PL217853B1 - Sposób i układ do pomiaru prądu, zwłaszcza prądu ładowania i wyładowania baterii - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do pomiaru prądu, zwłaszcza prądu ładowania i wyładowania baterii, mający zastosowanie w dziedzinie telekomunikacji pomiaru prądu w systemach zasilania urządzeń telekomunikacyjnych.

W systemach zasilania urządzeń telekomunikacyjnych stosuje się okresowe kontrolne ładowanie i wyładowanie baterii akumulatorów. Przenośne urządzenia stosowane w tym celu powinny być przystosowane do współpracy z różnymi bateriami w szerokim zakresie ich pojemności. Ponieważ zalecany prąd ładowania i wyładowania baterii zależy od jej pojemności, przenośne urządzenia powinny mierzyć wartości prądu w szerokim zakresie, np. od 2 do 160 A z dużą dokładnością.

W znanym z opisu patentowego P. 393910 układzie modułowej przetwornicy rewersyjnej zastosowano elementy przełączające, będące tranzystorami MOSFET z wbudowaną diodą zwrotną.

Znane są z opisów patentowych US2006/0284611A1, i US4823075 układy z przetwornikami z czujnikami Halla, w których obwody układu pomiarowego prądu są odizolowane galwanicznie od kontrolowanego obwodu. Przetworniki są przeznaczone do bezstykowego pomiaru prądu, a wartość prądu przepływającego przez układ pomiarowy zamieniana jest na wartość napięcia, które z kolei jest mierzone przy użyciu przetworników analogowo-cyfrowych. W przypadku szerokiego zakresu pomiaru prądu - dla małych wartości prądów błąd pomiaru znacznie rośnie, co stanowi wadę tych rozwiązań.

Znany z polskiego opisu patentowego 210360 układ do kompleksowej obsługi baterii akumulatorów kwasowych, zwłaszcza VRLA, w stanie pracy buforowej, zawiera przetwornik DC/DC połączony z modułem pomiarowym, filtrem dolnoprzepustowym i mikroprocesorowym układem sterowania połączonym z n ogniwami baterii akumulatorów, a w szczególności z ogniwem pierwszym poprzez przetwornik DC/DC. Układ ma zastosowanie do wyrównywania napięć na poszczególnych ogniwach baterii akumulatorów oraz umożliwia odczyt drogą radiową poprzez interfejs komunikacyjny historii parametrów rejestrowanych przez moduł pomiarowy.

Znane są również układy, w których prąd ładowania nie jest mierzony, ale jest regulowany na podstawie informacji o napięciach poszczególnych ogniw baterii. Znany z opisu US5573957(A), układ do ładowania baterii przeznaczony do pojazdów z napędem elektrycznym zawiera system ładowania baterii zapewniający regulację ładowania całej baterii oraz indywidualne układy zmniejszające prąd ładowania poszczególnych ogniw w przypadku, gdy napięcie ogniwa osiąga określony poziom. Układ nie służy do pomiaru prądu, zaś regulacja prądu jest przeprowadzana na podstawie informacji o zmianach napięć poszczególnych ogniw baterii. Podobne funkcje są realizowane zgodnie z metodą regulowanego ładowania baterii znaną z opisu US5677613(A).

W znanym z polskiego opisu zgłoszeniowego P. 382094 sposobie pomiaru prądu wyjściowego przetwornicy przepustowej poprzez pomiar prądu elementu kluczującego, prąd płynący przez element kluczujący mierzy się, przekształca na napięcie, a następnie uśrednia za czas załączania elementu kluczującego i uzyskuje się napięcie skorelowane z prądem wyjściowym przetwornicy.

W znanym z polskiego opisu zgłoszeniowego P. 383277 układzie do kompleksowej obsługi baterii akumulatorów kwasowych, zwłaszcza VRLA, w stanie pracy buforowej przetwornik DC/DC połączony jest z modułem pomiarowym, filtrem dolnoprzepustowym, i mikroprocesorowym układem sterowania, który jest połączony z n ogniwami baterii akumulatorów.

Wadą znanych rozwiązań jest zastosowanie przetworników do pomiaru wartości prądu zbudowanych na zdefiniowane zakresy mierzonych prądów (6A, 10A, 16A, 25A, 50A, 100A), przy czym ich dokładność zawiera się w zakresie 0,5% - 1%, zaś uzyskanie wysokiej dokładności pomiaru prądu w szerokim zakresie wartości jest niemożliwe, a ponadto wadą jest stosowanie przełączników zakresu pomiarowego, które wprowadzają duże straty energii.

