Устройство нивелирования разбаланса напряжений на соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или батареях (варианты)

 

Изобретение относится к электротехнике. Техническим результатом является повышение энергетической эффективности и надежности устройства за счет расширения рабочего диапазона по напряжению, повышения скорости выравнивания напряжений между отдельными элементами батареи. В устройство введены система размагничивания трансформатора, источник питания, установленный в цепи питания системы управления, драйвер управления. 3 с. и 41 з.п.ф-лы, 8 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, электромашиностроению и приборостроению, в частности к заряду и режимам эксплуатации аккумуляторных и конденсаторных батарей, а именно к заряду и режимам эксплуатации батарей, соединенных между собой, или отдельных ячеек батареи, в автономных системах электроснабжения постоянного тока стационарных и подвижных объектов, в которых в качестве источников электроэнергии используются химические источники тока, и может быть использовано в различных отраслях промышленности при эксплуатации аккумуляторных батарей в составе автономных систем электроснабжения, в том числе на транспортных средствах, в устройствах бесперебойного питания, в установках питания собственных нужд электростанций и т.д.

Проблема обеспечения длительного срока службы аккумуляторных батарей, состоящих из последовательно соединенных аккумуляторов, является достаточно актуальной. Небольшие различия в характеристиках отдельных аккумуляторов (доли и единицы процентов от номинальных параметров), имеющие место при комплектовании батарей (по емкости, токам утечки, внутреннему сопротивлению и т. д. ), приводят в процессе эксплуатации батарей к значительному разбросу, разбалансу (десятки процентов) в степени заряженности отдельных аккумуляторов. Следствием этого являются снижение уровня отдаваемой емкости батареей в нагрузку, перезаряд и недопустимо глубокий разряд отдельных элементов с возможностью их переполюсовки, дальнейшей разгерметизации и другими необратимыми явлениями, что приводит в итоге к выходу из строя как отдельных элементов, так и батареи в целом. Срок службы батарей при этом сокращается. Аналогичные механизмы деградации и выхода из строя характерны не только для аккумуляторных батарей, но и для батарей, содержащих другие химические источники тока, включая ионисторы, конденсаторы с двойным электрическим слоем и т.д.

Одним из решений указанной проблемы является выравнивание (нивелирование) разбаланса напряжений между отдельными элементами батарей при заряде путем селективного шунтирования избыточного напряжения отдельных элементов.

Однако данное техническое решение энергетически неэффективно, т.к. приводит к непроизводительным потерям энергии, а также вызывает нежелательный перегрев всей батареи, так как выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батареи. Кроме того, скорость и энергия выравнивания ограничены количеством рассеиваемой при этом энергии.

Известно устройство для питания нагрузки, содержащее батарею, состоящую из N аккумуляторов, и параллельно к ней подключенный управляемый преобразователь постоянного тока, имеющий управляемый ключевой элемент, управляющий вход которого соединен с выходом блока контроля режима работы, установленного в цепи батареи, выходной трансформатор и N выравнивающих ячеек, каждая из которых содержит одну выходную обмотку упомянутого трансформатора, подключенную через выпрямитель к соответствующему аккумулятору в батарее (a.c. CCCP N 1029327, кл. H 02 J 7/34, 1983 г.).

Однако использование известного технического решения имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, из-за выполнения трансформатора по традиционному способу индуктивность рассеяния обмоток велика, а связь между обмотками сравнительно слабая, вследствие чего параметры обмоток ячеек трансформатора зависят от режимов его работы, а эквивалентное выходное сопротивление цепей выравнивания велико.

Во-вторых, наличие диодов в выравнивающих ячейках вносит существенную погрешность в процесс выравнивания вследствие разброса характеристик диодов и их зависимости от ряда дестабилизирующих факторов, в частности температуры и величины протекающего тока.

В-третьих, падение напряжения на диодах соизмеримо с рабочим напряжением на аккумуляторах, вследствие чего КПД отдельных выравнивающих ячеек является низким.

В-четвертых, существуют конструкционные и технологические сложности по обеспечению идентичности параметров множества обмоток выравнивающих ячеек при их расположении на одном сердечнике.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях, содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу ячеек или батарей, при этом каждая из обмоток имеет одинаковое число витков и плотное соединение друг с другом, управляющий ключевой элемент, связанный последовательно с каждой рабочей обмоткой в соответствующей ячейке или батарее, причем управляющий ключевой элемент, формирователь импульсов его управления и рабочие обмотки в каждой соответствующей ячейке или батарее связаны параллельно друг с другом через одну из ячеек или батарей, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания, генератора импульсов и формирователя импульсов управления ключевыми элементами, выполненного в виде последовательно соединенных емкостей, подключенных к соответствующим управляющим входам ключевых элементов, и параллельно соединенных попарно друг с другом резисторов и соответствующих им диодов, катод каждого из которых подсоединен к управляющему входу соответствующего ключевого элемента, а соответствующий анод - к соответствующей ячейке или батарее, при этом генератор импульсов посредством цепи питания соединен через коммутирующий элемент питания с выходными клеммами аккумуляторной батареи, а выходом через вход формирователя импульсов управления ключевыми элементами - с управляющими входами ключевых элементов, с возможностью обеспечения подачи управляющего выходного сигнала на каждый управляющий ключевой элемент для их одновременного высокочастотного включения и выключения с последующей передачей энергии от ячейки с самым высоким зарядом к ячейке с меньшим зарядом посредством трансформатора, напряжение на каждой обмотке которого является напряжением ячейки, имеющей самое высокое напряжение (патент Великобритании N 2293060, кл. H 02 J 7/00, 1995 г.).

Однако использование известного технического решения имеет ряд существенных недостатков.

Эти недостатки вытекают из основного предназначения прототипа - его использование предполагается совместно с перезаряжаемыми щелочными магниевыми, литиевыми и литий-ионными элементами, применяемыми в портативной бытовой радиоэлектронной аппаратуре. Количество последовательно соединенных элементов в аппаратуре подобного класса не превышает нескольких штук (обычно не более четырех-шести). Данные элементы выпускаются сравнительно малой емкости (не более нескольких АхЧ), характеризуются сравнительно большим внутренним сопротивлением, количество зарядно-разрядных циклов у них сравнительно мало, а скорость появления разбаланса напряжений между отдельными элементами невелика. Поэтому и требования к известному техническому решению - прототипу сравнительно "мягкие".

В связи с вышеизложенным основными недостатками известного технического решения являются следующие.

1. Питание цепей управления осуществляется непосредственно (через коммутирующий элемент питания) от клемм предназначенной для нивелирования (выравнивания) напряжений отдельных элементов батареи. Это напряжение является нестабилизированным и меняется в широких пределах при заряде и разряде (от +40% до -50% от номинального напряжения), выходящих не только за расчетный, но и за допустимый диапазон работы элементов схемы управления и цепей управления силовых ключей, что влияет на уровень собственного потребления, выходные характеристики и работоспособность устройства в целом.

Устройство работает в активном режиме нивелирования разбаланса батареи сравнительно недолго, включаясь в работу только при достижении напряжения заряда батареи заданного уровня.

Работая в узком диапазоне по напряжению, при котором используется не весь возможный рабочий диапазон батареи по напряжению, в известном устройстве не используются в полной мере наиболее эффективные, с точки зрения выравнивания напряжения отдельных элементов батареи, граничные области зарядно-разрядных кривых акккумуляторов (главным образом в конце их заряда и в конце их разряда). Хотя очевидно, что эффект "выравнивания" максимально эффективно проявляется на "краях" зарядно-разрядных кривых, характеризующихся крутыми участками, в отличие от пологих участков на средних уровнях заряженности.

Например, в системах бесперебойного питания, использующих батареи никель-кадмиевых герметичных аккумуляторов, диапазон изменения напряжения на каждом элементе батареи составляет от 1,64 В при заряде до 0,6 В при разряде.

2. Выполнение цепей формирования импульсов управления затворами полевых транзисторов силовых ключей в виде емкостных цепей последовательно соединенных конденсаторов характеризуется достаточно низким КПД цепей управления и увеличивает собственное энергопотребление устройства.

Использование емкостного делителя напряжения в виде последовательно соединенных конденсаторов в цепях управления затворами транзисторов предполагает применение низковольтных, но сравнительно энергоемких (до нескольких микрофарад) конденсаторов. По стоимости это решение является неоптимальным. Более выгодным экономически (например, для батарей с номинальным напряжением 12 В, 24 В) является применение конденсаторов малой емкости на более высокое напряжение.

