Устройство для поэлементного доразряда k аккумуляторных батарей

 

Использование: позволяет доразряжать аккумуляторные батареи в процессе их испытаний и эксплуатации и может найти применение в автономных системах электропитания, содержащих К идентичных блоков аккумуляторных батарей. Сущность изобретения: устройство содержит два трансформатора, К аккумуляторных батарей, состоящих из n последовательно соединенных аккумуляторов, выходные клеммы по числу аккумуляторов, n транзисторных ключей, в базовые и коллекторные цепи которых включены обмотки соответствующих трансформаторов, один выпрямитель, два управляемых переключателя, один генератор переменного напряжения и балластный резистор. Устройство обеспечивает выравнивание уровней заряженности аккумуляторных батарей путем их разряда на любую другую батарею либо на балластный резистор. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, позволяет доразряжать аккумуляторные батареи в процессе их испытаний и эксплуатации и может найти применение в автономных системах электропитания, содержащих два и более идентичных блоков аккумуляторных батарей.

Известны устройства, в которых используется принцип поэлементного доразряда батарей на балластные разрядные резисторы, количество которых равно количеству разряжаемых аккумуляторов, либо аналогичный доразряд на противо-ЭДС трансформатора с подмагничиваемым шунтом, являющимся по своей сущности магнитным усилителем, работающим в режиме стабилизации тока [1, 2].

Недостаток первого устройства - значительное время, необходимое для осуществления операции доразряда, а недостаток второго - сравнительно большая потребляемая мощность, что в применении к автономным системам электропитания зачастую нежелательно, а также большая величина реактивной составляющей доразрядного тока.

Известно также устройство, содержащее генератор переменного напряжения с трансформаторным входом, n разрядных резисторов, подключаемых к соответствующим аккумуляторам с помощью n трансформаторных ключей, причем отпирание четных и нечетных транзисторных ключей происходит попеременно, что достигается противофазным включением базовых обмоток соответственно четных и нечетных ключей [3].

Однако это устройство имеет следующие недостатки: не позволяет достаточно глубоко доразрядить аккумуляторы, что необходимо для того, чтобы помимо выравнивания аккумуляторов в батарее по емкости восстанавливать (частично) их электрохимическую структуру для увеличения ресурса работы и поддержания их энергоемкости; происходит значительное тепловыделение на балластных разрядных резисторах, что требует дополнительных энергозатрат на их охлаждение; возможна бесполезная потеря энергии доразряжаемой батареи, в то время как стоимость электроэнергии в ряде автономных систем электропитания высока.

Наиболее близким к предложенному устройству по технической сущности является устройство для поэлементного доразряда аккумуляторных батарей, состоящих из n последовательно соединенных аккумуляторов, содержащее выходные клеммы по числу аккумуляторов, n транзисторных ключей, два управляемых переключателя, генератор переменного напряжения, одним выводом подключенный к входу первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка повышающего трансформатора подключена к выпрямителю, положительный вывод которого подключен к точке соединения положительных клемм К аккумуляторных батарей и первому выводу балластного резистора, в базовые цепи n транзисторных ключей включены вторичные обмотки трансформатора, а в коллекторные цепи - последовательно другие вторичные обмотки трансформатора, а также входы нечетных и выходы четных первичных обмоток повышающего трансформатора так, что изменения ЭДС, наводимых в базовых и коллекторных обмотках, происходят синфазно, тогда как базовые обмотки четных и нечетных транзисторных ключей включены противофазно [4].

Недостатком этого устройства являются значительные массогабаритные показатели.

Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей путем изменения связей.

