения — увеличение эффективной энергоемкости. Устройство позволяет в результате отслеживания заряда каждого последовательно включенного конденсатора и управления зарядом конденсаторов путем их шунтирования осуществить заряд каждого из конденсаторов равномерно и получить на каждом конденсаторе и на всей батарее требуемый уровень рабочего напряжения, 6 ил. чительный резистор 10, коммутатор 11, датчик 12 тока, первый пороговый элемент 13, второй порого ь и элемент 14 и третий пороговый элемент 15. При этом входная шина устройства 16 через коммутатор 11 и ограничительный резистор 10 соединена с выходной шиной 17 и с первь|м выводом батареи 1 накопительных элементов, второй вывод которой через датчик 12 тока соединен с шиной нулевого потенциала (не обозначена) и через первый пороговый элемент

13 — с первыми входами всех элементов И 6.

Первый вывод каждого из ключей 7 соединен с первым выводом соответствующего конденсатора 2 батареи 1 накопительных элементов, с первым выводом соответствующего дифференциального усилителя 3 и с первым выводом одного из диодов 9, второй вывод которого соединен с вторым выводом того же дифференциального усилителя 3, с вторым выводом того же конденсатора 2 и

1631661 через один из шунтовых резисторов 8 — с вторым выводом того же ключа 7, вход 18 управления которого соединен с выходом соответствующего элемента И 6. Выход каждого из дифференциальных усилителей

3 через один из элементов 4 задержки соедлнен с соответствующим входом блока 5 амплитудной селекции, адресные выходы

19 которого соединены с вторыми входами элементов И 6, Вход 20 управления коммутатора 11 соединен с третьими входами элементов И 6 и с выходом второго порогового элемента 14, вход которого соединен с информационным выходам 21 блока 5 амплитудной селекции и через третий пороговый элемент 15 — с четвертыми входами элементов И 6.

Блок 5 амплитудной селекции (фиг, 2) содержит fl операционных усилителей 22, и кампаратарав 23, и диодов 24, п резисторов

25, и резисторов 26 и инвертар 27. При этом каждый из входов блока 5 амплитудной сеr»0êöèë через один из резисторов 25 соединен с инвертирующлм входом 28 соответствующего операционного усилителя 22 и с первым выводом одного из резисторов 26, вторые выводы которых соединены с первыми вывацами диодов 24 и через инвертар 27 — с информационным выходом 21 блока 5 амплитудной селекции.

Выход каждого из операционных усилителей 22 соединен с вторым выводом одного из длодав 24 и неинвертирующим входом 29 соответствующего компаратара 23, выход которого соединен с соответствующим адресным выходам 19 блока 5 амплитудной селекции, а неинвертирующие входы 30 операционных усилителей 22 и неивертирующие входы 31 кампараторов 23 соединены с шиной нулевого потенциала (не обозначена), Пороговые элементы 13 и 15 выполнены по идентичной структуре (фиг. 3) и содержат компаратар 32 и источник 33 напряжения, соединенный выходом с инвертирующим входом 34 кампаратора 32, неинвертирующий вход 35 и выход которого являются соответственно входом и выходом пороговых элементов 13 и 15, Пороговый элемент 14 (фиг. 4) содержит кампаратор 36, коммутатор 37, источники

38, 39 напряжения, резистор 40 и конденсатор 41, При этом вход порогового элемента

14 соединен с инвертирующим входом 42 кампаратара 36, выход которого соединен с выходом порогового элемента 14 и входом

43 управления коммутатора 37, подключенного первым и вторым входами к выходам источников 38, 39 напряжения, а неинвертирующий вход 44 компаратора 36 через резистор 40 соединен с выходом коммутато- . ра 37 и через конденсатор 41 с шиной нулевого потенциала (не обозначена).