3. Потенциальное управление силовыми цепями, используемое в известном техническом решении, накладывает ряд ограничений на параметры сигналов управления устройства (частоту и скважность импульсов управления), а также на параметры (и их разброс) элементов схемы цепей управления, включая параметры пассивных элементов и входных цепей полевых транзисторов.

С точки зрения промехоустойчивости и надежности управления данное решение также не всегда является оптимальным.

Кроме того, наличие гальванической развязки между цепями управления и силовыми цепями часто является непременным условием работы аппаратуры, в состав которой входит аккумуляторная батарея (по условиям безопасности, обеспечения электромагнитной совместимости и т.д.).

Отсутствие гальванической развязки между цепями управления и силовыми цепями в известном техническом решении исключает его применение в составе такой аппаратуры.

4. Силовые цепи известного устройства работают в неоптимальных режимах. В частности, энергия намагничивания силового трансформатора используется нерационально: сначала запасается в емкостных элементах, а затем рассеивается в виде Джоулева тепла на силовых ключах и других элементах схемы. Это снижает КПД устройства в целом, повышает его установленную мощность, габариты и стоимость. Данное решение еще можно использовать при малой мощности устройства нивелирования, но недопустимо при больших уровнях мощности, так как в этом случае может произойти выход из строя силовых ключей.

5. При практической реализации устройств по известному техническому решению большие усилия и трудоемкость необходимо приложить с целью качественного выполнения силовых цепей, в первую очередь силового трансформатора (мультифилярное выполнение обмоток, равное числу элементов батареи, каждая из которых содержит десятки витков). При этом нет никаких гарантий в достижении высокой добротности и необходимых идентичных электромагнитных параметров каждой из обмоток, что определяет эффективность работы всего устройства в целом. Кроме того, при серийном производстве трудно обеспечить стабильную повторяемость параметров.

В итоге выходное эквивалентное сопротивление устройства (по каждому из выходов), характеризующее скорость и эффективность выравнивания, достаточно велико, не менее нескольких Oм, а скорость выравнивания является низкой.

Наиболее отчетливо указанные недостатки проявляются при необходимости создания устройств для выравнивания напряжений отдельных элементов для батарей большой емкости (десятки и сотни АхЧ), содержащих не менее 10-60 последовательно соединенных элементов и использующих максимальный рабочий диапазон элементов по напряжению.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности устройства за счет расширения рабочего диапазона регулирования по напряжению, повышения скорости выравнивания напряжений между отдельными элементами батареи и его помехоустойчивости.

1. Для достижения нового технического результата в устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях, содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу ячеек или батарей, при этом каждая из рабочих обмоток имеет одинаковое число витков, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой в соответствующей ячейке или батарее, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератора импульсов и формирователя импульсов управления ключевыми элементами, выполненного в виде соединенной с управляющим входом каждого ключевого элемента соответствующей емкости, и соответствующих параллельно соединенных друг с другом резистора и диода, соединенных с управляющим входом соответствующего ключевого элемента и соответствующей ячейкой или батареей, дополнительно введены система размагничивания трансформатора, источник питания и драйвер управления, установленный в системе управления, при этом соответствующие емкости формирователя импульсов управления ключевыми элементами объединенными общим выводом соединены с выходом драйвера управления, входом подключенного к выходу генератора импульсов, источник питания соединен с коммутирующим элементом питания, а выходом - с цепью питания системы управления, а система размагничивания трансформатора соединена с цепью питания устройства.

Источник питания может быть выполнен в виде источника питания постоянного напряжения.

Источник питания постоянного напряжения может быть выполнен в виде стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Драйвер управления может быть выполнен в виде усилителя мощности в дискретном или микросхемном исполнениях.

Система размагничивания трансформатора может быть выполнена в виде рекуперационных обмоток и диодов, число которых соответствует числу рабочих обмоток трансформатора, при этом выход каждой рекуперационной обмотки соединен последовательно с анодом соответствующего рекуперационного диода, причем соответствующие рекуперационные обмотка и диод соединены параллельно-встречно выводами соответствующей ячейки или батареи.

Система размагничивания трансформатора может быть выполнена в виде рекуперационных обмотки и диода, соединенных последовательно и включенных параллельно-встречно в цепь питания системы управления или с входом источника питания или с выводами аккумуляторной батареи, при этом рекуперационная обмотка входом соединена с катодом рекуперационного диода.

В устройство может быть дополнительно введен дополнительный источник питания, соединенный с источником питания.

В устройство может быть дополнительно введено зарядное устройство, установленное между дополнительным источником питания и аккумуляторной батареей.

В устройство может быть дополнительно введен блок компараторов напряжения аккумуляторной батареи, содержащий источники опорного напряжения, делители напряжения, компараторы включения/отключения верхнего и нижнего уровня, входы которых связаны через соответствующие делители напряжения с выводами аккумуляторной батареи и соответствующими источниками опорного напряжения, при этом выход блока компараторов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента питания.

Управляющие ключевые элементы могут быть выполнены в виде полевых транзисторов, при этом в качестве управляющего входа соответствующего ключевого элемента использован затвор соответствующего полевого транзистора, истоки подсоединены к соответствующим выводам ячеек или батарей, а стоки - к соответствующим рабочим обмоткам трансформатора.

Генератор импульсов может быть выполнен в виде мультивибратора в микросхемном или дискретном исполнении.

Каждая рекуперационная обмотка и рабочая обмотка могут быть выполнены в виде одного витка каждая и все совместно размещены во внутренней полости сердечника трансформатора.

Рекуперационная обмотка может быть выполнена единой в виде навитых на сердечник трансформатора витков в количестве, равном числу витков рабочих обмоток, и размещенных совместно с последними во внутренней полости сердечника трансформатора.

2. Также для достижения нового технического результата в устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях, содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу ячеек или батарей, при этом каждая из обмоток имеет одинаковое число витков, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой в соответствующей ячейке или батарее, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератора импульсов и формирователя импульсов управления ключевыми элементами, дополнительно введены система размагничивания трансформатора, источник питания, драйвер управления, установленный в системе управления, и преобразователь постоянного напряжения с трансформаторными выходными обмотками, установленный в формирователе импульсов управления ключевыми элементами, при этом управляющие входы каждого ключевого элемента соединены через соответствующие выходные обмотки преобразователя постоянного напряжения с выходом драйвера управления, входом подключенного к выходу генератора импульсов, а источник питания соединен с коммутирующим элементом питания, а выходом - с цепью питания системы управления, а система размагничивания трансформатора соединена с цепью питания устройства.

Преобразователь постоянного напряжения с трансформаторными выходными обмотками может быть выполнен в виде дополнительного управляемого коммутирующего элемента, дополнительного трансформатора со второй рабочей, рекуперационной и выходными обмотками и рекуперационным диодом, при этом точка соединения второй рабочей и рекуперационной обмоток соединена с цепью питания системы управления, выход драйвера управления соединен с управляющим входом дополнительного коммутирующего элемента, соединенного последовательно со второй рабочей обмоткой, а рекуперационная обмотка соединена последовательно с катодом рекуперационного диода, соединенного с цепью питания устройства.

Источник питания может быть выполнен в виде источника питания постоянного напряжения.

Источник питания постоянного напряжения выполнен в виде стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Драйвер управления может быть выполнен в виде усилителя мощности в дискретном или микросхемном исполнениях.

Система размагничивания трансформатора может быть выполнена в виде дополнительных рекуперационных обмоток и диодов, число которых соответствует числу рабочих обмоток трансформатора, при этом выход каждой дополнительной рекуперационной обмотки соединен последовательно с анодом соответствующего дополнительного рекуперационного диода, причем соответствующие дополнительные рекуперационные обмотка и диод соединены параллельно-встречно с выводами соответствующей ячейки или батареи.

Система размагничивания трансформатора может быть выполнена в виде дополнительных рекуперационных обмотки и диода, соединенных последовательно и включенных параллельно-встречно в цепь питания системы управления или с входом источника питания или с выводами аккумуляторной батареи, при этом дополнительная рекуперационная обмотка входом соединена с катодом дополнительного рекуперационного диода.