Это достигается тем, что устройство для поэлементного доразряда k аккумуляторных батарей, состоящих из n последовательно соединенных аккумуляторов, содержит выходные клеммы по числу аккумуляторов, n транзисторных ключей, два управляемых переключателя, генератор переменного напряжения одним выводом подключенный к входу первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка повышающего трансформатора подключена к выпрямителю, положительный вывод которого подключен к точке соединения положительных клемм k аккуляторных батарей и первому выводу балластного резистора, в базовые цепи n-транзисторных ключей включены вторичные обмотки трансформатора, а в коллекторные цепи - последовательно другие вторичные обмотки трансформатора, а также входы нечетных и выходы четных первичных обмоток повышающего трансформатора так, что изменение ЭДС, наводимых в базовых и коллекторных обмотках, происходит синфазно, тогда как базовые обмотки четных и нечетных транзисторных ключей включены противофазно, второй вывод генератора переменного напряжения соединен с выходом первичной обмотки трансформатора, первый управляемый переключатель снабжен 2n подвижными и 2nxk неподвижными контактами, второй управляемый переключатель снабжен подвижным и k+1 неподвижными контактами, отрицательные клеммы k аккумуляторных батарей подключены к соответствующим k разомкнутым контактам второго управляемого переключателя, а k+1 его контакт соединен с вторым выводом балластного резистора и замкнут через подвижный контакт с отрицательным выводом выпрямителя, положительные клеммы n аккумуляторов k аккумуляторных батарей подключены к соответствующим нечетным неподвижным контактам первого переключателя, а отрицательные клеммы n аккумуляторов k аккумуляторных батарей подключены к соответствующим четным неподвижным контактам первого переключателя, его нечетные подвижные контакты соединены с эммитерами n транзисторных ключей, четные подвижные контакты первого переключателя соединены с соответствующими другими входами четных и выходами нечетных первичных обмоток повышающего трансформатора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство принципиально отличается подключением первого и второго переключателей, уменьшением количества транзисторных ключей, повышающих трансформаторов и выпрямителей, что позволяет улучшить массогабаритные показатели.

На чертеже представлена схема устройства для поэлементного доразряда аккумуляторных батарей.

Устройство для поэлементного доразряда k аккумуляторных батарей 1_k, состоящих из n последовательно соединенных аккумуляторов 1_k,n, содержит выходные клеммы по числу аккумуляторов, два переключателя 2 и 3, генератор переменного напряжения 4, одним выводом подключенный к входу первичной обмотки трансформатора 5, вторичная обмотка 6 повышающего трансформатора 7 подключена к выпрямителю 8, положительный вывод которого подключен к точке соединения положительных клемм 2 аккумуляторных батарей 1_k и первому выводу баластного резистора 9, в базовые цепи n транзисторных ключей 10_n включены вторичные обмотки 11_n трансформатора 5, а в коллекторные цепи - последовательно другие вторичные обмотки 12_n трансформатора 5. Входы нечетных и выходы четных первичных обмоток 13_n повышающего трансформатора 8 включены так, что изменения ЭДС, наводимых в базовых 11_n и коллекторных 12_n обмотках, происходят синфазно, тогда как базовые обмотки четных и нечетных транзисторных ключей 10_n включены противофазно. Второй вывод генератора переменного напряжения 4 соединен с выходом первичной обмотки трансформатора 5, первый управляемый переключатель 2 снабжен 2_n подвижными и 2_nxk, неподвижными контактами 2_i,j, второй управляемый переключатель 3 снабжен подвижным 3_о и k+1 неподвижными контактами 3_k+1. Отрицательные клеммы k аккумуляторных батарей подключены к соответствующим 3_k разомкнутым контактам второго переключателя, а k+1 контакт соединен с вторым выводом балластного резистора 9, положительные клеммы n аккумуляторов k аккумуляторных батарей подключены к соответствующим нечетным неподвижным контактам 2_i,j (i = 1, 2, 3,...,k; j = 1, 3,..,n-1) первого переключателя 2, а отрицательные клеммы n аккумуляторов k батарей подключены к соответствующим четным неподвижным контактам 2_i,j (i = 1, 2, 3,...,k; j = 2,...,n) первого переключателя 2, его нечетные подвижные контакты 2j (j = 1, 3,...,2n-1) соединены с эмиттерами транзисторных ключей 10 и четные подвижные контакты 2j (j = 2, 4,...,2_n) первого 2 переключателя соединены с соответствующими другими входами четных и выходами нечетных первичных обмоток 13_n повышающего трансформатора 7, кроме того, k+1 неподвижный контакт 3_k+1 второго управляемого переключателя 3 замкнут через его подвижный контакт 3_о с отрицательным выводом выпрямителя 8.