В предложенном устройстве напряже

5 ние U16 на входной шине 16, сопротивление

R10 резистора 10, напряжение 0зз источника 33 порогового элемента 13, коэффициент передачи Кз дифференциальных усилителей

3, напряжение U33 источника ЗЗ порогового

10 элемента 15, напряжения 036, 03g источников 38, 39 порогового элемента 14, сопротивления R25, R26 резисторов 25, 26 блока 5 амплитудной селекции, задержка t4 элементов 4 и сопротивления Ra резисторов 8

15 должны удовлетворять условиям:

016 > п02р

016 10

1 16макс

033 ) (016 п02р ), 10

0 Змакс

КЗ

2р

038 = КЗ 02р, (1)

25 039 + 032, U9 <030;

025 М5

<4 > <7

02 R10

U16 — и Uzр гДе 02р — Рабочее напРЯжение конДенсаторов 2 батареи накопительных элементов 1;

116макс. — МаКСИМаЛЬНЫй таК ВНЕШНЕГО и сто ч н и ка, R1z — сопротивление датчика 12 тока, 0змакс — максимальное выходное напряжение дифференциальных усилителей 3;

40 17 — быстродействие ключей 7.

При этом полярность входов дифференциальных усилителей 3 и направление включения диодов 7 (фиг. 1) соответствуют положительному напряжению внешнего источника на входной шине 16 и положительным импульсам на выходной шине 17, Для формирования выходных сигналов отрицательной полярности необходимо в предложенном устройстве изменить направление включения элементов 3, 7 на противоположное и подключить к входной шине 16 отрицательную шину внешнего источника, Устройство работает следующим обра- . зам, Предположим, что в некоторый момент, например, непосредственно после включения, напряжения на всех конденсаторах 2 батареи 1накопительных элементов,,в частности на конденсаторах 2 (фиг. 5а) и 2"

1 (фиг, 5б), имеет нулевое значение, что опре1631661 деляет нулевой уровень напряжения на выходах дифференциальных усилителей 3, поступающего через элементы 4 задержки на входы блока 5 амплитудной селекции 5 и. формирующего нулевое напряжение на его 5 информационнои выходе 21 (фиг. 5в).

Сигнал с информационного выхода 21 блока 5 амплитудной селекции поступает на вход порогового элемента 15 и далее на неинвертирующий вход 35 его компаратора 10

32, формирующий "0" на его выходе и на выходе порогового элемента 15 (фиг. 5г), который поступает на четвертые входы элементов И 6 и закрывает их, переводя все ключи 7 в закрытое состояние. Кроме того, 15 сигнал с информационного выхода 21 блока

5 амплйтудной селекции (фиг. 5в) поступает на вход порогового элемента 14 и далее на инвертирующий вход 42 компаратора 36, устанавливая на его выходе "1", поступаю- 20 щую на выход порогового элемента 14 (фиг. 5д), а также на вход управления 43 коммутатора 37. При этом перекидной контакт коммутатора 37 соединяется с его первым входом, вследствие чего сигнал с 25 выхода источника 33 напряжения через коммутатор 37 и резистор 40 поступает на неинвертирующий вход 44 компаратора 37, подтверждая логическое состояние его выхода (фиг. Бд), а также одну из обкладок 30 конденсатора 41, фиксируя на нем напряжение источника 38.

Логическая "1" с выхода порогового элемента 14 (фиг. 5д) поступает на третьи входы элементов И 6 и на вход 20 управле- 35 ния коммутатора 11, что приводит к его замыканию, поэтому при появлении напряжения внешнего источника на входной шине 16 (фиг. 5е) в цепи: Коммутатор 11— конденсаторы 2 батареи 1 накопительных 40 элементов — датчик 12 тока — шина нулевого потенциала, возникает ток, величина которого отражается напряжением на выходе датчика 12 тока (фиг. 5ж), поступающим на вход порогового элемента 13 и далее на 45 неинвертирующий вход 35 компаратора 32, на выходе которого (благодаря выполнению условий (1)) формируется "1" (фиг. 5з), поступающая на первые выходы элементов И 6, По мере заряда конденсаторов 2 напря- 50 жение на каждом из них увел чивается, причем напряжение на конденсаторе с наименьшей емкостью, например, на конденсаторе 2 (фиг. 5а), увеличивается быстрее, чем на других конденсаторах, например на кон- 55 денсаторе 2" (фиг. 5б).