В устройство может быть дополнительно введен дополнительный источник питания, соединенный с источником питания.

В устройство может быть дополнительно введено зарядное устройство, установленное между дополнительным источником питания и аккумуляторной батареей.

В устройство может быть дополнительно введен блок компараторов напряжения аккумуляторной батареи, содержащий источники опорного напряжения, делители напряжения, компараторы включения/отключения верхнего и нижнего уровня, входы которых связаны через соответствующие делители напряжения с клеммами аккумуляторной батареи и соответствующими источниками опорного напряжения, при этом выход блока компараторов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента питания.

Управляющие ключевые элементы могут быть выполнены в виде полевых транзисторов, при этом в качестве управляющего входа соответствующего ключевого элемента использован затвор соответствующего полевого транзистора, истоки подсоединены к соответствующим клеммам ячеек или батарей, а стоки - к соответствующим рабочим обмоткам трансформатора.

Генератор импульсов может быть выполнен в виде мультивибратора в микросхемном или дискретном исполнении.

Каждая рекуперационная обмотка и рабочая обмотка могут быть выполнены в виде одного витка каждая и все совместно размещены во внутренней полости сердечника трансформатора.

Рекуперационная обмотка может быть выполнена единой в виде навитых на сердечник трансформатора витков в количестве, равном числу витков рабочих обмоток, и размещенных совместно с последними во внутренней полости сердечника трансформатора.

3. Также для достижения нового технического результата в устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях, содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу ячеек или батарей, при этом каждая из обмоток имеет одинаковое число витков, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой в соответствующей ячейке или батарее, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератора импульсов и формирователя импульсов управления ключевыми элементами, выполненного в виде последовательно соединенных емкостей, подключенных к соответствующим управляющим входам ключевых элементов, и параллельно соединенных попарно друг с другом резисторов и соответствующих им диодов, соединенных с управляющим входом соответствующего ключевого элемента и соответствующей ячейкой или батареей, дополнительно введены система размагничивания трансформатора, источник питания, драйвер управления и измерительный преобразователь постоянного напряжения, установленные в системе управления ключевыми элементами, при этом генератор импульсов выполнен в виде преобразователя "напряжение-частота", управляющий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя постоянного напряжения, соединенного входами с выводами аккумуляторной батареи, причем вход формирователя импульсов управления ключевыми элементами соединен с выходом драйвера управления, входом соединенного с выходом преобразователя "напряжение-частота", входом подключенного к выходу преобразователя "напряжение-частота", источник питания соединен с коммутирующим элементом питания, а выходом - с цепью питания системы управления, а система размагничивания трансформатора соединена с цепью питания устройства.

Преобразователь "напряжение-частота" может быть выполнен в виде однотактного преобразователя постоянного напряжения.

Преобразователь "напряжение-частота" может быть выполнен в виде двухтактного преобразователя постоянного напряжения, например генератора Ройера.

Преобразователь "напряжение-частота" может быть выполнен в виде управляемого мультивибратора в микросхемном или дискретном исполнении.

Измерительный преобразователь напряжения может быть выполнен в виде резистивного делителя напряжения.

Измерительный преобразователь напряжения может быть выполнен в виде преобразователя с гальванической развязкой.

Источник питания может быть выполнен в виде источника питания постоянного напряжения.

Источник питания постоянного напряжения может быть выполнен в виде стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Драйвер управления может быть выполнен в виде усилителя мощности в дискретном или микросхемном исполнениях.

Система размагничивания трансформатора может быть выполнена в виде рекуперационных обмоток и диодов, число которых соответствует числу рабочих обмоток трансформатора, при этом выход каждой рекуперационной обмотки соединен последовательно с анодом соответствующего рекуперационного диода, причем соответствующие рекуперационные обмотка и диод соединены параллельно-встречно с выводами соответствующей ячейки или батареи.

Система размагничивания трансформатора может быть выполнена в виде рекуперационных обмотки и диода, соединенных последовательно и включенных параллельно-встречно в цепь питания системы управления или с входом источника питания или с выводами аккумуляторной батареи, при этом рекуперационная обмотка входом соединена с катодом рекуперационного диода.

В устройство может быть дополнительно введен дополнительный источник питания, соединенный с источником питания.

В устройство может быть дополнительно введено зарядное устройство, установленное между дополнительным источником питания и аккумуляторной батареей.

В устройство может быть дополнительно введен блок компараторов напряжения аккумуляторной батареи, содержащий источники опорного напряжения, делители напряжения, компараторы включения/отключения верхнего и нижнего уровня, входы которых связаны через соответствующие делители напряжения с выводами аккумуляторной батареи и соответствующими источниками опорного напряжения, при этом выход блока компараторов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента питания.

Управляющие ключевые элементы могут быть выполнены в виде полевых транзисторов, при этом в качестве управляющего входа соответствующего ключевого элемента использован затвор соответствующего полевого транзистора, истоки подсоединены к соответствующим выводам ячеек или батарей, а стоки - к соответствующим рабочим обмоткам трансформатора.

Каждая рекуперационная обмотка и рабочая обмотка могут быть выполнены в виде одного витка каждая и все совместно размещены во внутренней полости сердечника трансформатора.

Рекуперационная обмотка может быть выполнена единой в виде навитых на сердечник трансформатора витков в количестве, равном числу витков рабочих обмоток, и размещенных совместно с последними во внутренней полости сердечника трансформатора.

На фиг. 1-8 представлены принципиальные схемы предлагаемых вариантов устройства нивелирования разбаланса напряжений на соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или батареях.

Устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках 1 аккумуляторной батареи 2 или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях 2, содержащее трансформатор 3 с рабочими обмотками 4 на сердечнике 5, число которых соответствует числу ячеек 1 или батарей 2, при этом каждая из рабочих обмоток 4 имеет одинаковое число витков, управляющий ключевой элемент 6, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой 4 в соответствующей ячейке 1 или батарее 2, причем управляющий ключевой элемент 6 и рабочие обмотки 4 в каждой соответствующей ячейке 1 или батарее 2 соединены параллельно друг с другом через одну из ячеек 1 или батарей 2, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания 7, генератора импульсов 8, драйвера управления 9 и формирователя импульсов управления 10 ключевыми элементами 6, выполненного в виде соединенной с управляющим входом каждого ключевого элемента 6 соответствующей емкости 11, и параллельно соединенных друг с другом резистора 12 и диода 13, соединенных с управляющим входом соответствующего ключевого элемента 6 и соответствующей ячейкой 1 или батареей 2, причем генератор импульсов 8 посредством цепи питания системы управления через выход источника питания 14 и коммутирующий элемент питания 7 соединен с выводами (клеммами) аккумуляторной батареи 2, соответствующие емкости 11 формирователя импульсов управления 10, объединенные общим выводом 15, соединены с выходом драйвера управления 9, входом подключенного к выходу генератора импульсов 8, с возможностью обеспечения подачи управляющего выходного сигнала на каждый ключевой элемент 6 для их одновременного высокочастотного включения и выключения с последующей передачей энергии от ячейки 1' с самым высоким зарядом к ячейке 1'' с меньшим зарядом посредством трансформатора 3, напряжение на каждой обмотке 4 которого является напряжением ячейки 1', имеющей самое высокое напряжение, а система размагничивания 16 трансформатора 3 соединена с цепью питания устройства (фиг. 1).

Система размагничивания 16 трансформатора 3 предназначена для рекуперации в цепь питания устройства запасаемой во время рабочего импульса энергии намагничивания в сердечнике 5 трансформатора 3.

Источник питания 14 предназначен для согласования уровня напряжения цепи питания системы управления с напряжением цепи питания всего устройства (например, с напряжением батареи) и обеспечения номинальных параметров напряжения питания системы управления при любых нестабильностях и изменениях напряжения в цепи питания.

В качестве источника питания 14 может быть использован источник питания постоянного напряжения в виде стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное импульсного или непрерывного типов (например, в виде микросхемы 142 серии).

Драйвер управления 9 предназначен для усиления и согласования выходных сигналов генератора импульсов 8 с входными цепями формирователя импульсов управления 10.

В качестве драйвера управления 9 может быть использован усилитель мощности постоянного тока (напряжения) в дискретном или микросхемном исполнениях, например транзисторный эмиттерный повторитель на комплементарной паре КТ3102 и КТ3107.

