Устройство для поэлементного выравнивания емкостей никель-водородных аккумуляторов, соединенных в батарею последовательно

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - более точное выравнивание по емкости отдельных аккумуляторов в батарее при минимальных энергозатратах. За счет увеличения глубины циклирования и исключения переполюсовки «слабых» аккумуляторов снизился ресурсный спад по емкости АБ, что равнозначно увеличению эффективной емкости в конце срока активного существования космического аппарата. Устройство содержит контакт для подключения к крайним клеммам аккумуляторной батареи, 2n выходных клемм, генератор переменного напряжения с трансформаторным выходом, n управляемых выпрямителей, выходы которых присоединены к соответствующим одноименным клеммам аккумуляторов, n тензодатчиков, первый и второй коммутаторы, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и источник управляющего напряжения. Выходы n тензодатчиков присоединены к n входам первого коммутатора, выход первого коммутатора присоединен к входу измерительного усилителя, а его выход к входу аналого-цифрового преобразователя. Выход аналого-цифрового преобразователя соединен с шиной данных микропроцессора, которая соединена с управляющими входами первого и второго коммутаторов. Вход второго коммутатора соединен с выходом источника управляющего напряжения, а n выходов второго коммутатора - с управляющими входами n управляемых выпрямителей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в автономных системах электроснабжения, преимущественно, космических аппаратов.

Достигнутый уровень техники характеризуется устройствами, работающими совместно с аккумуляторными батареями (АБ) и повышающими надежность их эксплуатации. Известно устройство для контроля напряжения n аккумуляторов (А.С. №619987, H 01 M 10/48), к недостаткам которого следует отнести невозможность контроля текущих значений емкостей отдельных аккумуляторов, соединенных в батарею последовательно, а значит и неустранимость расхождения их по емкости, которое происходит в результате многократного чередования зарядов и разрядов - циклирования, так как срабатывание одного из чувствительных элементов - датчиков минимальных напряжений - соответствует понижению напряжения на "слабом" аккумуляторе до уровня, когда его остаточная емкость равна нулю. Это устройство выполняет функцию защиты, и по сигналу от "слабого" аккумулятора отключает от нагрузки всю АБ. Таким образом, при работе указанного аналога происходит безвозвратная потеря емкости АБ, равная разности текущих емкостей "слабого" и "сильного" аккумуляторов, накапливаемая в процессе циклирования.

Известно также устройство для поэлементного выравнивания напряжений на аккумуляторной батарее (А.С. №748587, H 01 M 10/42). Это устройство содержит n выходных клемм, генератор переменного напряжения с трансформаторным выходом, клеммы питания которого присоединены к крайним выходным клеммам аккумуляторной батареи, с n выходными обмотками, n разрядных цепей, присоединенных к соответствующим клеммам, а каждая разрядная цепь состоит из последовательно соединенных резистора и ключа, причем нечетные выходные обмотки генератора переменного напряжения присоединены началами к клеммам для подключения плюсовых борнов аккумуляторов, а концами к первым выходам элементов сравнения, четные обмотки присоединены концами к клеммам для подключения плюсовых борнов аккумуляторов, а началами - к первым входам элементов сравнения, вторые выходы которых подключены к клеммам для подключения минусовых борнов соответствующих аккумуляторов, а выходы элементов сравнения соединены с управляющими входами ключей соответствующих разрядных цепей.

К недостаткам этого аналога относятся:

- большие энергозатраты, обусловленные тем, что выравнивание достигается за счет шунтирования "сильных" аккумуляторов, емкость которых (а значит и напряжение на которых) больше или равна средней. При шунтировании скорость заряда "сильных" аккумуляторов замедляется, и "слабые" догоняют по емкости "сильные", поэтому часть энергии, идущей на заряд, рассеивается в виде тепла на разрядных цепях "сильных" аккумуляторов;

- неудовлетворительная точность выравнивания, обусловленная тем, что крутизна как зарядной, так и разрядной характеристик в большей части диапазона емкостей мала, напряжение на отдельном аккумуляторе не однозначно связано с его текущей емкостью, а зависит от температуры и внутреннего сопротивления, которые у разных аккумуляторов могут отличаться, поэтому указанная разбежка может привести к результату, обратному желаемому.

Частично эти недостатки устранены в устройстве для поэлементного выравнивания емкостей аккумуляторов, соединенных в батарею последовательно (А.С. №773799, H 01 M 10/42), принятом за прототип. Это устройство содержит n выходных клемм, генератор переменного напряжения с трансформаторным выходом с n выходными обмотками. Клеммы питания генератора переменного напряжения присоединены к крайним выходным клеммам АБ и n управляемых выпрямителей, выходы которых присоединены к соответствующим одноименным выходным клеммам, а n выходов элементов сравнения - с управляющими входами соответствующих управляемых выпрямителей.

