Регулятор напряжения

 

Использование: в системах зарядки аккумуляторной батареи от электрических генераторов, вращающихся с переменной скоростью, преимущественно автомобильных. Сущность изобретения: в регулятор, содержащий термодатчик 1, компаратор 8, транзистор 9, стабилизатор на резисторе 12 и стабилитроне 13, делитель напряжения на резисторах 14, 16, 18 и диоды 19, 20, введены резисторы 15, 17 и датчик 21 режима движения с контактами на три положения: при равномерном движении автомобиля, при ускорении и торможении. Регулятор, обеспечивая дополнительный контур управления генератором в зависимости от режима движения, позволяет повысить топливную экономичность и динамические характеристики автомобиля. 1 ил.

Изобретение относится к системам зарядки аккумуляторной батареи от электрических генераторов, вращающихся с переменной скоростью, преимущественно автомобильных.

Известен регулятор напряжения на базе микроЭВМ [1] содержащий датчик температуры аккумулятора, датчик напряжения аккумулятора, аналого-цифровой преобразователь и коммутационный транзистор, подключенный к обмотке возбуждения генератора. МикроЭВМ поддерживает на выводах аккумулятора оптимальное с учетом его температуры зарядное напряжение, изменяющееся в пределах предварительно заданных уровнях напряжения.

Недостатками этого регулятора являются сложность и высокая стоимость, а также отсутствие связи между величиной мощности, отбираемой от двигателя на привод генератора, и режимом движения автомобиля.

Известен регулятор напряжения [2] содержащий первый компаратор напряжения, который включается когда напряжение на аккумуляторе меньше первого порогового значения, второй компаратор напряжения, который включается, когда напряжение больше первого, но меньше второго порогового уровня, схему логики, которая включается, когда на нее поступает одновременно сигнал с второго компаратора и сигнал торможения, коммутатор, который подает напряжение на обмотку возбуждения генератора при поступлении сигнала с первого компаратора или схемы логики. Данный регулятор напряжения обеспечивает повышение зарядного напряжения за счет увеличения доли мощности, затрачиваемой двигателем на привод генератора во время торможения, т.е. когда мощность, необходимая для движения автомобиля, снижается.

Недостатками этого регулятора являются отсутствие учета температуры аккумулятора, а также невозможность уменьшения потерь мощности на привод генератора при ускорении автомобиля, когда для выполнения полезной работы от двигателя требуется максимальная мощность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является регулятор напряжения [3] содержащий термодатчик, подключенный к выводам аккумулятора и через резисторы к входам компаратора, выход которого соединен с базой транзистора, к коллектору которого подключена обмотка возбуждения генератора, а к эмиттеру положительная шина питания. К шинам питания также подключены последовательно соединенные резистор и стабилитрон, к точке соединения которых подключен делитель напряжения из трех последовательно соединенных резисторов, причем к выводам среднего резистора делителя подключены анод и катод диодов, вторые выводы которых подключены к первому входу компаратора.

Напряжение, поддерживаемое данным регулятором на выводах аккумулятора, изменяется в соответствии с его температурой, сохраняясь оптимальным в заданном диапазоне температур. За пределами диапазона напряжение фиксируется на определенных уровнях, причем при высоких температурах величины фиксированного напряжения меньше, чем при низких температурах.

Недостатком этого регулятора является нерациональное использование мощности двигателя для привода генератора, не учитывающее режим движения автомобиля, что снижает полезную мощность двигателя и его топливную экономичность.

Целью изобретения является повышение динамических показателей и топливной экономичности автомобиля за счет управления обмоткой возбуждения генератора с учетом режима движения транспортного средства.

Цель достигается тем, что в регулятор напряжения, содержащий термодатчик, первый и второй выводы которого соединены с положительным и отрицательным выводами аккумулятора, а третий и четвертый через резисторы соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которого через резистор соединен с базой транзистора, к коллектору которого подключена обмотка возбуждения генератора, зашунтированного диодом, а к эмиттеру положительная шина питания, которая также соединена с общим проводом через последовательно соединенные резистор и стабилитрон, к точке соединения которых параллельно стабилитрону подключен двигатель напряжения из трех последовательно соединенных резисторов, причем выводы среднего резистора делителя соединены с анодом и катодом диодов, вторые выводы которых соединены с первым входом компаратора, введены два резистора, включенные последовательно между первым и вторым, вторым и третьим резисторами делителя, и датчик режима движения автомобиля, первый вывод которого подключен к первому входу компаратора, второй к точке соединения верхнего и первого дополнительного резисторов делителя, а третий к точке соединения нижнего и второго дополнительного резисторов делителя.