Sposób pomiaru prądu, zwłaszcza prądu ładowania i wyładowania baterii według wynalazku charakteryzuje się tym, że baterie akumulatorów dołącza się opcjonalnie: do zacisku pierwszego baterii, zacisku drugiego baterii i zacisku trzeciego baterii oraz do zacisku dodatniego baterii dołącza się baterię akumulatorów o dużej albo średniej pojemności lub do zacisku pierwszego baterii oraz do zacisku dodatniego baterii dołącza się baterię akumulatorów o małej pojemności, a po dołączeniu baterii, poprzez termistor napięciem baterii ładuje się kondensator przetwornicy rewersyjnej. Następnie rozpoczyna się start cyklu ładowania/wyładowania kontrolnego baterii poprzez uruchomienie przetwornicy rewersyjnej i przełączenie zestyków wyłącznika nadmiarowo-prądowego, po czym dokonuje się pomiaru wartości prądu przy użyciu przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego i przetwornika z czujnikiem Halla drugiego i dokonuje się poprzez przetwornik z czujnikiem Halla pierwszy i przetwornik

PL 217 853 B1 z czujnikiem Halla drugi zamiany wartości prądu na napięcie pomiarowe. Napięcie podaje się z wyjść obu przetworników na wejście pierwsze i na wejście drugie wielokanałowego przetwornika analogowocyfrowego, połączonego z układem sterowania. Przy użyciu układu sterowania dokonuje się oceny wyników pomiaru prądu na podstawie porównania wyników z przetwornika z czujnikiem Halla drugiego i z przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego, po czym na podstawie wyników otrzymanych z układu sterowania podejmuje się decyzję, który z wyników będzie uwzględniany w dalszych obliczeniach. Po zakończeniu cyklu badania baterii, przy użyciu układu sterowania uruchamia się wyzwalacz podnapięciowy i rozłącza się zestyki wyłącznika nadmiarowo-prądowego.

Układ do pomiaru prądu, zwłaszcza prądu ładowania i wyładowania baterii według wynalazku charakteryzuje się tym, że bateria dużej lub średniej pojemności połączona jest równolegle z zaciskiem pierwszym baterii, z zaciskiem drugim baterii, z zaciskiem trzecim baterii, oraz z zaciskiem dodatnim baterii. Zacisk pierwszy baterii połączony jest z wejściem drugim przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego, a wejście pierwsze przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego połączone jest ze stykiem drugim wyłącznika nadmiarowo-prądowego i końcówką drugą termistora, zaś zacisk drugi baterii połączony jest ze stykiem czwartym wyłącznika nadmiarowo-prądowego, natomiast zacisk trzeci baterii połączony jest ze stykiem szóstym wyłącznika nadmiarowo-prądowego, z kolei styk pierwszy, styk trzeci i styk piąty wyłącznika nadmiarowo-prądowego są połączone z końcówką pierwszą termistora oraz z wejściem drugim przetwornika z czujnikiem Halla drugiego, a z kolei wejście pierwsze przetwornika z czujnikiem Halla drugiego połączone jest z wyjściem przetwornicy rewersyjnej. Wyjście przetwornika z czujnikiem Halla drugiego połączone jest z wejściem pierwszym wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego, natomiast wyjście przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego połączone jest z wejściem drugim wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Wyjście wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego jest połączone z wejściem układu sterowania, który jest połączony z wyzwalaczem podnapięciowym. W przypadku, gdy badana bateria jest baterią o małej pojemności, korzystnym jest, gdy bateria jest połączona z zaciskiem pierwszym baterii oraz z zaciskiem dodatnim baterii.

Zaletą sposobu i układu do pomiaru prądu, zwłaszcza prądu ładowania i wyładowania baterii według wynalazku jest możliwość pomiaru, z dużą dokładnością, wartości prądu w szerokim zakresie. Na skutek zastosowania dwóch przetworników z czujnikiem Halla, na dwie znacznie różniące się wartości prądu, jest możliwe uzyskanie znacznego zwiększenia dokładności pomiaru wartości prądu w szerokim zakresie, zwłaszcza osiągane jest znaczne zwiększenie dokładności (około czterokrotne) przy pomiarze małych wartości prądu, przy czym sposób włączenia przetworników z czujnikiem Halla w pełni zabezpiecza je przed uszkodzeniem wynikającym z ewentualnego przepływu przez nie prądu o wartości przekraczającej ich zakres pomiarowy, a ponadto w rozwiązaniu zrezygnowano z zastosowania przełącznika zakresu pomiarowego, co pozwoliło na uniknięcie dużych strat energii oraz korzystnie wpłynęło na zwiększenie niezawodności układu.