К недостаткам указанного прототипа следует отнести то, что включение управляемых выпрямителей, присоединенных своими выходами к соответствующим одноименным клеммам (борнам) аккумуляторов, осуществляется подачей на их управляющие входы сигналов с выходов n элементов сравнения, являющихся по своей сути компараторами, сравнивающими фактическое напряжение на каждом аккумуляторе со средним, которому равно напряжение на выходе каждой из n вторичных обмоток генератора переменного напряжения. Таким образом, выравнивание осуществляется не по емкости непосредственно, а косвенно по напряжению, связанному с текущей емкостью. Следствием такого косвенного измерения (контроля) текущей емкости, учитывая указанную ранее неоднозначную зависимость емкости от напряжения, является неудовлетворительная точность выравнивания и достаточно высокие энергозатраты, хотя энергозатраты в случае использования прототипа будут существенно меньше, чем для вышеназванного аналога.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение - повышение точности выравнивания по емкости никель-водородных аккумуляторов, соединенных в АБ последовательно, и снижение энергозатрат.

Поставленная задача решается введением в устройство, содержащее 2n выходных клемм, генератор переменного напряжения с трансформаторным выходом, клеммы питания которого присоединены к крайним выходным клеммам батареи и n управляемых выпрямителей, выходы которых присоединены к соответствующим одноименным клеммам аккумуляторов, согласно изобретению n тензодатчиков, первого и второго коммутаторов, измерительного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, микропроцессора и источника управляющего напряжения, выходы n тензодатчиков присоединены к n-входам первого коммутатора, выход первого коммутатора присоединен ко входу измерительного усилителя, а его выход - ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с шиной данных микропроцессора и с управляющими входами первого и второго коммутаторов, вход второго коммутатора соединен с выходом источника управляющего напряжения, а n выходов второго коммутатора - с управляющими входами n управляемых выпрямителей.

Тензодатчики выполнены в виде однослойных цилиндрических бифилярных катушек, намотанных на корпусах аккумуляторов.

Физическая осуществимость заявляемого устройства определяется однозначной зависимостью между давлением водорода в корпусе никель-водородного аккумулятора (НВА) и его текущей емкостью (Морозов А.Н. и др. "Формализованная модель никель-водородной аккумуляторной батареи"; Сб. научных трудов ВНИАИ "Химические источники тока", Ленинград, Энергоиздат, 1983, с.87-90). Это позволяет включать управляемые выпрямители только тех аккумуляторов, давление в которых минимальное, в пределе самого "слабого". Измерение (контроль) текущего давления каждого НВА в АБ, а значит и емкости, осуществляется по упругой деформации стенки корпуса, которая тензодатчиком преобразуется в пропорциональное ей напряжение.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для поэлементного выравнивания.

На фиг.2 изображены зависимости давления в НВА от текущей емкости для "сильного", "слабого" и подзаряжаемого заявляемым устройством "слабого" аккумулятора.

Заявляемое устройство для поэлементного выравнивания емкостей НВА, соединенных в батарею последовательно (см. фиг.1), содержит контакт 1, генератор переменного напряжения 2 (ГПН) с трансформаторным выходом Тр1, n управляемых выпрямителей 3 (УВ), подключенных выходами к 2n соответствующих одноименных клемм n аккумуляторов 4 аккумуляторной батареи (АБ) (АБ показана пунктирной линией), n тензодатчиков 5 (ТД), закрепленных на корпусе каждого аккумулятора 4. Тензодатчики выполнены в виде однослойных цилиндрических бифилярных катушек, намотанных на корпусах аккумуляторов. Тензодатчики 5 подключены к n входам первого коммутатора 6 (КОМ. 1), выход первого коммутатора 6 подключен ко входу измерительного усилителя 7 (ИУ), а его выход - ко входу аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП). Выход АЦП 8 соединен с шиной данных микропроцессора 9 (МП) и с управляющими шинами первого коммутатора 6 (КОМ. 1) и второго коммутатора 10 (КОМ. 2), n выходов которого присоединены к соответствующим управляющим входам n управляемых выпрямителей 3, а вход второго коммутатора 10 подключен к выходу источника управляющего напряжения 11 (ИУН).

В статике, при отключенном неработающем ГПН 2, ключевые элементы УВ 3 заперты и токи в их выходных цепях равны нулю. Соответственно равно нулю и электропотребление устройства. Сама АБ в этом случае может работать в штатном режиме циклирования.

Устройство работает следующим образом. По сигналу с блока радиокоманд контактом 1 к крайним клеммам АБ подключается ГПН 2. При этом от дополнительной обмотки, намотанной на сердечнике Тр1, которая включена в цепь стабилизированного выпрямителя (на фиг.1 условно не показаны), получают питание: КОМ.1 6; ИУ 7; АЦП 8; МП 9; КОМ.2 10 и ИУН 11.