Возможность достижения цели изобретения обусловлена наличием в предлагаемом регуляторе датчика, который изменяет свое состояние в соответствии с режимом движения автомобиля: равномерное (установившееся), ускоренное (фаза разгона) и замедленное (фаза замедления и торможения). При равномерном движении выводы датчика не имеют непосредственный электрической связи между собой, и он не оказывает влияния на работу регулятора. При торможении замыкаются между собой первый и второй выводы датчика, а при ускорении первый и третий. Это позволяет изменять величину опорного напряжения на первом входе компаратора, а следовательно, и средний ток возбуждения генератора, (что эквивалентно изменению мощности, затрачиваемой на его привод) в зависимости от режима движения. Так, при торможении через замкнутые первый и второй контакты датчика на первый вход компаратора поступает более высокое опорное напряжение, что обусловливает увеличение напряжения в бортовой сети и сопровождается соответствующим увеличением доли мощности двигателя, отбираемой для привода генератора.

При ускорении замыкаются первый и третий контакты датчика, обеспечивая поступление на первый вход компаратора более низкого опорного напряжения, что приводит к снижению напряжения, поддерживаемого регулятором в бортовой сети. Поскольку напряжение на аккумуляторе не может уменьшиться скачком до нового уровня, компаратор на некоторое время переходит в устойчивое состояние, обесточивающее обмотку возбуждения генератора. При этом генератор практически не потребляет мощность от двигателя (потерями на трение в подшипниках ротора можно пренебречь), а все потребители электроэнергии питаются от аккумулятора. По мере разряда аккумулятора напряжение на нем падает, пока не достигнет минимально допустимой величины, определяемой низким уровнем опорного напряжения. С этого момента регулятор начинает периодически включать обмотку возбуждения генератора, поддерживая напряжение в бортовой сети на минимально допустимом уровне. С окончанием режима ускорения, которое, как правило, происходит раньше чем аккумулятор успеет разрядиться до минимально допустимого уровня, первый и третий выводы датчика размыкаются, восстанавливая соответствующий режиму движения уровень опорного напряжения.

Таким образом, отбор мощности от двигателя на привод генератора возрастает при замедлении, когда имеется ее избыток, и практически прекращается при ускорении, когда имеется ее недостаток, ограничивающий динамические свойства автомобиля. Так, для легкового автомобиля ВАЗ-2108 с двигателем мощностью 47 кВт и генератором 37.3701 мощностью 770 Вт с КПД около 90% использование предлагаемого регулятора позволяет увеличить полезную мощность примерно на 1,8% На чертеже показана принципиальная схема предлагаемого регулятора напряжения.

Регулятор напряжения содержит термодатчик 1, подключенный выводами 2 и 3 к клеммам аккумулятора и состоящий из двух параллельно соединенных делителей напряжения, выходы 4 и 5 которых соединены через резисторы 6 и 7 соответственно с первым и вторым входами компаратора 8. Выход последнего соединен через резистор с базой транзистора 9, коллектор которого через параллельно соединенные обмотку 10 возбуждения генератора и диод 11 соединен с общей шиной, а эмиттер с положительной шиной питания. К шинам питания также подключены последовательно соединенные резистор 12 и стабилитрон 13, к точке соединения которых параллельно стабилитрону подключен делитель напряжения из пяти последовательно соединенных резисторов 14.18. Верхний и нижний выводы среднего резистора 16 соединены соответственно с анодом и катодом диодов 19 и 20, вторые выводы которых соединены с первым входом компаратора 8 и первым выводом датчика 21, второй вывод которого подключен к точке соединения резисторов 14 и 15, а третий к точке соединения резисторов 17 и 18.