Уровень заряда каждого из конденсаторов 2 отражается напряжением на выходе соответствующего дифференциального усилителя 3, сигналы с выходов которых через . элементы 4 задержки поступают на входы блока 5 амплитудной селекции и далее через резисторы 25 — на инвертирующие выходы 28 операционных усилителей 22, один из которых, в данном случае операционный усилитель 22, находится в линейном режи 1 ме и напряжение на его выходе повторяет напряжение на соответствующем входе блока 5 амплитудной селекции с учетом ин- версии сигнала и смещения на величину падения напряжения на диодо 24, что приводит к формированию "1" на выходе комдаратора 23 и на выходе 19 блока 5 амплитудной селекции (фиг. 5и), а напряжение на выходах других операционных-усилителей 22 имеет положительный уровень насыщения, что приводит к формированию на BblxopBx компараторов 23 ...23" и на выходах 19 ...19" (фиг. 5к) логических "0", Напряжение с информационного выхода 21 блока 5 амплитудной селекции (фиг, 5в), отражающее напряжение на одном из конденсаторов 2, в данном случае напряжение на конденсаторе 2 (фиг. 5а), поступа1 ет на вход порогового элемента 15 и далее на неинвертирующий вход 35 компаратора

32, формируя на его выходе "1" (фиг. 5г) в момент превышения напряжения источника

33 этого элемента, которая поступает на четвертые входы элементов И 6. При этом на выходе элемента И 6 формируется "1" (фиг, 5л), поступающая на вход 18 управления ключа 7 и переводящая его во включен1 ное состояние, вследствие чего шунтовой резистор 8 оказывается включенным па1 раллельно конденсатору 2 и шунтирует ве1 личину протекающего через него зарядного тока, что приводит к уменьшению скорости нарастания напряжения на этом конденсаторе (фиг. 5а).

По истечении некоторого времени лидирующим становится напряжение на некотором другом конденсаторе 2, например на конденсаторе 2" (фиг, 2б), что приводит к появлению "1" на соответствующем входе

19, в данном случае на выходе 19" блока 5 амплитудной селекции (фиг. Бк), открыванию ключа 7" и шунтированию конденсатора 2" шунтовым резистором 8", уменьшающим скорость заряда этого конденсатора на некоторое время, большее величины z4 (фиг. 5б).

В дальнейшем устройство работает аналогичным образом, поддерживая релаксационный процесс в блока 5 амплитудной селекции и формируя на каждом из его адресных выходов 19 импульсы такой скважности, что. заряд всех конденсаторов

1631661

2 происходит практически равномерно и llo истечении соответствующего времени напряжение на каждом из них практически достигает величины Огр, что приводит к появлению "0" на выходе компаратора 36 порогового элемента 14 (фиг. 5д), закрывающей коммутатор 11 и прекращающей зарядку батареи 1 накопительных элементов, а также поступающей на четвертые входы элементов И 6 и закрывающей их, прекращая шунтирование конденсаторов 2 резисторами 8, Кроме того, "0" с выхода компаратора 36 (фиг. 5д) поступает на вход

43 управления коммутатора 37, подключая неинвертирующий вход 44 компаратора 36 к выходу источника 39 напряжения и снижая уровень срабатывания порогового элемента

14, что исключит " дребезг" коммутатора 11 при снижении напряжения на конденсаторах 2 вследствие их естественного саморазряда.