Układ do pomiaru prądu, zwłaszcza prądu ładowania i wyładowania baterii, według wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schemat blokowy układu.

W układzie do pomiaru prądu, zwłaszcza prądu ładowania i wyładowania baterii, według wynalazku bateria dużej lub średniej mocy połączona jest równolegle z zaciskiem pierwszym baterii BAT1, z zaciskiem drugim baterii BAT2, z zaciskiem trzecim baterii BAT3, oraz z zaciskiem dodatnim baterii ΒΑΤ0. Zacisk pierwszy baterii BAT1 połączony jest z wejściem drugim LM2 przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego LM, a wejście pierwsze LM1 przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego LM połączone jest ze stykiem drugim 2 wyłącznika nadmiarowo-prądowego W i końcówka drugą PTC2 termistora PTC, zaś zacisk drugi BAT2 połączony jest ze stykiem czwartym 4 wyłącznika nadmiarowo-prądowego W.

Zacisk trzeci BAT3 połączony jest ze stykiem szóstym 6 wyłącznika nadmiarowo-prądowego W, z kolei styk pierwszy 1, styk trzeci 3 i styk piąty 5 wyłącznika nadmiarowo-prądowego W są połączone z końcówką pierwszą PTC1 termistora PTC oraz z wejściem drugim LD2 przetwornika z czujnikiem Halla drugiego LD, a z kolei wejście pierwsze LD1 przetwornika z czujnikiem Halla drugiego LD połączone jest z wyjściem przetwornicy rewersyjnej PR, natomiast wyjście przetwornika z czujnikiem Halla drugiego LD połączone jest z wejściem pierwszym ADC1 wielokanałowego przetwornika analogowocyfrowego ADC. Wyjście przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego LM połączone jest z wejściem drugim ADC2 wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego ADC, a z kolei wyjście wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego ADC jest połączone z wejściem układu sterowania JS, który jest połączony z wyzwalaczem podnapięciowym WP. W przypadku, gdy badana bateria jest

PL 217 853 B1 baterią o małej pojemności, korzystnym jest, gdy bateria jest połączona z zaciskiem pierwszym baterii

BAT1 oraz z zaciskiem dodatnim baterii ΒΑΤ0.

W układzie wykorzystano przetworniki z czujnikiem Halla pozwalające na bezstykowy pomiar prądu, tzn. pomiar, podczas którego elementy układu pomiarowego są odizolowane galwanicznie od kontrolowanego obwodu. W przypadku, gdy bateria akumulatorów jest o dużej lub średniej pojemności, jest połączona równolegle z zaciskiem pierwszym baterii BAT1, z zaciskiem drugim baterii BAT2, z zaciskiem trzecim baterii BAT3, oraz z zaciskiem dodatnim baterii BAT0 i pomiar wartości prądu dokonywany jest przy użyciu przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego LM i przetwornika z czujnikiem Halla drugiego LD. Następnie poprzez przetwornik z czujnikiem Halla pierwszy LM i przetwornik z czujnikiem Halla drugi LD dokonywana jest zamiana wartości prądu na napięcie pomiarowe, które z wyjść przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego LM oraz przetwornika z czujnikiem Halla drugiego LD podawane jest na wejście drugie ADC2 i na wejście pierwsze ADC1 wielokanałowego przetwornika analogowe - cyfrowego ADC, połączonego z układem sterowania JS. Przy użyciu układu sterowania JS dokonuje się oceny wyników pomiaru prądu na podstawie porównania wyników z przetwornika z czujnikiem Halla drugiego LD i z przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego LM, po czym na podstawie wyników otrzymanych z układu ster owania JS podejmuje się decyzję, który z wyników uwzględniony zostanie w dalszych obliczeniach.

W przypadku gdy bateria jest o małej pojemności, dołączona jest do zacisku pierwszego baterii BAT1 i do zacisku dodatniego baterii ΒΑΤ0, przy czym prąd ładowania/wyładowania baterii mierzony jest przy użyciu przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego LM.

