УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для зарядки аккумуляторных батарей.

Известно зарядное устройство (http://www.kupol.com.ua/consumer_3.html). Известное устройство содержит источник питания, стабилизатор тока, стабилизатор напряжения, устройство управления, ключ и клеммы для подключения аккумуляторной батареи (АБ). Выходы стабилизаторов тока и напряжения подключены к АБ, к этим же клеммам подключен вход устройства управления, выход которого соединен с управляющим входом ключа так, что в зависимости от напряжения АБ электрическая энергия источника питания через ключ поступает на стабилизатор тока (первый этап заряда) или на стабилизатор напряжения (второй этап заряда).

К недостаткам такого устройства можно отнести наличие двух силовых регуляторов (стабилизатор тока и стабилизатор напряжения), которые по сравнению с сигнальными регуляторами имеют увеличенные габариты и стоимость. Кроме этого, в устройстве отсутствует контроль параметров заряда, соответствующих окончанию этого процесса. При зарядке АБ, например, автономных необитаемых подводных аппаратов существует необходимость оперативного последующего ввода их в эксплуатацию после заряда. При этом как преждевременное отключение процесса зарядки АБ, приводящее к неполному ее заряду, так и неоправданное увеличение времени заряда приведет к снижению эффективности подводного аппарата, в котором используется АБ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для зарядки АБ (патент RU 2530877, МПК H02J 7/04). Устройство содержит источник питания, ключ, стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, устройство управления и клеммы для подключения АБ, при этом источник питания посредством ключа подсоединен к стабилизатору тока, выход устройства управления подключен к управляющему входу ключа, а выходные зажимы стабилизатора тока соединены с клеммами для подключения аккумуляторной батареи, выход стабилизатора напряжения подключен к первому входу стабилизатора тока, при этом устройство содержит также измерительный преобразователь зарядного тока, измерительный преобразователь выходного напряжения, задатчик напряжения и задатчик тока, измерительный преобразователь зарядного тока включен в разрыв одного из проводов, соединяющий выходные зажимы стабилизатора тока с клеммами для подключения аккумуляторной батареи, измерительный преобразователь напряжения подсоединен параллельно клеммам для подключения аккумуляторной батареи, а его выход соединен с первым входом стабилизатора напряжения, выход измерительного преобразователя зарядного тока соединен с вторым входом стабилизатора тока и первым входом устройства управления, задатчик напряжения подключен ко второму входу стабилизатора напряжения, а задатчик тока подключен ко второму входу устройства управления.

Работа такого устройства заключается в следующем. При зарядке аккумуляторной батареи в стабилизаторе напряжения определяется рассогласование между заданным напряжением АБ, определяемым уставкой задатчика напряжения, и фактическим напряжением на батарее. Сигнал на выходе стабилизатора напряжения является задающим для стабилизатора тока, в котором, в свою очередь, определяется рассогласование между этим сигналом и сигналом обратной связи, пропорциональным фактическому значению тока заряда. По мере зарядки аккумуляторной батареи напряжение на ней возрастает. Рассогласование на входе стабилизатора напряжения уменьшается, что приводит к уменьшению сигнала на входе стабилизатора тока и, соответственно, к уменьшению тока заряда. При некотором заданном значении рассогласования между фактическим значением тока заряда и уставкой задатчика тока устройство управления отключит ключ, и процесс зарядки АБ прекратится.

В ряде случаев необходимо обеспечить гальваническую изоляцию цепей управления от силовых цепей. Для этого обратные связи по току и по напряжению в устройстве реализуются через элементы, которые обладают указанным свойством. Эти элементы наряду с требуемой изоляцией могут вносить запаздывание в передачу сигналов, что изменяет динамические характеристики устройства. Для такого объекта регулирования как АБ процесс зарядки характерен стационарностью в установившемся режиме, т.е. внешние воздействия в виде задающих сигналов или возмущений являются неизменными и дополнительная инерционность каналов обратных связей не оказывает влияния на качество регулирования. Динамический режим возникает только при включении устройства, поскольку в начальный момент времени рассогласования на входах стабилизаторов напряжения и тока имеют максимальные значения и изменяется скачкообразно. При этом за счет увеличенной инерционности цепи обратной связи в контуре тока происходит выброс регулируемого параметра - тока заряда.

