Устройство для питания нагрузки постоянным током

 

Использование: в системах электроснабжения постоянным током, содержащих электрохимические источники тока. Преимущественная область его применения - электропогрузчики, электромобили, электротягачи, автономные системы электроснабжения. Устройство содержит n последовательно соединенных электрохимических источника постоянного тока с отводами, дроссель, n ключевых элемента, блок управления, входами соединенный с отводами электрохимических источников тока (ЭХИТ), а выходами подключенный к управляющим входам ключевых элементов. Отводы ЭХИТ соединены с выводами соответствующих ключевых элементов, причем другие выводы этих ключевых элементов подключены к одному и другому выводам дросселя соответственно, кроме того, положительный отвод первого ЭХИТ дополнительно соединен с выводом 2 n + 1 ключевого элемента, отрицательный вывод последнего ЭХИТ дополнительно соединен с выводом 2 n + 1 ключевого элемента, а их другие выводы 2 n + 2 и 2 n + 1 подключены к одному и другому выводам дросселя соответственно. Устройство обеспечивает выравнивание напряжений ЭХИТ. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам электроснабжения постоянным током, в которых в качестве источников используются электрохимические источники тока,например электропогрузчики,электромобили, электротягачи.

Известны устройства для питания нагрузки постоянным током, содержащие два и более электрохимических источников аккумуляторных батареи (АБ), соединенных согласно-последовательно /1, 2/. Для коммутации АБ используются полупроводниковые ключи. К общим недостаткам этих устройств следует отнести различное использование аккумуляторных батарей по емкости, низкие энергетические показатели этих устройств.

Известно устройство для питания нагрузки постоянным током /3/, содержащее последовательно включенные электрохимические источники тока (аккумуляторные батареи) с отводами, дроссели, диоды и транзисторы, соединенные с общими точками АБ. Отрицательная клемма каждой из АБ, за исключением первой и второй, связана с катодом одного диода, анод которого подсоединен ко входной отрицательной шине полярно-инвертирующего конвертора (ПИК), положительная шина которого подключена к положительной клемме этой же АБ. Каждый ПИК снабжен выходным конденсатором фильтра, параллельно которому включен другой диод, при этом положительная обкладка конденсатора подключена к его катоду. Диоды, подключенные к выходам ПИК, последовательно соединены друг с другом. Отрицательная клемма первой АБ через потребитель подсоединена к катоду диода и положительной обкладке конденсатора фильтра, включенным параллельно выходным шинам полярно-инвертирующего конвертора, входные шины которого связаны с одноименными клеммами второй АБ. Положительная клемма последней АБ через транзисторный ключ соединена с анодом диода, связанного с выходными шинами ПИК, входные шины которого подключены к этой же АБ. Количество элементов, входящих в каждую из батарей, может быть как равным, так и больше единицы.

Недостатком известного устройства является его низкие энергетические показатели. Это обусловлено неравномерной отдачей емкости АБ вследствие различного энергопотребления от каждой из АБ или технологического разброса емкости циклирования батарей. Отмеченный недостаток не может быть устранен ни режимными средствами, ни за счет усложнения аппаратурной реализации, в частности проведения поэлементного контроля. Кроме того, неравномерность отдачи емкости АБ уменьшает срок эксплуатации АБ и устройства в целом.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство для питания нагрузки постоянным током /4/, содержащее n последовательно соединенных электрохимических источника постоянного тока с отводами, дроссель и n ключевых элементов (например транзисторов), блок управления входами соединен с отводами электрохимических источников тока, а выводами соединен с управляющими входами ключевых элементов.

Недостатками известного устройства являются низкие энергетические показатели и ограниченные функциональные возможности.

Целью изобретения является улучшение энергетических показателей, расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройстве для питания нагрузки постоянным током, содержащее n последовательно соединенных электрохимических источников постоянного тока с отводами, дроссель и n ключевых элементов (например транзисторов), блок управления входами соединен с отводами электрохимических источников тока, а выходами соединен с управляющими входами ключевых элементов, дополнительно снабжено n + 2 ключевыми элементами.