В исходном состоянии напряжение с выхода ИУН 11 не передается на выходы КОМ.2 10, все УВ 3 заперты. Первый коммутатор 6 производит опрос n ТД 5, поочередно подключая их ко входу измерительного усилителя ИУ 7, выход которого соединен со входом АЦП 8. При опросе n тензодатчиков ТД 5 идентифицируется аккумулятор с наименьшей емкостью - "слабый", допустим первый, давление в котором в процессе заряда-разряда будет изменяться по линиям A₁-B₁-C₁-D₁ (см. фиг.2). Если между "слабым" и "сильным" аккумуляторами есть расхождение по емкости ΔС_1,2, то "сильному" аккумулятору будет соответствовать зависимость давления от сообщенной емкости A₂-B₂-C₂-D₂. Поскольку в АБ n аккумуляторов, их соответствующие характеристики будут располагаться между указанными.

Задаваясь допустимой величиной ΔС можно определить и соответствующее значение приращения давления ΔР, точность которого, а значит и точность выравнивания по емкости, определяется погрешностью канала измерения ИУ 7 и разрядностью АЦП 8. При этом к быстродействию АЦП высоких требований не предъявляется, так как время заряда и разряда измеряется от десяток и сотен минут до часов.

Основную погрешность будут вносить: расхождение начальных давлений ΔР_1,2 незаряженных аккумуляторов; угловой коэффициент, зависящий от допуска на толщину стенки корпуса НВА; неидентичность ТД 5.

Для повышения точности выравнивания эти параметры заранее измеряются при полном поэлементном разряде АБ, необходимые поправки запоминаются в запоминающем устройстве МП 9 и корректируются программно.

При превышении ΔР более заранее заданной величины МП 9 посредством КОМ.2 10 отпирает УВ 3 соответствующего "слабого" аккумулятора.

В выходной цепи УВ 3, схемно представляющего собой инверторно-выпрямительную ячейку, начинает протекать ток, который при заряде суммируется с зарядным током, в результате чего скорость заряда "слабого" аккумулятора увеличивается, а при разряде - вычитается из общего разрядного тока и скорость разряда "слабого" аккумулятора уменьшается.

Описанный процесс выравнивания иллюстрируется на фиг.2 зависимостью давления А'₁-В'₁-С'₁-D'₁.

Токи в выходных цепях УВ 3 относительно малы, поэтому и мощность, потребляемая заявляемым устройством, измеряется величиной порядка 10-20 Вт, что определяет высокую энергетическую эффективность. При снижении ΔР до значения, меньшего заранее заданного, МП 9 выключает соответствующий УВ 3. При недокомпенсации за один цикл выравнивание достигается за два или более циклов. При многократном циклировании происходит своего ряда "перетасовка" аккумуляторов, то есть очередной "слабый" аккумулятор "подтягивается" к максимальному по емкости.

Заявляемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает более точное выравнивание по емкости отдельных НВА в АБ при минимальных энергозатратах, что позволяет за счет увеличения глубины циклирования и исключения переполюсовки "слабых" аккумуляторов снизить ресурсный спад по емкости АБ, что равнозначно увеличению эффективной емкости в конце срока активного существования космического аппарата.

1. Устройство для поэлементного выравнивания емкостей никель-водородных аккумуляторов, соединенных в батарею последовательно, содержащее контакт для подключения устройства к крайним клеммам аккумуляторной батареи, 2n выходных клемм, генератор переменного напряжения с трансформаторным выходом, n управляемых выпрямителей, выходы которых присоединены к соответствующим одноименным клеммам аккумуляторов, отличающееся тем, что в устройство введены n тензодатчиков, первый и второй коммутаторы, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и источник управляющего напряжения, выходы n тензодатчиков присоединены к n входам первого коммутатора, выход первого коммутатора присоединен к входу измерительного усилителя, а его выход к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с шиной данных микропроцессора, которая соединена с управляющими входами первого и второго коммутаторов, вход второго коммутатора соединен с выходом источника управляющего напряжения, а n выходов второго коммутатора - с управляющими входами n управляемых выпрямителей, а микропроцессор посредством второго коммутатора при превышении приращения давления больше заранее заданной величины отпирает управляемый выпрямитель соответствующего аккумулятора, а при снижении приращения давления до значения меньше заранее заданного - выключает соответствующий управляемый выпрямитель.

2. Устройство для поэлементного выравнивания емкостей по п.1, отличающееся тем, что тензодатчики выполнены в виде однослойных цилиндрических бифилярных катушек, намотанных на корпусах аккумуляторов.