Это является недостатком, так как приводит к перегрузке силовых элементов устройства - источника питания, ключа и стабилизатора тока.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача исключить указанный недостаток, т.е. обеспечить снижение выброса зарядного тока в начальный момент времени при включении устройства, тем самым разгрузить силовые элементы устройства.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для зарядки аккумуляторной батареи, содержащее источник питания, ключ, стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, измерительный преобразователь напряжения, измерительный преобразователь тока, задатчик тока, задатчик напряжения, устройство управления и клеммы для подключения аккумуляторной батареи, при этом источник питания посредством ключа подсоединен к стабилизатору тока, выход устройства управления подключен к управляющему входу ключа, первый выходной зажим стабилизатора тока соединен с первой клеммой для подключения аккумуляторной батареи непосредственно, а его второй выходной зажим соединен со второй клеммой для подключения аккумуляторной батареи через измерительный преобразователь тока, измерительный преобразователь напряжения подсоединен параллельно клеммам для подключения аккумуляторной батареи, а его выход соединен с первым входом стабилизатора напряжения, выход измерительного преобразователя зарядного тока соединен с первым входом стабилизатора тока и первым входом устройства управления, задатчик напряжения подключен ко второму входу стабилизатора напряжения, а задатчик тока подключен ко второму входу устройства управления, дополнительно введен демпфирующий элемент, который включен между выходом стабилизатора напряжения и вторым входом стабилизатора тока.

В заявленном устройстве общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- источник питания;

- ключ;

- стабилизаторы напряжения и тока;

- устройство управления;

- клеммы для подключения аккумуляторной батареи;

- задатчики напряжения и тока;

- измерительные преобразователи напряжения и тока;

- источник питания посредством ключа подсоединен к стабилизатору тока;

- выход устройства управления подключен к управляющему входу ключа;

- первый выходной зажим стабилизатора тока соединен с первой клеммой для подключения аккумуляторной батареи непосредственно, а его второй выходной зажим соединен со второй клеммой для подключения аккумуляторной батареи через измерительный преобразователь тока;

- измерительный преобразователь напряжения подсоединен параллельно клеммам для подключения аккумуляторной батареи, а его выход соединен с первым входом стабилизатора напряжения;

- выход измерительного преобразователя зарядного тока соединен с первым входом стабилизатора тока и первым входом устройства управления,

- задатчик напряжения подключен ко второму входу стабилизатора напряжения, а задатчик тока подключен ко второму входу устройства управления.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного зарядного устройства и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- в устройство введен демпфирующий элемент;

- демпфирующий элемент включен между выходом стабилизатора напряжения и вторым входом стабилизатора тока.

Указанные существенные признаки, отличающие заявленное зарядное устройство от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивают достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Дополнительное введение в устройство демпфирующего элемента, который включен между выходом стабилизатора напряжения и вторым входом стабилизатора тока, ограничивает скорость нарастания задающего сигнала на входе стабилизатора тока и позволяет ограничить выброс зарядного тока при включении устройства.

Таким образом, существенный признак заявленного устройства для зарядки аккумуляторной батареи обеспечивают достижение технического результата, т.е. находятся с техническим результатом в причинно-следственной связи и решает поставленную задачу.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1. представлена структурная схема устройства для зарядки аккумуляторной батареи; на фиг. 2 - осциллограммы изменения напряжения на батарее в процессе заряда U_З(t) и тока заряда I_З(t), полученные в результате схемотехнического моделирования и поясняющие работу устройства. Для иллюстрации эффективности заявленного устройства на фиг. 3 представлены осциллограммы изменения напряжения U_З(t) и тока заряда I_З(t) аккумуляторной батареи, соответствующие прототипу.