В устройство может быть дополнительно введен дополнительный (второй) источник питания 17, при этом (первый) источник питания 14 подсоединен через коммутирующий элемент питания 7 к (выводам) клеммам аккумуляторной батареи 2 или к дополнительному (второму) источнику питания 17 и может быть выполнен в виде стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное, драйвер управления 9 может быть выполнен в виде транзисторного эмиттерного повторителя или в микросхемном исполнении, система размагничивания трансформатора 16 может быть выполнена в виде дополнительных рекуперационных обмоток 18 и диодов 19, число которых соответствует числу рабочих обмоток 4 трансформатора 3, при этом выход каждой дополнительной рекуперационной обмотки соединен последовательно через анод с соответствующим дополнительным рекуперационным диодом 19, а вместе они подсоединены параллельно-встречно к выводам (клеммам) соответствующей ячейки 1 или батареи 2, управляющие ключевые элементы 6 могут быть выполнены в виде полевых транзисторов, при этом в качестве управляющего входа соответствующего ключевого элемента 6 использован затвор 20 соответствующего полевого транзистора 6, истоки 21 подсоединены к соответствующим выводам (клеммам) ячеек 1 или батарей 2, а стоки 22 - к соответствующим рабочим обмоткам 4 трансформатора 3, а генератор импульсов 8 может быть выполнен в виде мультивибратора в микросхемном или дискретном исполнении (фиг. 2).

Дополнительный (второй) источник питания 17 предназначен для разделения цепей питания системы управления и аккумуляторной батареи с целью расширения функциональных возможностей устройства. Требование разделения цепей питания бывает необходимо при лабораторных исследованиях батарей различного количественного состава с помощью одного универсального устройства нивелирования разбаланса, а также при необходимости изменения числа элементов в батареях без замены всего устройства.

В качестве дополнительных рекуперационных обмоток 18 могут быть использованы, например, обмотки, пропущенные вместе с рабочими обмотками 4 через общий сердечник (магнитопровод) 5 трансформатора 3.

В качестве дополнительных диодов 19 могут быть использованы любые маломощные быстродействующие диоды, например КД510А.

В качестве управляющих ключевых элементов 6 могут быть использованы, например, полевые транзисторы IRFZ46N. Возможно применение полевых МДП транзисторов с p-каналом и n-каналом. В зависимости от использования транзисторов с p-каналом или n-каналом диод 13 подключается к затвору управляющего элемента 6 с противоположной полярностью (аналогично по I или III вариантам выполнения устройства нивелирования разбаланса напряжений (фиг. 1, 8)).

В качестве генератора импульсов 8 может быть использован мультивибратор в микросхемном или дискретном исполнении, выполненный, например, на микросхеме 561ТЛ1, с выходным управляющим квадратно-волновым сигналом, и с частотой включения управляющего выходного сигнала, превышающей частоту слышимости.

В устройство может быть дополнительно введено зарядное устройство 23, установленное между дополнительным источником питания 17 и аккумуляторной батареей 2, система размагничивания 16 трансформатора 3 может быть выполнена в виде дополнительных рекуперационных обмотки 24 и диода 25, включенных параллельно-встречно в цепь питания устройства, при этом дополнительная рекуперационная обмотка 24 входом соединена через катод с дополнительным рекуперационным диодом 25, а выходом - с входом 26 или выходом 27 источника питания 14 или с выводами (клеммами) аккумуляторной батареи 2 (фиг. 3).

Зарядное устройство 23 предназначено для обеспечения заряда батареи 2 при питании устройства от источника питания 17.

В качестве зарядного устройства 23 может быть использовано любое подходящее по выходным параметрам зарядное устройство, например импульсного типа, имеющееся в продаже.

В качестве дополнительной рекуперационной обмотки 24 может быть использована, например, обмотка, равномерно навитая на сердечник (магнитопровод) 5 трансформатора 3 и имеющая число витков, равное сумме витков рабочих обмоток 4.

В качестве дополнительного диода 25 может быть использован любой подходящий по параметрам стандартный имеющийся в продаже диод.

В устройство может быть дополнительно введен блок компараторов напряжения 26 аккумуляторной батареи 2, содержащий субблок источников опорного напряжения 27, субблок делителей напряжения 28, субблок компараторов включения/отключения верхнего и нижнего уровней 29, один вход которого связан через соответствующие делители напряжения 28 с клеммами аккумуляторной батареи 2, другой вход соединен с соответствующими источниками опорного напряжения 27, при этом выход блока компараторов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента питания 7 (фиг. 4).

Блок компараторов напряжения 26 аккумуляторной батареи 2 предназначен для автоматического включения и отключения устройства в зависимости от положения рабочей точки на зарядно-разрядной характеристике батареи 2 и ее текущего энергетического состояния.

Субблок источников опорного напряжения 27 предназначен для установки необходимых уровней срабатывания компараторов 29 включения/отключения верхнего и нижнего уровней при изменении напряжения на батарее 2.

В качестве источников опорного напряжения 27 могут быть использованы, например, стабилитроны с ограничительными резисторами, имеющиеся в продаже, с соответствующими характеристиками.

Субблок делителей напряжения 28 предназначен для согласования уровней напряжения батареи 2 и входного напряжения соответствующих компараторов 29.

В качестве делителей напряжения 28 могут быть использованы, например, стандартные продажные резисторы соответствующего класса точности.

Субблок компараторов 29 включения/отключения верхнего и нижнего уровней предназначен для формирования на своем выходе сигналов включения/отключения коммутирующего элемента питания 7, тем самым обеспечивая режим нивелирования устройства при нахождении батареи 2 на верхнем, либо на нижнем уровне заряженности.

В качестве компараторов 29 включения/отключения верхнего и нижнего уровней могут быть использованы любые компараторы напряжения, например, компараторы, входящие в состав микросхемы 1401СА1.

В устройстве каждая рекуперационная обмотка 18 и рабочая обмотка 4 могут быть выполнены в виде одного витка 30 каждая и все совместно размещены во внутренней полости 31 сердечника 5 трансформатора 3 (фиг. 5).

Рекуперационная обмотка 24 может быть выполнена намотанной на сердечник 5 трансформатора 3 и иметь количество витков, равное сумме витков рабочих обмоток 4, размещенных во внутренней полости 31 совместно с единственной рекуперационной обмоткой 24 сердечника 5 того же трансформатора 3 (фиг. 6).

Устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках 1 аккумуляторной батареи 2 или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях 2, содержащее трансформатор 3 с рабочими обмотками 4 на сердечнике 5, число которых соответствует числу ячеек 1 или батарей 2, при этом каждая из рабочих обмоток 4 имеет одинаковое число витков, управляющий ключевой элемент 6, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой 4 в соответствующей ячейке 1 или батарее 2, причем управляющий ключевой элемент 6, формирователь импульсов его управления и рабочие обмотки 4 в каждой соответствующей ячейке 1 или батарее 2 соединены параллельно друг с другом через одну из ячеек 1 или батарей 2, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания 7, генератора импульсов 8, драйвера управления 9 и формирователя импульсов управления 10 ключевыми элементами 6, выполненного в виде соединенного с управляющим входом каждого ключевого элемента 6 через соответствующие трансформаторные выходные обмотки 32 преобразователя постоянного напряжения 33 с выходом драйвера управления 9, входом подключенного к выходу генератора импульсов 8, с возможностью обеспечения подачи управляющего выходного сигнала на каждый ключевой элемент 6 для их одновременного высокочастотного включения и выключения с последующей передачей энергии от ячейки 1' с самым высоким зарядом к ячейке 1'' с меньшим зарядом посредством трансформатора 3, напряжение на каждой обмотке 4 которого является напряжением ячейки 1', имеющей самое высокое напряжение, при этом генератор импульсов 8 посредством цепи питания системы управления через выход источника питания 14 и коммутирующий элемент питания 7 соединен с выводами (клеммами) аккумуляторной батареи 2, система размагничивания 16 трансформатора 3 может быть выполнена в виде дополнительных рекуперационной обмотки 24 и диода 25, число которых соответствует числу рабочих обмоток 4 трансформатора 3, при этом выход каждой дополнительной рекуперационной обмотки 24 соединен последовательно через катод с соответствующим дополнительным рекуперационным диодом 25, причем соответствующие дополнительные рекуперационные обмотка 24 и диод 25 подсоединены параллельно-встречно к выводам соответствующей ячейки 1 или батареи 2, а преобразователь постоянного напряжения 33 с трансформаторными выходными обмотками 32 выполнен в виде дополнительного трансформатора 34 со второй рабочей 35, второй рекуперационной 36 и выходными 32 обмотками и вторым рекуперационным диодом 37, при этом точка соединения вторых рабочей 35 и рекуперационной 36 обмоток соединена с выходом источника питания 14 и цепью питания системы управления, выход драйвера управления 9 соединен с управляющим входом дополнительного коммутирующего элемента 38, включенного последовательно со второй рабочей обмоткой 35, а второй рекуперационный диод 37 через катод соединен последовательно со второй рекуперационной обмоткой 36 (фиг. 7).

