СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НИЗКОВОЛЬТНОЙ НАГРУЗКИ ОТ АККУМУЛЯТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Способ и устройство предназначены для электроснабжения преимущественно мобильных потребителей электроэнергии, применяющих в качестве первичного источника электричества электрохимические аккумуляторы. Способ и устройство могут использоваться при создании систем электроснабжения для электровелосипедов, электромотоциклов, электроавтомобилей, электросамолетов и других потребителей.

В настоящее время известен широкий ассортимент бесколлекторных электродвигателей с электронным управлением (англ. brushless). Эти электродвигатели имеют КПД, близкий к 100%, обладают малыми значениями габаритов и массы, имеют рекордную удельную мощность см.: http://www.jobymotors.com/public/views/pages/products.php.

При этом они рассчитаны на низкое напряжение питания, а потому им требуется большой рабочий ток. Например, электродвигатель JM1 мощностью 13,2 кВт с номинальным напряжением 45 вольт потребляет ток более 200 А. Электродвигатели семейства brushless нашли широкое применение в авиамодельном спорте, а в настоящее время их стали использовать и в качестве двигателей для легкомоторной авиации: http://www.evektor.cz/en/sportstar-epos.

Блок-схема питания электродвигателя этого самолета аналогична схеме питания кордовой авиамодели и содержит последовательно соединенные аккумулятор, контроллер двигателя и электромотор: http://www.avmodels.ru/engines/electric/kord_el01.html.

Существенным недостатком такой схемы является то, что аккумулятор питает электромотор напрямую очень большим током. При этом известно, что большие токи разряда аккумулятора сокращают его возможную продолжительность эксплуатации.

Другим существенным недостатком является то, что чем больший ток разряда аккумулятора, тем меньше его реальная ёмкость. Эту зависимость хорошо описывает эмпирическая формула Пекерта (Peukert), см., например, Варыпаев В. Н. и др. Химические источники тока. Учебное пособие для хим.-технол. спец. вузов/ М.: Высшая школа, 1990, с. 54:

С = С₀ (I₀/I)^{K - 1} , (1)

где С – реальная ёмкость аккумулятора, С₀ – ёмкость, измеренная при токе I₀, I – ток разряда, для которого вычисляют ёмкость С, К – число Пекерта. Для большинства типов аккумуляторов:

1,1 ≤ К ≤ 1,35.

Кроме того, аккумуляторы приходится располагать рядом с электродвигателем для уменьшения длины и веса токовых шин. Из-за больших токов невозможно разместить аккумуляторы далеко от электромотора, потому что тогда значительно увеличивается масса токовых шин и электрические потери в них.

Известен чоппер (прерыватель) и базовая схема чопперного стабилизатора понижающего типа, содержащего входные клеммы питания, зашунтированные конденсатором, соединенные последовательно электронный ключ со схемой управления и локальный контур с включенной в него нагрузкой, вход которого соединен с общим проводом питания, при этом контур содержит две параллельные ветви, зарядную и разрядную, в зарядную включен накопительный дроссель последовательно с нагрузкой, зашунтированной конденсатором, а в разрядную - диод (Б.Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному.- М.: СОЛОН-Пресс, 2005.- с. 179, рис. 9.1).

Энергия W_L, накопленная дросселем равна

W_L = L⋅I²/2, (2)

где L - индуктивность дросселя, I - максимальный ток накачки.

Чем больше индуктивность дросселя и ток накачки через него, тем больше накапливается энергии и тем больше магнитный поток обмотки дросселя.

Недостатком дросселя с сердечником является насыщение последнего при определенном значении магнитного потока. В результате сопротивление дросселя падает, резко возрастает ток, уменьшается запасаемая энергия. Для увеличения энергии дросселя, увеличивают индуктивность, а чтобы устранить насыщение, её уменьшают, вводя искусственный зазор в магнитопроводе. Получается замкнутый круг, недостатком которого является рост массы и габаритов дросселя, и ограничение максимального тока.