Термодатчик 1 предназначен для формирования двух уровней напряжения. Первый уровень, снимаемый с первого делителя (вывод 4), зависит от температуры аккумулятора и не зависит от его напряжения, поскольку нижнее плечо делителя образовано термочувствительными элементами (например, стабисторами КС 119). Второй уровень напряжения, снимаемый с второго делителя (вывод 5) термодатчика 1, пропорционален напряжению на аккумуляторе и не зависит от его температуры.

Параметрический стабилизатор на резисторе 12 и стабилитроне 13 совместно с цепочкой резисторов 14.18 формирует четыре уровня напряжения, не зависящие от напряжения в бортовой сети. Первые два уровня напряжения, снимаемые с выводов резистора 16, используются в качестве опорных при экстремальных значениях температуры аккумулятора. Вторые два уровня напряжения, снимаемые с резисторов 15 и 18, используются в качестве опорных в режиме замедления и ускорения соответственно. В частном случае уровни температурного ограничения и опорные уровни, соответствующие режимам замедления и ускорения, могут совпадать. При этом сопротивление резисторов 15 и 17 должно быть таким, чтобы падение напряжения на них совпадало с прямым падением напряжения на диодах 19 и 20.

Датчик 21 режима движения может быть выполнен по принципу линейного механического акселерометра, замыкающего первую электрическую цепь при превышении некоторого заданного положительного значения ускорения (при ускорении) и замыкающего вторую электрическую цепь при превышении некоторого заданного отрицательного значения ускорения (при замедлении). Может быть использован электронный датчик, определяющий режим движения, например, по величине и знаку производной частоты импульсов, поступающих с контактов прерывателя.

Работает регулятор следующим образом.

Предположим, что автомобиль движется равномерно, т.е. колебания ускорения не превышают установленные пороги срабатывания датчика и все его выводы разомкнуты. Опорное напряжение при этом в зависимости от температуры аккумулятора определяется термодатчиком (вывод 4) или напряжением, поступающим с резистора 16 через диод 19 или 20 соответственно при чрезмерно высокой или чрезмерно низкой температуре аккумулятора.

При разгоне с ускорением, превышающим порог срабатывания датчика 21, замыкаются его первый и третий выводы, обеспечивая поступление на первый вход компаратора низкого уровня напряжения с резистора 18. Величина этого резистора определяет минимально допустимый уровень напряжения в бортовой сети.

При замедлении с отрицательным ускорением, превышающим заданный порог срабатывания датчика 21, замыкаются его первый и второй выводы, обеспечивая поступление на первый вход компаратора 8 высокого уровня напряжения с резистора 15. Величина этого напряжения обеспечивает поддержание регулятором в бортовой сети повышенного напряжения, близкого к максимально допустимому уровню. При этом мощность, отбираемая от двигателя генератором, максимальна, а аккумулятор получает дополнительный заряд, компенсирующий его разряд в режиме ускорения.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет практически исключить потери мощности на привод генератора при ускорении и более эффективно использовать ее избыток при замедлении, что обеспечивает повышение топливной экономичности и динамических характеристик автомобиля.

Формула изобретения

РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий термодатчик, подключенный к аккумулятору и состоящий из термочувствительного и термонезависимого делителей напряжения, выходы которых через резисторы соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которого через резистор соединен с базой транзистора, к коллектору которого подключена обмотка возбуждения генератора, зашунтированная диодом, а к эмиттеру положительная шина питания, которая также соединена с общим проводом через последовательно соединенные резистор и стабилитрон, к точке соединения которых параллельно стабилитрону подключен делитель напряжения из трех последовательно соединенных резисторов, причем выводы среднего резистора делителя соединены с анодом и катодом диодов, вторые выводы которых соединены с первым входом компаратора, отличающийся тем, что, с целью повышения топливной экономичности и динамических характеристик автомобиля, в регулятор введены два резистора, один из которых включен последовательно между первым и вторым, а другой между вторым и третьим резисторами делителя, и датчик режима движения, первый вывод которого подключен к первому входу компаратора, второй к точке соединения верхнего и первого дополнительного резисторов делителя, а третий к точке соединения нижнего и второго дополнительного резисторов делителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1