Преобразователь постоянного напряжения 33 с трансформаторными выходными обмотками 32 предназначен для обеспечения гальванической развязки между силовыми цепями и цепями управления устройства нивелирования.

На схеме представлен простейший вариант выполнения выходных цепей трансформатора управления. Возможно применение любого другого из известных вариантов, см., например [Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник/Под ред. В.П. Дьяконова. - М.: Радио и связь, 1994].

Дополнительный управляемый коммутирующий элемент 38 выполняет роль силового исполнительного органа преобразователя 33.

В качестве дополнительного управляемого коммутирующего элемента 38 может быть использован, например, биполярный или полевой транзистор соответствующего типа.

Дополнительный трансформатор 34 со второй рабочей 35, второй рекуперационной 36 и выходными 32 обмотками и вторым рекуперационным диодом 37 являются составными частями преобразователя 33.

В качестве дополнительного трансформатора 34 может быть использован любой подходящий стандартный продажный трансформатор серийного или индивидуального исполнения, рассчитанный на требуемую частоту преобразования.

Второй рекуперационный диод 37 предназначен для рекуперации энергии намагничивания трансформатора 34 в цепь питания устройства.

В качестве второго рекуперационного диода 37 может быть использован любой стандартный диод с соответствующими характеристиками, например КД510А.

В устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках 1 аккумуляторной батареи 2 или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях 2 (по фиг. 7) может быть дополнительно введен дополнительный (второй) источник питания 17, при этом (первый) источник питания постоянного напряжения 14 подсоединен через коммутирующий элемент питания 7 к внешним клеммам аккумуляторной батареи 2 или к дополнительному (второму) источнику питания 17 и может быть выполнен в виде стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное, драйвер управления 9 может быть выполнен в виде усилителя мощности постоянного тока (напряжения) в дискретном или микросхемном исполнениях, управляющие ключевые элементы 6 могут быть выполнены в виде полевых транзисторов, при этом в качестве управляющего входа соответствующего ключевого элемента 6 использован затвор 20 соответствующего полевого транзистора, истоки 21 подсоединены к соответствующим клеммам ячеек 1 или батарей 2, а стоки 22 - к соответствующим рабочим обмоткам 4 трансформатора 3, а генератор импульсов 8 может быть выполнен в виде мультивибратора в микросхемном или дискретном исполнении (в соответствии с фиг.2).

В устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках 1 аккумуляторной батареи 2 или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях 2 (по фиг. 7) может быть дополнительно введено зарядное устройство 23, установленное между дополнительным источником питания 17 и аккумуляторной батареей 2, система размагничивания 16 трансформатора 3 может быть выполнена в виде дополнительных последовательно соединенных рекуперационных обмотки 24 и диода 25, включенных параллельно-встречно в цепь питания системы управления, при этом дополнительная рекуперационная обмотка 24 входом соединена через катод с дополнительным рекуперационным диодом 25, а выходом - с входом или выходом источника питания 14 постоянного напряжения или с выводами (клеммами) аккумуляторной батареи 2 (в соответствии с фиг. 3).

В устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках 1 аккумуляторной батареи 2 или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях 2 (по фиг. 7) может быть дополнительно введен блок компараторов напряжения 26 аккумуляторной батареи 2, содержащий субблок источников опорного напряжения 27, субблок делителей напряжения 28, субблок компараторов 29 включения/отключения верхнего и нижнего уровней, один вход которого связан через соответствующие делители напряжения 28 с выводами (клеммами) аккумуляторной батареи 2, другой вход соединен с соответствующими источниками опорного напряжения 27, при этом выход блока компараторов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента питания 7 (в соответствии с фиг. 4).

Устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках 1 аккумуляторной батареи 2 или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях 2, содержащее трансформатор 3 с рабочими обмотками 4 на общем сердечнике 5, число которых соответствует числу ячеек 1 или батарей 2, при этом каждая из рабочих обмоток 4 имеет одинаковое число витков, управляющий ключевой элемент 6, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой 4 в соответствующей ячейке 1 или батарее 2, причем управляющий ключевой элемент 6, формирователь импульсов его управления и рабочие обмотки 4 в каждой соответствующей ячейке 1 или батарее 2 соединены параллельно друг с другом через одну из ячеек 1 или батарей 2, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания 7, генератора импульсов 8, драйвера управления 9 и формирователя импульсов управления 10 ключевыми элементами 6, выполненного в виде соединенной с управляющим входом каждого ключевого элемента 6 последовательно соединенных емкостей 39, подключенных к соответствующим управляющим входам ключевых элементов 6, и параллельно соединенных попарно друг с другом резисторов 12 и соответствующих им диодов 13, включенных между управляющими входами ключевых элементов 6 и соответствующими ячейками 1 или батареями 2, причем диод 13 подсоединен к управляющему входу соответствующего ключевого элемента 6 через катод, при этом генератор импульсов 8 посредством цепи питания системы управления через выход источника питания 14 и коммутирующий элемент питания 7 соединен с выводами (клеммами) аккумуляторной батареи 2, а выходом через драйвер управления 9 и вход формирователя импульсов управления 10 ключевыми элементами 6 - с управляющими входами ключевых элементов, с возможностью обеспечения подачи управляющего выходного сигнала на каждый ключевой элемент 6 для их одновременного высокочастотного включения и выключения с последующей передачей энергии от ячейки 1' с самым высоким зарядом к ячейке 1'' с меньшим зарядом посредством трансформатора 3, напряжение на каждой обмотке 4 которого является напряжением ячейки 1', имеющей самое высокое напряжение, причем генератор импульсов 8 выполнен в виде преобразователя "напряжение-частота" 40, управляющий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя напряжения 41, соединенного входами с выводами (клеммами) аккумуляторной батареи 2, причем вход формирователя импульсов управления 10 ключевыми элементами 6 соединен с преобразователем "напряжение-частота" 40 через выход драйвера управления 9, входом подключенного к выходу преобразователя "напряжение-частота" 40, при этом преобразователь "напряжение-частота" 40 соединен с коммутирующим элементом питания 7 через выход источника питания 14, а система размагничивания 16 трансформатора 3 может быть выполнена в виде дополнительных рекуперационных обмотки 24 и диода 25, соединенных последовательно и включенных параллельно-встречно в цепь питания системы управления, при этом дополнительная рекуперационная обмотка 24 входом соединена через катод с дополнительным рекуперационным диодом 25, а выходом - с выводами аккумуляторной батареи 2 (фиг. 8).

Образователь "напряжение-частота" 40 предназначен для формирования на выходе сигнала управления, частота которого зависит от уровня входного напряжения.

В качестве преобразователя "напряжение-частота" 40 может быть использован, например, однотактный преобразователь постоянного напряжения автогенераторного типа или, например, двухтактный преобразователь постоянного напряжения, например генератор Ройера или, например, управляемый напряжением мультивибратор в дискретном или микросхемном исполнении, например на микросхеме М1143ПП1.

Измерительный преобразователь напряжения 41 предназначен для согласования уровней напряжений аккумуляторной батареи 2 и входного напряжения преобразователя "напряжение-частота" 40.

В качестве измерительного преобразователя напряжения 41 может быть использован, например, резистивный делитель напряжения соответствующего класса точности.

В качестве измерительного преобразователя напряжения может быть использован, например, преобразователь напряжения с гальванической развязкой.

В устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках 1 аккумуляторной батареи 2 или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях 2 (по фиг. 8) может быть дополнительно введен дополнительный (второй) источник питания 17, при этом (первый) источник питания 14 подсоединен через коммутирующий элемент питания 7 к выводам (клеммам) аккумуляторной батареи 2 или к дополнительному (второму) источнику питания 17 и может быть выполнен в виде стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное, драйвер управления 9 может быть выполнен в виде усилителя мощности постоянного тока (напряжения) в дискретном или микросхемном исполнениях, управляющие ключевые элементы 6 могут быть выполнены в виде полевых транзисторов, при этом в качестве управляющего входа соответствующего ключевого элемента 6 использован затвор 20 соответствующего полевого транзистора, истоки 21 подсоединены к соответствующим клеммам ячеек 1 или батарей 2, а стоки 22 - к соответствующим рабочим обмоткам 4 трансформатора 3, а генератор импульсов 8 может быть выполнен в виде управляемого мультивибратора в микросхемном или дискретном исполнении (в соответствии с фиг. 2).

В устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках 1 аккумуляторной батареи 2 или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях 2 (по фиг. 8) может быть дополнительно введено зарядное устройство 23, установленное между дополнительным источником питания 17 и аккумуляторной батареей 2, система размагничивания 16 трансформатора 3 может быть выполнена в виде дополнительных рекуперационных обмоток 18 и диодов 19, включенных параллельно-встречно с соответствующими ячейками 1 или батареями 2, при этом выход каждой дополнительной рекуперационной обмотки 18 соединен последовательно через анод с соответствующим дополнительным рекуперационным диодом 19, причем соответствующие дополнительные рекуперационные обмотка 18 и диод 19 подсоединены параллельно-встречно к выводам соответствующей ячейки 1 или с клеммами аккумуляторной батареи 2 (в соответствии с фиг. 3).

В устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках 1 аккумуляторной батареи 2 или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях 2 (по фиг. 8) может быть дополнительно введен блок компараторов напряжения аккумуляторной батареи 26, содержащий субблок источников опорного напряжения 27, субблок делителей напряжения 28, субблок компараторов 29 включения/отключения верхнего и нижнего уровней, одни входы которых связаны через соответствующие делители напряжения 28 с выводами (клеммами) аккумуляторной батареи 2, другие входы с соответствующими источниками опорного напряжения 27, при этом выход блока компараторов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента питания 7 (в соответствии с фиг. 4).

Устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях работает следующим образом.

При выключенном положении коммутирующего элемента питания 7 устройство нивелирования находится в отключенном состоянии и не влияет на состояние аккумуляторной батареи и величину разбаланса между отдельными ячейками 1 (элементами) или батареями 2 (см. фиг. 1).

После включения коммутирующего элемента питания 7 напряжение питания устройства (в данном случае напряжение батареи) подается через источник питания 14 в цепь питания системы управления устройства. Источник питания 14 обеспечивает необходимое качество и стабильность напряжения в системе управления независимо от диапазона изменения и параметров входного напряжения. Генератор импульсов 8 генерирует на своем выходе сигналы прямоугольной формы, которые усиливаются до необходимого уровня драйвером управления 9 и подаются на вход 15 формирователя импульсов управления 10, распределяясь через параллельно соединенные емкости (конденсаторы) 11 между соответствующими управляющими входами ключевых элементов 6. При этом обеспечивается синхронное включение и выключение соответствующих ключевых элементов 6 и последовательно соединенных с ними рабочих обмоток 4 параллельно соответствующим ячейкам 1 или батареям 2 в соответствии с управляющими сигналами генератора импульсов 8. Наличие источника питания 14 и драйвера управления 9 обеспечивает надежное управление ключевыми элементами 6 во всех режимах работы устройства независимо от текущего состояния и параметров батареи 2 и элементов схемы.

Во время открытого состояния ключевых элементов 6 к каждой из рабочих обмоток 4 прикладывается напряжение соответствующей ячейки 1 или батареи 2. Так как все рабочие обмотки 4 имеют одинаковое число витков и расположены на общем сердечнике 5 трансформатора 3, то в сердечнике возникает общий электромагнитный поток, наводящий в каждой рабочей обмотке 4 ток, величина которого пропорциональна разности напряжений на рабочих обмотках 4, а направление противоположно направлению общего потока. При этом энергия разбаланса перераспределяется между отдельными ячейками 1 или батареями 2, нивелируя (выравнивая) напряжения между ними. Скорость нивелирования разбаланса пропорциональна разности напряжений между отдельными ячейками и обратно пропорциональна величине эквивалентного сопротивления выравнивающих цепей, состоящих из ключевых элементов 6 и рабочих обмоток 4 трансформатора 3. Точность нивелирования напряжений между ячейками зависит от идентичности параметров цепей выравнивания.

Во время паузы накопленная в трансформаторе 3 энергия намагничивания рекуперируется в цепь питания устройства. В зависимости от алгоритма работы, мощности устройства, величины энергии намагничивания трансформатора, а также требований к собственному энергопотреблению устройства эта энергия может быть рекуперирована в отдельные ячейки 1 батареи 2 (фиг. 2), в аккумуляторную батарею 2 (фиг. 1, 3), во входную цепь источника питания 14 (фиг. 3, пунктир), в выходную цепь источника питания 14 (фиг. 3, штрихпунктир). Рекуперация энергии намагничивания повышает энергетическую эффективность устройства.

Таким образом, через определенный промежуток времени, определяемый скоростью выравнивания (нивелирования), напряжения на отдельных ячейках (аккумуляторах) 1 или батареях 2 выравнятся.

В ряде случаев, например в системах бесперебойного электроснабжения, питание устройства нивелирования более эффективно обеспечивается не от батареи 2, а от дополнительного (с точки зрения заявки, но основного с точки зрения работы системы) источника питания 17 (фиг. 2). Данное техническое решение позволяет увеличить длительность автономного хранения батареи при отключенной нагрузке вследствие снижения уровня потребления устройства от батареи. Кроме того, данное решение более универсально, т.к. позволяет использовать одну схему управления для батарей различного количественного состава.

В ряде систем электроснабжения необходимо применение дополнительного зарядного устройства 23 (фиг. 3) для аккумуляторной батареи 2, позволяющего повысить эксплуатационные характеристики системы. При этом зарядное устройство 23 обеспечивает в автоматическом режиме необходимое текущее энергетическое состояние батареи за счет энергии источника питания 17, а устройство нивелирования обеспечивает отсутствие разбаланса напряжений между отдельными ячейками 1 или батареями 2. Энергия намагничивания трансформатора 3 может быть рекуперирована при этом не только в цепь батареи 2, но также во входную цепь источника питания 14 (пунктир), либо в выходную цепь источника питания 14 (штрихпунктир).

Блок компараторов 26 (фиг. 4) контролирует текущий уровень напряжения на батарее 2 и управляет включением/отключением устройства через коммутирующий элемент питания 7. Устройство включено и работает в активном режиме выравнивания напряжения при высоком уровне заряженности батареи 2 (например, более 80% емкости) и при низком уровне заряженности батареи 2 (например, менее 30% емкости), т.е. на так называемых "крутых" участках зарядно-разрядных характеристик батареи, характеризующихся максимальным разбалансом между элементами. При среднем уровне заряженности батареи, соответствующем пологому участку рабочей характеристики элементов батареи, устройство выключено и не работает в активном режиме. При глубоком разряде батареи устройство также выключается.

Трансформатор 3 состоит из сердечника 5 в виде полого цилиндра из соответствующего магнитного материала, например феррита типа "трубы", длина которой L намного больше ее диаметра D (L > D). Внутри сердечника - "трубы" 5 расположены рабочие обмотки 4, каждая из которых состоит из одного витка и представляет собой отрезок изолированного провода определенной длины (все отрезки проводов равны между собой), один конец которого является "началом" (помечен на схемах точкой), а другой - "концом" (фиг. 5, 6). Рекуперационные обмотки могут быть выполнены двумя способами.

На фиг. 5 показан трансформатор 3 с рекуперационными обмотками 18, число которых равно числу рабочих обмоток 4, состоящих из одного витка каждая, и вместе с рабочими обмотками 4 заполняют сердечник - "трубу" 5.

На фиг. 6 представлен трансформатор 3 с одной рекуперационной обмоткой 24, содержащей N витков, равное числу рабочих обмоток 4 и равномерно намотанной на сердечник - "трубу" 5 вдоль ее длины.