Известен преобразователь, включающий в себя входной конденсатор; регулируемый стабилизатор тока, состоящий из ключевого элемента, диода, дросселя и датчика тока; мостовой преобразователь, имеющий четыре ключевых элемента, трансформатор, выпрямитель и выходной конденсатор; датчик выходного тока и схему управления, отличающийся тем, что между входом мостового преобразователя, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока, и точкой подключения входного напряжения преобразователя к входу регулируемого стабилизатора тока и входному конденсатору установлен диод (патент на полезную модель RU №117744, 25.11.2011).

Полезной новизной преобразователя, по мнению его автора, является диод, подключенный между входом мостового преобразователя и точкой подключения входного напряжения. К этой же точке подключен входной кондесатор фильтра, предназначенный для сглаживания пульсаций тока в цепи питания. Его ёмкость должна составлять как минимум единицы микрофарад.

Указанный диод предназначается для возврата в источник питания части реактивной энергии экстратоков при работе четырех ключевых элементов.

Однако длительность импульсов экстратока при размыкании ключа меньше длительности импульсов тока накачки в тысячи раз. Их энергия просто рассеивается через ёмкость монтажа и излучение. Даже если бы через указанный диод удалось подать импульс экстратока на вход схемы, его амплитуда напряжения должна хоть немного превышать напряжение питания, но для этого ёмкость входного конденсатора должна составлять как максимум десятые доли микрофарады.

Таким образом, во время работы преобразователя указанный диод всё время будет заперт напряжением источника питания.

Перечисленные недостатки устранены в предлагаемом изобретении.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности систем автономного энергоснабжения потребителей, использующих первичным источником электричества электрохимические аккумуляторы.

Заявляемое изобретение обеспечивает технический результат, заключающийся в том, что значительно снижают величину тока разряда аккумулятора, нагруженного мощной низковольтной нагрузкой. Кроме того, устраняют в индуктивном накопителе энергии ферромагнитный сердечник.

Технический результат достигается предлагаемым способом электропитания низковольтной нагрузки с использованием в качестве первичного электрохимический источник, преобразователь напряжения с блоком управления, согласно которому электрохимический источник, преобразователь и нагрузку включают последовательно, а мощность нагрузки изменяют блоком управления преобразователем, отличающимся тем, что используют высоковольтный электрохимический источник, в качестве преобразователя применяют понижающий чоппер (прерыватель тока), включающий индуктивность и управляемый ключ, которым осуществляют накачку индуктивности импульсами тока с необходимой частотой и скважностью, которыми задают величину потребляемого тока от первичного источника во столько раз меньше, чем номинальный ток нагрузки, во сколько раз напряжение первичного источника больше, чем номинальное напряжение нагрузки.

При этом блоком управления задают длительность импульсов накачки чоппера не более половины периода следования импульсов накачки.

Такой прием позволяет эффективно снижать потребляемый ток из первичного источника.

При этом в качестве первичного источника электроэнергии используют высоковольтную батарею электрохимических аккумуляторов.

При этом используют высоковольтную батарею сухих элементов.

При этом используют высоковольтную батарею электрохимических топливных элементов.

Устройство для осуществления способа содержит источник электричества, зашунтированный конденсатором, понижающий чоппер (прерыватель тока) с блоком управления с возможностью изменения частоты и скважности импульсов прерывания, содержащий локальный контур с включенной в него нагрузкой, зашунтированной вторым конденсатором, соединенный последовательно с источником и прерывателем, вход которого соединен с одним проводом питания, а выход прерывателя соединен со вторым проводом питания, при этом контур содержит две параллельные ветви, зарядную и разрядную, в зарядную включен накопительный дроссель, а в разрядную как минимум один диод, причем нагрузка включена в одну из ветвей, последовательно с дросселем или последовательно с диодом, отличающееся тем, что содержит в качестве источника электричества высоковольтную аккумуляторную батарею, выполненную с напряжением, которое в кратное число раз больше по сравнению с номинальным напряжением питания нагрузки, при этом обмотка дросселя выполнена проводом в виде длинного соленоида, который, в свою очередь, свёрнут как минимум в один виток.

При этом в разрядной ветви установлены последовательно два диода, причем к точке соединения катода первого диода с анодом второго подключен один вывод третьего конденсатора, другой вывод которого подключен ко второму проводу питания.