При подключении внешнего потребителя к выходной шине 17 возникает ток в цепи конденсаторов 2, протекающий также через датчик 12 тока и вызывающий падение напряжения на нем (фиг. 5ж), поступающий на вход порогового элемента 13 и фиксирующий "0" на его выходе (фиг. 5з), закрывающий элементы И 6. При этом по мере разряда конденсаторов 2 напряжение на них уменьшается (фиг, 5а, б), причем наиболее быстро уменьшается напояжение на конденсаторе наименьшей емкости, в данном случае на конденсаторе 2 (фиг. 5а), и в г некоторый момент напряжение на этом конденсаторе меняет полярность, что приводит к открыванию диода 9, препятствующего

1 перезарядке конденсатора 2 и замыкаю1 щего через себя цепь выходного тока устройства в целом. По мере разряда остальных конденсаторов 2 в соответствующий момент переключаются другие диоды

9, обеспечивая питание нагрузки до полного разряда конденсатора 2 с наибольшей емкостью, обеспечивая передачу потребителю энергии

w = с. - — -- —

2 где Ce — суммарная емкость батареи, которая для случая батареи 1 из двух конденсаторов 2 с номинальной емкостью Со и допусками Л С составляет г г

И/ =0гр

Со

8 процессе разряда конденсаторов 2 напряжение на информационном выходе 21 блока 5 амплитудной селекции становится меньше напряжения источника 39 порогового элемента 14, на выходе которого в соответствующий момент формируется "1" (фиг, 5д), открывающая коммутатор 11, поэтому при использовании тока внешнего потребителя устройство автоматически .

5 переходит в режим накопления энергии в батареи 1 для последующих циклов разряда.

Использование в предложенном устройстве новых элементов в их связи с изве10 стными узлами выгодно отличает его от известного, выбранного за прототип, так как позволяет в тех же конденсаторах 2 баратеи 1 накопить большее количество энергии и полностью передать ее потребителю в

15 процессе разрядки, формула изобретения

Устройство для накопления электрической энергии, содержащее батарею из включенных последовательно накопитель20 ных элементов, первый вывод которой соединен с выходой шиной устройства и через включенные последовательно ограничительный резистор и коммутатор с его входной шиной,отл и ча ю щееся тем,что, с

25 целью увеличения эффективной энергоемкости, в него введены и диодов, и дифферециальных усилителей, и ключей, п шунтовых резисторов, и элементов И, п элементов задержки, датчик тока, блок амплитудной се30 лекции и три пороговых элемента, один из которых — с гистерезисом, причем второй вывод батареи накопительных элементов через датчик тока соединен с шиной нулевого потенциала и через первый пороговый

35 элемент — с первыми входами элементов И, выходы которых соединены с входами управления ключей, первый вывод каждого из которых соединен с первым выводом соответствующего накопительного элемента, с

40 первым входом соответствующего дифференциального усилителя и с первым выводом одного из диодов, второй вывод которого соединен с вторым входом того же дифференциального усилителя, с вторым выводом того же накопительного элемента и через один из шунтовых резисторов — с вторым выводом того же ключа, а выходы дифференциальных усилителей через соответствующие элементы задержки соедине50 ны с входами блока амплитудной селекции, адресные выходы которого соединены с вторыми входами элементов И, третьи входы которых соединены с входом управления . коммутатора и с входом второго порогового

55 элемента, выполненного с гистерезисом, вход которого соединен с информационным выходом блока амплитудной селекции, который через пороговый элемент соединен с четвертыми входами элементов И.

1631661

1631661

1631661

I !

Фиг. 5

1 !

1 (1 I хххх! (Храиьчие ! Накопление знергии (нергии I Разряд

Фиг.б

Соста вител ь K. Ôîòè Hà

Редактор М.Келемеш Техред M.Ìîðãåíòàë КоРРектоР N.Муска

Заказ 553 Тираж 322 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул,Гагарина, 101

I ! 1 !

I !

ХХХХ

I

1 ! ! !, I