В частности, отводы каждого электрохимического источника тока (ЭХИТ) соединены с выводами двух соответствующих ключевых элементов (КЭ), причем другие выводы этих КЭ подключены к одному и другому выводам дросселя соответственно, кроме того, положительным выводом первого ЭХИТ дополнительно соединен с выводом n + 1 КЭ, отрицательный вывод последнего ЭХИТ дополнительно соединен с выводом n + 2 КЭ, а другие выводы n + 1 и n + 2 подключены к одному и другому выводам дросселя.

Снабжение устройства для питания нагрузки постоянным током описанными выше новыми связями между его элементами, отличия предлагаемого устройство от прототипа позволяют обеспечить выравнивание напряжений источников, в результате повышаются его энергетические показатели, кроме того, расширяются его функциональные возможности.

Отсутствие в технической и патентной литературе сведений (рекомендаций) по выполнению предлагаемого устройства в целях достижения описанного в заявке эффекта (результата) показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретенияи положительным эффектом. Это обеспечивает существенные отличия данного изобретения от всех известных устройств аналогичного назначения.

На чертеже представлена функциональная электрическая схема устройства.

Оно содержит n последовательно соединенные ЭХИТ 1₁ -1_n c отводами, дроссель 2 и 2n + 2 ключевых элементов 3_n+1, 3_n+2, 3_n,i (i 1, 2), блок управления 4. Вход блока управления 4 (БУ) соединен с отводами ЭХИТ 1₁-1_n, а выходами подключен к управляющим входам КЭ 3_n,i; 3_n+1, 3_n+2. Положительные отводы (в качестве примера) каждого ЭТИХ соединены с выводами КЭ 3_n,1, а отрицательные отводы каждого ЭТИХ с выводами КЭ 3_n,2. Другие выводы КЭ 3_n,1 и КЭ 3_n,2 подключены к одному и другому выводам дросселя 2 соответственно. Отрицательный вывод первого ЭХИТ дополнительно соединен с выводом 2_n+1 КЭ 3_n+1,1, отрицательный вывод последнего ЭХИТ дополнительно соединен с выводом 2_n+2 КЭ 3_n+1,2, а другие выводы 2_n+1,1, 2_n+2,2 КЭ подключены к одному и другому выводам дросселя 2 соответственно. Блок управления 4 содержит n датчиков, определяющих состояние заряда разpяда аккумулятором /5, 6, 7/ 5_n; n преобразователей аналог-код (ПАК) 6_n1 /8/, 2_n+2 преобразователей код аналог (ПКА) 7₇ /8/, вычислительное устройство (ВУ) 8 /8/. Входы БУ4 образованы входами датчиков 5_n, выходы которых соединены с входами соответствующих преобразователей аналог код 6_n, а выходы преобразователей ПАК 6_n с входами ВУ8. Выходы ВУ8 подключены к входам ПКА 7_2n+2, выходы которых являются выходами БУ4.

Устройство позволяет осуществить три режима работы: 1. Передача электрической энергии из одного аккумулятора в другой.

2. Передача электрической энергии из аккумуляторной батареи группе последовательно соединенных аккумуляторов в другую группу аккумуляторов или аккумулятор.

3. Проведение изобретательского лечебного цикла для аккумулятора(ов) в составе батареи.