Устройство для зарядки аккумуляторной батареи содержит источник 1 питания, ключ 2, стабилизатор 3 напряжения, демпфирующий элемент 4, стабилизатор 5 тока, устройство 6 управления, клеммы 7, 8 для подключения аккумуляторной батареи, измерительный преобразователь 9 тока, измерительный преобразователь 10 напряжения, задатчик 11 напряжения и задатчик 12 тока, при этом источник 1 питания посредством ключа 2 подсоединен к стабилизатору 5 тока, выход устройства 6 управления подключен к управляющему входу ключа, 2, первый выходной зажим стабилизатора 5 тока соединен с первой клеммой 7 для подключения аккумуляторной батареи непосредственно, а его второй выходной зажим соединен со второй клеммой 8 для подключения аккумуляторной батареи через измерительный преобразователь 9 тока, выход стабилизатора 3 напряжения подключен к входу демпфирующего элемента 4, выход которого подключен ко второму входу стабилизатора 5 тока, измерительный преобразователь 10 напряжения подсоединен параллельно клеммам 7, 8 для подключения аккумуляторной батареи, а его выход соединен с первым входом стабилизатора 3 напряжения, выход измерительного преобразователя 9 зарядного тока соединен с первым входом стабилизатора 5 тока и первым входом устройства 6 управления, задатчик 11 напряжения подключен ко второму входу стабилизатора 3 напряжения, а задатчик 12 тока подключен к второму входу устройства 6 управления.

Зарядное устройство работает следующим образом. При включении устройства в стабилизаторе 3 напряжения определяется рассогласование между заданным напряжением АБ (сигнал U_ЗН) и фактическим напряжением АБ (сигнал U_ОС). Алгоритм обработки рассогласования в стабилизаторе напряжения может быть, например, следующий

где U_Н - выходной сигнал стабилизатора напряжения.

Выходной сигнал U_H поступает на вход демпфирующего элемента 4. В этом блоке осуществляется ограничение скорости изменения сигнала, поступающего с выхода стабилизатора 3 напряжения на вход стабилизатора 5 тока. Сигнал U_ЗТ с выхода блока демпфирующего элемента 4 является задающим для стабилизатора 5 тока, а сигнал U_Т является сигналом обратной связи для стабилизатора 5 тока.

Алгоритм обработки рассогласования в стабилизаторе 5 тока может быть принят, например, в виде

где I_З - выходной сигнал стабилизатора тока, т.е. ток заряда АБ.

Алгоритм обработки сигнала в демпфирующем элементе 4 может быть, например, следующим

Таким образом, за счет того, что интенсивность изменения задающего сигнала для стабилизатора 5 тока ограничивается, интенсивность изменения тока на выходе этого стабилизатора 5 также ограничивается. Это обеспечивает уменьшение перерегулирования тока при включении устройства.

Работу устройства поясняют осциллограммы, приведенные на фиг. 2.

При включении устройства ток заряда I_З(t) устанавливается на заданном уровне I_УСТ с перерегулированием примерно 20% и поддерживается практически неизменным в процессе зарядки АБ, т.е. осуществляется первый этап зарядки аккумуляторной батареи. При этом напряжение U_З(t) на АБ увеличивается и при достижении заданного значения U_ЗН происходит снижение тока заряда при неизменном напряжении на батарее, т.е. устройство переходит на второй этап заряда. При уменьшении тока заряда до заданного значения происходит отключение устройства.

На фиг. 3 представлены осциллограммы исходного варианта (прототипа), на которых видно, что перерегулирование составляет примерно 150%.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение демпфирующего элемента в устройстве уменьшает выброс тока при включении устройства и позволяет разгрузить источник питания, ключ и стабилизатор тока.