Данные технические решения по конструктивному выполнению трансформатора 3 снижают индуктивность рассеяния обмоток, повышают магнитную связь между обмотками трансформатора, повышают технологичность выполнения трансформатора.

В качестве второго варианта выполнения технического решения в соответствии с формулой изобретения вместо потенциальных цепей управления затворами силовых транзисторов формирователь импульсов управления 10 ключевыми элементами 6 выполнен в виде магнитно-транзисторного преобразователя 33 (фиг. 7). При этом управление включением/отключением ключевых элементов 6 происходит аналогично варианту с потенциальным управлением, рассмотренным выше (фиг. 1, 2, 3, 4). Генератор импульсов 8 формирует на своем выходе сигналы управления, подаваемые через драйвер 9 на вход дополнительного ключевого элемента 38 преобразователя 33. При замыкании ключа 38 на выходных обмотках 32 одновременно формируются импульсы напряжения, открывающие ключи 6. При размыкании ключа 38 на выходных обмотках 32 формируется напряжение обратной полярности, закрывающее ключи 6. Накопленная за время замкнутого состояния ключа 38 в сердечнике дополнительного трансформатора 34 энергия намагничивания рекуперируется посредством рекуперационных обмотки 36 и диода 37 в цепь питания схемы управления, например на выход источника питания 14. Таким образом, происходит частотное включение/отключение ключевых элементов 6, обеспечивающее выравнивание разбаланса напряжений на отдельных элементах 1 или батареях 2.

В качестве третьего варианта выполнения технического решения в соответствии с формулой изобретения вместо генератора импульсов 8 введены преобразователь "напряжение-частота" 40 и измерительный преобразователь напряжения 41 аккумуляторной батареи 2. При этом частота выходных сигналов управления ключами 6 зависит от уровня напряжения батареи 2, что способствует более эффективному использованию трансформатора 3 при любом уровне напряжения на батарее. В известных технических решениях сечение сердечника трансформатора рассчитывается исходя из максимально возможного напряжения на отдельных ячейках 1. При низких напряжениях на элементах 1 батареи 2 и постоянной частоте переключения ключевых элементов 6 сечение сердечника трансформатора является завышенным, т.е. недоиспользуется. При изменении частоты переключений в зависимости от текущего уровня напряжения, сердечник трансформатора используется одинаково во всех режимах работы батареи, что улучшает массогабаритные показатели устройства.

В предлагаемом техническом решении при изменении частоты переключений в зависимости от текущего уровня напряжения сердечник трансформатора используется одинаково во всех режимах работы батареи, что повышает массогабаритные показатели устройства.

Работа устройства нивелирования по третьему варианту аналогична работе первых двух вариантов с тем отличием, что в активном режиме работы частота переключений ключевых элементов 6 зависит от напряжения на аккумуляторной батарее 2. Измерительный преобразователь напряжения подает на вход преобразователя "напряжение-частота" аналоговый сигнал напряжения, пропорциональный напряжению батареи 2. При этом на выходе преобразователя "напряжение-частота" формируется соответствующий высокочастотный сигнал, частота которого пропорциональна напряжению батареи, подаваемый через драйвер управления 9 и формирователь импульсов управления 10 на управляющие входы ключевых элементов 6. Происходит включение/отключение с соответствующей частотой ключевых элементов 6 и рабочих обмоток 4 трансформатора параллельно каждой из ячеек 1, выравнивая напряжения на ячейках по аналогии с рассмотренным выше.

Работа устройства нивелирования по первому, второму и третьему вариантам в случае использования в них трансформатора 3, выполненного в соответствии с фиг. 5, 6, аналогична описанным выше режимам работы этих устройств в соответствии с указанными вариантами.

Предлагаемые выше технические решения позволяют устранить указанные недостатки известных устройств, а именно: - расширить рабочий диапазон регулирования по напряжению; - уменьшить себестоимость устройства; - снизить выходное эквивалентное сопротивление устройства, повысив тем самым скорость выравнивания напряжений между отдельными элементами батареи; - снизить трудоемкость и повысить эффективность изготовления; - повысить КПД, надежность функционирования и помехоустойчивость; - повысить массогабаритные показатели.

В настоящее время в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской академии наук (ИЗМИРАН) выпущена конструкторская документация на предлагаемые устройства нивелирования, на основании которой изготовлены опытные образцы устройств для батарей, состоящих из 3, 5, 9, 10 и 30 последовательно соединенных элементов. Натурные и лабораторные испытания устройств на батареях аккумуляторов и высокоэнергоемких конденсаторов полностью подтвердили изложенные выше соображения и достоинства предлагаемых технических решений по сравнению с известными.

Формула изобретения

1. Устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или по крайне мере на двух соединенных между собой батареях, содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу ячеек или батарей, при этом каждая из рабочих обмоток имеет одинаковое число витков, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой в соответствующей ячейке или батарее, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератора импульсов и формирователя импульсов управления ключевыми элементами, выполненного в виде соединенной с управляющим входом каждого ключевого элемента соответствующей емкости, и соответствующих параллельно соединенных друг с другом резистора и диода, соединенных с управляющим входом соответствующего ключевого элемента и соответствующей ячейкой или батареей, отличающееся тем, что в него дополнительно введены системы размагничивания трансформатора, источник питания и драйвер управления, установленный в системе управления, при этом соответствующие емкости формирователя импульсов управления ключевыми элементами объединенным общим выводом соединены с выходом драйвера управления, входом подключенного к выходу генератора импульсов, источник питания соединен с коммутирующим элементом питания и выходом - с цепью питания системы управления, а система размагничивания трансформатора соединена с целью питания устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник питания выполнен в виде источника питания постоянного напряжения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что источник питания постоянного напряжения выполнен в виде стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что драйвер управления выполнен в виде усилителя мощности в дискретном или микросхемном исполнениях.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система размагничивания трансформатора выполнена в виде рекуперационных обмоток и диодов, число которых соответствует числу рабочих обмоток трансформатора, при этом выход каждой рекуперационной обмотки соединен последовательно с анодом соответствующего рекуперационного диода, причем соответствующие рекуперационные обмотки и диод соединены параллельно-встречно с выводами соответствующей ячейки или батареи.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система размагничивания трансформатора выполнена в виде рекуперационных обмотки и диода, соединенных последовательно и включенных в цепь питания системы управления, или с входом источника питания, или с выводами аккумуляторной батареи, при этом рекуперационная обмотка входом соединена с катодом рекуперационного диода, а выходом - с входом или выходом источника питания или с выводами аккумуляторной батареи.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введен дополнительный источник питания, соединенный с источником питания, 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введено зарядное устройство, установленное между дополнительным источником питания и аккумуляторной батареей.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок компараторов напряжения аккумуляторной батареи, содержащий источники опорного напряжения, делители напряжения, компараторы включения/отключения верхнего и нижнего уровня, входы которых связаны через соответствующие делители напряжения с выводами аккумуляторной батареи и соответствующими источниками опорного напряжения, при этом выход блока компараторов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента питания.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляющие ключевые элементы выполнены в виде полевых транзисторов, при этом в качестве управляющего входа соответствующего ключевого элемента использован затвор соответствующего полевого транзистора, истоки подсоединены к соответствующим выводам ячеек или батарей, а стоки - к соответствующим рабочим обмоткам трансформатора.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор импульсов выполнен в виде мультивибратора в микросхемном или дискретном исполнении.

12. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что каждая рекуперационная обмотка и рабочая обмотка выполнены в виде одного витка каждая и все совместно размещены во внутренней полости сердечника трансформатора.

13. Устройство по любому из пп.1, 6, 12, отличающееся тем, что рекуперационная обмотка выполнена единой в виде навитых на сердечник трансформатора витков в количестве, равном числу витков рабочих обмоток, и размещенных совместно с последними во внутренней полости сердечника трансформатора.

14. Устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях, содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу ячеек или батарей, при этом каждая из обмоток имеет одинаковое число витков, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой в соответствующей ячейке или батарее, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератора импульсов и формирователя импульсов управления ключевыми элементами, отличающееся тем, что в него дополнительно введены система размагничивания трансформатора, источник питания, драйвер управления, установленный в системе управления, и преобразователь постоянного напряжения с трансформаторными выходными обмотками, установленный в формирователе импульсов управления ключевыми элементами, при этом управляющие входы каждого ключевого элемента соединены через соответствующие выходные обмотки преобразователя постоянного напряжения с выходом драйвера управления, входом подключенного к выходу генератора импульсов, а источник питания соединен с коммутирующим элементом питания и выходом - с цепью питания системы управления, а система размагничивания трансформатора соединена с цепью питания устройства.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что преобразователь постоянного напряжения с трасформаторными выходными обмотками выполнен в виде дополнительного управляемого коммутирующего элемента, дополнительного трансформатора со второй рабочей, рекуперационной и выходными обмотками и рекуперационным диодом, при этом точка соединения второй рабочей и рекуперационной обмоток соединена с цепью питания системы управления, выход драйвера управления соединен с управляющим входом дополнительного коммутирующего элемента, соединенного последовательно со второй рабочей обмоткой, а рекуперационная обмотка соединена последовательно с катодом рекуперационного диода, соединенного с цепью питания устройства.

16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что источник питания выполнен в виде источника питания постоянного напряжения.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что источник питания постоянного напряжения выполнен в виде стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

18. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что драйвер управления выполнен в виде усилителя мощности в дискретном или микросхемном исполнениях.

19. Устройство по п.14, отличающееся тем, что система размагничивания трансформатора выполнена в виде дополнительных рекуперационных обмоток и диодов, число которых соответствует числу рабочих обмоток трансформатора, при этом выход каждой допоонительной рекуперационной обмотки соединен последовательно с анодом соответствующего дополнительного рекуперационного диода, причем соответствующие дополнительные рекуперационные обмотка и диод соединены параллельно-встречно с выводами соответствующей ячейки или батареи.

20. Устройство по п.14, отличающееся тем, что система размагничивания трансформатора выполнена в виде дополнительных рекуперационных обмотки и диода, соединенных последовательно и включенных в цепь питания системы управления, или с входом источника питания, или с выводами аккумуляторной батареи, при этом дополнительная рекуперационная обмотка входом соединена с катодом дополнительного рекуперационного диода, а выходом - с входом или выходом источника питания или с выводами аккумуляторной батареи.

21. Устройство по п.14, отличающееся тем, что в него дополнительно введен дополнительный источник питания, соединенный с источником питания.

22. Устройство по п.14, отличающееся тем, что в него дополнительно введено зарядное устройство, установленное между дополнительным источником питания и аккумуляторной батареей.

23. Устройство по п.14, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок компараторов напряжения аккумуляторной батареи, содержащей источник опорного напряжения, делители напряжения, компараторы включения/отключения верхнего и нижнего уровня, входы которых связаны через соответствующие делители напряжения с клеммами аккумуляторной батареи и соответствующими источниками опорного напряжения, при этом выход блока компараторов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента питания.

24. Устройство по п.14, отличающееся тем, что управляющие ключевые элементы выполнены в виде полевых транзисторов, при этом в качестве управляющего входа соответствующего ключевого элемента использован затвор соответствующего полевого транзистора, истоки подсоединены к соответствующим клеммам ячеек или батарей, а стоки - к соответствующим рабочим обмоткам трансформатора.

25. Устройство по п.14, отличающееся тем, что генератор импульсов выполнен в виде мультивибратора в микросхемном или дискретном исполнении.

26. Устройство по любому из пп.14, 15, 20, отличающееся тем, что каждая рекуперационная обмотка и рабочая обмотка выполнены в виде одного витка каждая и все совместно размещены во внутренней полости сердечника трансформатора.

27. Устройство по любому из пп.14, 15, 19, 26, отличающееся тем, что рекуперационная обмотка выполнена единой в виде навитых на сердечник трансформатора витков в количестве, равном числу витков рабочих обмоток, и размещенных совместно с последними во внутренней полости сердечника трансформатора.

28. Устройство нивелирования разбаланса напряжений по крайней мере на двух соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или по крайней мере на двух соединенных между собой батареях, содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу ячеек или батарей, при этом каждая из обмоток имеет одинаковое число витков, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой в соответствующей ячейке или батарее, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератора импульсов и формирователя импульсов управления ключевыми элементами, выполненного в виде последовательно соединенных емкостей, подключенных к соответствующим управляющим входам ключевых элементов, и параллельно соединенных попарно друг с другом резисторов и соответствующих им диодов, соединенных с управляющим входом соответствующего ключевого элемента и соответствующей ячейкой или батареей, отличающееся тем, что в него дополнительно введены система размагничивания трансформатора, источник питания, драйвер управления и измерительный преобразователь постоянного напряжения, установленные в системе управления ключевыми элементами, при этом генератор импульсов выполнен в виде преобразователя напряжение - частота, управляющий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя постоянного напряжения, соединенного входами с выводами аккумуляторной батареи, причем вход формирователя импульсов управления ключевыми элементами соединен с выходом драйвера управления, входом подключенного к выходу преобразователя напряжение - частота, источник питания соединен входом с коммутирующим элементом питания и выходом - с цепью питания системы управления, а система размагничивания трансформатора соединена с цепью питания устройства.

29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что преобразователь напряжение - частота выполнен в виде однотактного преобразователя постоянного напряжения.

30. Устройство по п.28, отличающееся тем, что преобразователь напряжение - частота выполнен в виде двухтактного преобразователя постоянного напряжения, например генератора Ройера.

31. Устройство по п.28, отличающееся тем, что преобразователь напряжение - частота выполнен в виде управляемого мультивибратора в микросхемном или дискретном исполнении.

32. Устройство по п.28, отличающееся тем, что измерительный преобразователь напряжения выполнен в виде резистивного делителя напряжения.

33. Устройство по п.28, отличающееся тем, что измерительный преобразователь напряжения выполнен в виде преобразователя с гальванической развязкой.

34. Устройство по п.33, отличающееся тем, что источник питания выполнен в виде источника питания постоянного напряжения.

35. Устройство по п.28, отличающееся тем, что источник питания постоянного напряжения выполнен в виде стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

36. Устройство по п. 28, отличающееся тем, что драйвер управления выполнен в виде усилителя мощности в дискретном или микросхемном исполнениях.

37. Устройство по п.28, отличающееся тем, что система размагничивания трансформатора выполнена в виде рекуперационных обмоток и диодов, число которых соответствует числу рабочих обмоток трансформатора, при этом выход каждой рекуперационной обмотки соединен последовательно с анодом соответствующего рекуперационного диода, причем соответствующие рекуперационные обмотки и диод соединены параллельно-встречно с выводами соответствующей ячейки или батареей.

38. Устройство по п.28, отличающееся тем, что система размагничивания трансформатора выполнена в виде рекуперационных обмоток и диода, соединенных последовательно и включенных в цепь питания системы управления, при этом рекуперационная обмотка соединена с катодом рекуперационного диода, а выходом - с входом или выходом источника питания или с выводами аккумуляторной батареи, рекуперационная обмотка входом соединена с катодом рекуперационного диода.

39. Устройство по п.28, отличающееся тем, что в него дополнительно введен дополнительный источник питания, соединенный с источником питания.

40. Устройство по п.28, отличающееся тем, что в него дополнительно введено зарядное устройство, установленное между дополнительным источником питания и аккумуляторной батареи.

41. Устройство по п.28, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок компараторов напряжения аккумуляторной батареи, содержащий источник опорного напряжения, делители напряжения, компараторы включения/отключения, верхнего и нижнего уровня, входы которых связаны через соответствующие делители напряжения с выводами аккумуляторной батареи и соответствующими источниками опорного напряжения, при этом выход блока компараторов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента питания.

42. Устройство по п. 28, отличающееся тем, что управляющие ключевые элементы выполнены в виде полевых транзисторов, при этом в качестве управляющего входа соответствующего ключевого элемента использован затвор соответствующего полевого транзистора, истоки подсоединены к соответствующим выводам ячеек или батарей, а стоки - к соответствующим рабочим обмоткам трансформатора.

43. Устройство по любому из пп. 28, 37, отличающееся тем, что каждая рекуперационная обмотка и рабочая обмотка выполнены в виде одного витка каждая и все совместно размещены во внутренней полости сердечника трансформатора.

44. Устройство по любому из пп.28, 38, 43, отличающееся тем, что рекуперационная обмотка выполнена единой в виде навитых на сердечник трансформатора витков в количестве, равном числу витков рабочих обмоток, и размещенных совместно с последними во внутренней полости сердечника трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8