Первый режим. Сигналы, пропорциональные измеренному состоянию заряженности аккумуляторов (АК), поступают с датчиков 5_n через ПАК 6_n на входу ВУ8. Вычислительное устройство 8. определив худший АКI_i, например АКI₃, и лучший АКI_j(j ≠i), например АКI₁, формирует двухтактный режим работы через ПКА 7_2,1, ПКА 7_1,1 ключевыми элементами КЭ3_1,2, КЭ3_1,1, а через ПКА 7_2,1, ПКА 7_4,2- ключевыми элементами КЭ3_2,1, КЭ3_4,2. По первому такту ВУ 8 формирует сигнал на открытие КЭ3_1,2 и КЭ3_1,1 и происходит накопление электрической энергии в дросселе 2 по цепи: положительный отвод АКI₁, КЭ3_1,2, дроссель 2, КЭ3_1,1, отрицательный отвод АКI₁. По второму такту ВУ 8 формируется сигнал через ПКА7_1,2, ПКА7_1,1 на закрытие КЭ3_1,2, КЭ3_1,1. Кроме того, по второму такту ВУ8 через ПКА7_2,1, ПКА7_4,2 формируется сигнал на открытие КЭ3_2,1, КЭ3_4,2 и происходит передача накопленной электрической энергии из дросселя 2 в АКI₃ по цепи: дроссель 2, КЭ3_2,1, положительный вывод АКI₃, АКI₃, отрицательный вывод АКI₃, КЭ3_3,1. Данный режим работы формируется ВУ8 до выравнивания емкости АКI₁, АКI₃. В процессе работы ВУ8 изменяет относительную длительность включенного состояния КЭ с целью достижения максимального КПД при передаче энергии. Другой пример первого режима рассмотрим для случая последовательного расположения аккумуляторов. ВУ 8, определив худший аккумулятор, например АКI₂, и лучший, например АКI₃, формирует двухтактный режим работы через ПКА7_3,2, ПКА7_3,1 и ПКА7_3,1, ПКА7_1,1 ключевыми элементами 3_3,1, 3_3,2, 3_1,1. По первому такту формируется сигнал на открытие КЭ3_3,1 и КЭ3_3,2 и происходит накопление электрической энергии по цепи: положительный отвод АКI₃, КЭ3_3,2, дроссель 2, КЭ3_3,1, отрицательный отвод АКI₃. По второму такту ВУ8 формирует сигнал через ПКА7_3,1 сигнал на закрытие КЭ3_3,1 и через ПКА7_1,1 сигнал на открытие КЭ3_1,1 с целью передачи накопленной энергии из дросселя 2 а АКI₂ по цепи: дроссель 2, КЭ3_1,1 положительный отвод АКI₂, АКI₂, отрицательный отвод АКI₂, КЭ3_3,2, дроссель 2. Второй режим рассмотрим на примере передачи электрической энергии из аккумуляторной батареи в группу последовательно соединенных аккумуляторов, например АКI₂, АКI₃, обладающий худшей емкостью на текущий момент работы устройства. Вычислительное устройство 8, так же как и в первом режиме работы, определяет группу худших по состоянию заряженности последовательно соединенных АКI₂, АКI₃ по результатам обработки информации о состоянии заряженности АКI_n, поступивший с датчиков 5_n через ПАК6_n, формирует двукратный режим работы КЭ3. По первому такту ВУ8 формируют сигнал через ПКА7_1,2, ПКА7_n,1 на открытие КЭ3_1,2 и КЭ3_n,1 и происходит накопление электрической энергии в дросселе 2 по цепи: положительный вывод АКI₁, КЭ3_1,2, дроссель 2, КЭ3_n,1, отрицательный вывод АКI_n. По второму такту ВУ8 формирует сигнал ПКА7_1,2, ПКА_n,1 на закрытие КЭ3_1,2 КЭ3_n,1, а через ПКА7_1,1, ПКА7_4,2 на открытие КЭ3_1,1, КЭ3_4,2 и происходит передача накопленной энергии из дросселя 2 в АКI₂, АКI₃ по цепи: дроссель 2, КЭ3_1,1, положительный вывод АКI₂, АКI₂, АКI₃, отрицательный вывод АКI₃, КЭ3_4,2, дроссель 2. Данный режим работы ВУ8 продолжается до полного выравнивания емкости АКI₂, АКI₃ с остальными аккумуляторами, входящими в состав батареи. Третий режим работы по логике работы устройства аналогичен первому или второму. Отличие заключается в формировании алгоритма управления КЭ3_i,j. Данный алгоритм работы предполагает постепенный разряд выбранного для проведения лечебного цикла аккумулятора или группы последовательно соединенных АК с передачей энергии в другие аккумуляторы. В качестве примера рассмотрим проведение изобретательского лечебного цикла АКI₂, АКI₃. ВУ 8 по первому такту формирует сигнал через ПКА7_2,2, ПКА7_3,1 на открытие КЭ3_2,2, КЭ3_2,1, происходит накопление электрической энергии в дросселе 2 по цепи: положительный вывод АКI₂, КЭ3_2,2, дроссель 2, КЭ3_3,1, отрицательный вывод АКI₃. По второму такту возможны два варианта работу ВУ8 передача накопленной энергии из дросселя 2 и АБ или в другие аккумуляторы или аккумулятор. Последний случай аналогичен работе устройства в первом режиме, отличие будет заключаться в том, что ВУ8 прекратит проведение лечебного цикла с избранными аккумуляторами(м) по получению сигнала с датчиков 5₂, 5₃ через ПАК6₂, 6₃ о разряде данных аккумуляторов(а) до заданной величины. Передача накопленной энергии в дросселе 2 в другие аккумуляторы также подразделяется на два подрежима. Первый подрежим характерен случаю, когда в качестве получаемых энергию АК являются два соседних аккумулятора, например АКI₁ и АКI₄. В данном случае ВУ8 формирует поочередную передачу энергии сначала в один аккумулятор, например АКI₁, а затем во второй, например АКI₄, т. е. по второму такту ВУ8 через ПКА7_3,1, ПКА7_n+1,1 формирует сигналы на закрытие КЭ3_3,1 и на открытие КЭ3_n+1,1 (т. е. КЭ3_2,2 остается открытым и по первому и по второму такту), и происходит передача накопленной энергии в дросселе 2 в АКI₁ по цепи: дроссель 2, КЭ3_n+1,1, положительный вывод АКI₁, АКI₁, КЭ3_2,2, дроссель 2. Далее по первому такту снова формируется ВУ8 через ПКА7_n+1,1, ПКА7_2,1, сигналы на закрытие КЭ3_n+1,1 и открытие КЭ3_2,1 и происходит накопление энергии в дросселе 2. Но по второму току ВУ8 формирует сигнал через ПКА7_2,2, ПКА7_5,2 на закрытие КЭ3_2,2 и открытие КЭ3_5,2, накопленная энергия в дросселе 2 передается в АКI₄ по цепи: дроссель 2, КЭ3_3,1, положительный вывод АКI₄, АКI₄, отрицательный вывод АКI₄, КЭ3_5,2, дроссель 2.