Заявленные способ и устройство поясняются следующими чертежами: фиг. 1 – идеализированная схема устройства для осуществления способа; фиг. 2 – схема включения нагрузки последовательно с дросселем; фиг.3 – схема включения нагрузки последовательно с разрядным диодом; фиг. 4 – схема включения электродвигателя семейства brushless; фиг. 5 – устройство дросселя.

Введены буквенные обозначения: Б – батарея аккумуляторов; D1, D2 – диоды; С1– С3 - конденсаторы; R – сопротивление нагрузки; L – индуктивность дросселя; Кнт – контроллер электродвигателя; М – электродвигатель; К – ключ; U1, U2 – вольтметры; U_Б – напряжение на клеммах аккумулятора; Т – период следования импульсов накачки дросселя; t – длительность импульсов накачки.

Стрелками обозначены направления токов: I_Б – ток разряда батареи; I_З – ток заряда дросселя; I_Р – ток разряда дросселя; I_С – ток через конденсатор С3; I – ток в цепи диода D2.

Аккумуляторная батарея Б включена последовательно с локальным контуром и ключом К. Локальный контур содержит две параллельные ветви: зарядную, содержащую дроссель L и разрядную, содержащую один диод D1 или два диода D1, D2. Ключ К снабжен блоком управления (не показан) с возможностью изменения периода Т и длительности t - импульсов накачки дросселя L.

Рассмотрим работу идеализированной схемы на фиг.1.

В процессе непрерывной работы ключа происходит замыкание и размыкание электрической цепи, при этом время замыкания и размыкания имеет конкретные длительности, которые зависят от монтажной схемы и от технических данных самого ключа. Таким образом, в течение очень короткого времени сопротивление ключа протекающему через него току изменяется от максимума до нуля при замыкании и от нуля до максимума при размыкании. Закон изменения сопротивления ключа имеет сложную зависимость. Однако возможно просто измерить величину динамического сопротивления ключа. Была собрана рабочая схема и в ней произведены замеры токов на всех участках. Ток заряда (фиг.1):

I_З = I_Б + I_Р (3).

Ток заряда (фиг. 2 и 3):

I_З = I_Б + I = I_Б + I_Р + I_С (4).

Суммарное сопротивление R цепи заряда и ключа равно:

R = U_Б/I_Б (5).

Напряжение U1 на ключе К:

U1 = U_Б⋅t/T (6).

За амплитудное напряжение взято напряжение батареи, потому что сопротивление цепи заряда R + R_L очень мало, как правило, - десятые доли Ома для двигателей brushless. Отсюда, динамическое сопротивление R_К ключа К:

R_K = U1/I_Б = U_Б⋅t/T⋅I_Б (7).

Энергия и мощность, отдаваемая батареей, в течение импульса накачки превращается в энергию магнитного поля дросселя. Дроссель сам становится источником энергии. Сопротивление ключа при запирании значительно больше сопротивления локальной цепи. Через неё дроссель и разряжается. При этом соблюдается баланс энергий, а так как сопротивление локальной цепи уменьшилось, то соответственно увеличивается ток разряда.

Данные рабочей схемы: U_Б = 357 V; I_Б = 0,35 А; R = 5 Ω (две лампы накаливания параллельно: 2х24 V, 60 W); f = 20 кГц; t/T = 0,07; ток в цепи нагрузки I_З = 5 А.

Добавочный конденсатор С3 имеет небольшую ёмкость и предназначен для «перехватывания» части высокочастотных выбросов при запирании ключа. Измеренный максимальный ток через него I_С = 50 мА. При расчетах мощной нагрузки в сотни ампер токами I_Б и I_С можно пренебречь.

Использование предлагаемого изобретения позволит значительно снизить величину тока разряда аккумулятора. Это, в свою очередь, дает возможность увеличить как минимум на 20% его реальную ёмкость и ресурс эксплуатации. Кроме того, уменьшается сечение и масса токовых шин, что дает возможность размещать на борту (например, самолета) большее количество аккумуляторов.