При таком подключении обмоток 11_n, 12_n с соответствующим подбором витков можно получить полную компенсацию падения напряжения на транзисторных ключах 10_n (что целесообразней), некоторую перекомпенсацию (на 0,03-0,05 В) для ускорения восстановления электрохимической структуры. При этом мощность, потребляемая генератором 4, возрастает несущественно, так как величина компенсирующего напряжения порядка 0,15 В. В процессе доразряда предлагаемым устройством отдельные аккумуляторы сходятся к одинаковому напряжению более равномерно, чем в случае доразряда стабильным током, так как каждая разрядная ветвь является по своей сущности источником напряжения с жесткой характеристикой, в то время как стабилизатор тока имеет мягкую внешнюю характеристику. В качестве доразрядных балластных резисторов используются первичные обмотки 13_n повышающего трансформатора 7 транзисторных ключей 10_n, включенных так, что токи, протекающие в обмотках, принадлежащих четным и нечетным транзисторным ключам 10_n, будут противофазны. ЭДС, наводимые во вторичной обмотке 6 повышающего трансформатора 7, при разряде любой из аккумуляторных батарей 1_k выпрямляются выпрямителем 8, при этом энергия доразряжаемой батареи может быть использована либо для заряда другой батареи, либо, если все батареи заряжены до предельного напряжения, может рассеиваться в виде тепла на общем балластном резисторе 9. Переключение режимов работы устройства происходит с помощью первого и второго переключателей автоматически по сигналам команд и с датчиков напряжений. Состояние подвижных контактов первого 2 и второго 3 переключателей, изображенных на чертеже, соответствует режиму разряда k аккумуляторной батареи 1_k на балластный резистор 9. Режим дозаряда, например, аккумуляторной батареи 1₁ достигается замыканием подвижного контакта 3_о второго управляемого переключателя 3 с его разомкнутым контактом 3₁. Изменение выбора для разряда аккумуляторной батареи осуществляется соответствующим переключением подвижных контактов 2_n2 первого переключателя.

Включение на поэлементный дозаряд первой 1₁ аккумуляторной батареи обеспечивается переключением первого управляемого переключателя 2 и замыканием его подвижных контактов 2₁, 2₃,...,2_2n-1, 2₂, 2₄,...,2_2n с соответствующими неподвижными контактами 2_1,1, 2_1,3,...,2_1,n-1, 2_1,2, 2_1,4,...,2_1,2n, а также замыканием подвижного контакта 3_о второго управляемого переключателя 3 с любым, кроме первого, его неподвижным контактом 3_i (i = 2,...,k+1).

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЭЛЕМЕНТНОГО ДОРАЗРЯДА K АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ, состоящих из n последовательно соединенных аккумуляторов, содержащее выходные клеммы по числу аккумуляторов, n транзисторных ключей, два управляемых переключателя, генератор переменного напряжения, одним выводом подключенный к входу первичной обмотки трансформатора повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к выпрямителю, положительный вывод которого соединен с точкой соединения положительных клемм K аккумуляторных батарей и первым выводом балластного резистора, в базовые цепи n транзисторных ключей включены вторичные обмотки трансформатора, а в коллекторные цепи-последовательно другие вторичные обмотки трансформатора, а также входы нечетных и выходы четных первичных обмоток повышающего трансформатора так, что изменения ЭДС, наводимых в базовых и коллекторных обмотках, происходят синфазно, тогда как базовые обмотки четных и нечетных транзисторных ключей включены противофазно, отличающееся тем, что, с целью улучщения массогабаритных показателей путем изменения связей, второй вывод генератора переменного напряжения соединен с выходом первичной обмотки трансформатора, первый управляемый переключатель снабжен 2 n подвижными и 2 n · K неподвижными контактами, второй управляемый переключатель снабжен подвижным и K + 1 неподвижными контактами, отрицательные клеммы K аккумуляторных батарей подключены к соответствующим K неподвижным замыкающим контактам второго управляемого переключателя, а (K + 1)-й его контакт соединен с вторым выводом балластного резистора и замкнут через подвижный контакт с отрицательным выводом выпрямителя, положительные клеммы n аккумуляторов K аккумуляторных батарей подключены к соответствующим нечетным неподвижным контактам первого переключателя, а отрицательные клеммы n аккумуляторов K аккумуляторных батарей подключены к соответствующим четным неподвижным контактам первого переключателя, его нечетные подвижные контакты соединены с эммитерами n транзисторных ключей, четные подвижные контакты первого переключателя соединены с соответствующими другими входами четных и выходами нечетных первичных обмоток повышающего трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1