Второй подрежим. По первому такту работа устройства аналогична первому подрежиму. По второму такту происходит закрытие КЭ3_2,2, КЭ3_3,1 и открытие, например для случая передачи энергии в АКI_n и АКI₆, соответственно КЭ3_n-1,1, КЭ3_n+1,2 и ЭКI_5,1, ЭК_6,2, с передачи энергии из дросселя 2 в АКI_n и АКI₆.

Формула изобретения

1. Устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее n последовательно соединенных электрохимических источников постоянного тока с отводами, дроссель, n ключевых элементов и блок управления, выходами подключенный к управляющим входам ключевых элементов, отличающееся тем, что, с целью улучшения, устройство дополнительно снабжено n ключевыми элементами, отводы каждого электрохимического источника тока соединены с выводами двух соответствующих ключевых элементов, причем другие выводы этих ключевых элементов подключены к одному и другому выводам дросселя соответственно, кроме того, положительный вывод первого электрохимического источника тока дополнительно соединен с выводом (2n+2)-го ключевого элемента, отрицательный вывод последнего электрохимического источника тока дополнительно соединен с выводом (2n+1)-го ключевого элемента, а их другие выводы 2n+2 и 2n+1 подключены к одному и другому выводам дросселя соответственно, при этом блок управления входами соединен с отводами электрохимических источников тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1