Sposób pomiaru prądu, zwłaszcza prądu ładowania i wyładowania baterii według wynalazku realizowany jest następująco: do zacisku pierwszego baterii BAT1, do zacisku drugiego baterii BAT2, do zacisku trzeciego baterii BAT3 i do zacisku dodatniego baterii BAT0 dołącza się baterię akumulatorów poddawaną kontrolnemu ładowaniu i wyładowaniu (z uwagi na wytrzymałość elektryczną złączy bat erię o dużej lub średniej pojemności dołącza się do wszystkich trzech zacisków). W przypadku, gdy testom poddawana jest bateria akumulatorów o małej pojemności i prąd ładowania/wyładowania nie przekracza 63 A - dołącza się ją jedynie do zacisku pierwszego baterii BAT1 i do zacisku dodatniego baterii ΒΑΤΌ. Po dołączeniu baterii, napięciem baterii ładuje się poprzez termistor PTC kondensator przetwornicy rewersyjnej PR (nie objętej zgłoszeniem), celem uniknięcia gwałtownego przepływu prądu przy załączeniu układu. Następnie rozpoczyna się start cyklu ładowania/wyładowania kontrolnego baterii poprzez uruchomienie przetwornicy rewersyjnej PR i przełączenie zestyków wyłącznika nadmiarowo-prądowego W, zabezpieczającego wszystkie trzy obwody baterii. Po przekroczeniu wartości prądu w jednym z obwodów wyłącznik nadmiarowo-prądowy W jest odłączany. Dokonuje się pomiaru wartości prądu przy użyciu dwóch przetworników służących do bezstykowego pomiaru wartości prądu: przetwornika z czujnikiem Halla drugiego LD, dokonującego pomiaru sumy prądów w trzech obwodach baterii (dołączonej do zacisku pierwszego baterii BAT1, zacisku drugiego baterii BAT2 i zacisku trzeciego baterii BAT3 oraz przy użyciu przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego LM, dokonującego pomiaru prądu w obwodzie baterii dołączonej do zacisku pierwszego baterii BAT1. Następnie dokonuje się poprzez przetwornik z czujnikiem Halla pierwszy LM i przetwornik z czujnikiem Halla drugi LD zamiany wartości prądu na napięcie pomiarowe, które z wyjść obu przetworników podaje się na wejście pierwsze ADC1 i na wejście drugie ADC2 wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego ADC, połączonego z układem sterowania JS. Przy użyciu układu sterowania JS, (który nie otrzymuje danych o sposobie dołączenia testowanej baterii) dokonuje się oceny wyników pomiaru prądu jedynie na podstawie porównania wyników z przetwornika z czujnikiem Halla drugiego LD i z przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego LM i podejmuje się decyzję, który z wyników będzie uwzględniany w dalszych obliczeniach.

Jeżeli wartość prądu zmierzona przez przetwornik z czujnikiem Halla drugi LD jest dużo większa (około 3 razy) od wartości prądu zmierzonej przez przetwornik z czujnikiem Halla pierwszy LM, to do dalszych obliczeń przyjmuje się wartość prądu zmierzoną przez przetwornik z czujnikiem Halla drugi LD. Jeżeli wartości prądu zmierzone przez przetwornik z czujnikiem Halla drugi LD i przetwornik z czujnikiem Halla pierwszy LM są równe lub zbliżone, to do dalszych obliczeń przyjmuje się wartość prądu otrzymaną z przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego LM. Przetwornik z czujnikiem Halla pierwszy LM ma mniejszy zakres pomiarowy i tym samym zapewnia kilkukrotnie większą bezwzględną dokładność pomiaru. Przetwornik z czujnikiem Halla pierwszy LM jest zabezpieczony przed przekroczeniem jego zakresu pomiarowego i ewentualnym uszkodzeniem wyłącznikiem nadmiarowo prądowym W. Po zakończeniu cyklu badania baterii, przy użyciu ukł aPL 217 853 B1 du sterowania JS uruchamia się wyzwalacz podnapięciowy WP i rozłącza się zestyki wyłącznika nadmiarowo-prądowego W.

Claims (4)

1. Sposób pomiaru prądu, zwłaszcza prądu ładowania i wyładowania baterii, w którym mierzy się prąd, a następnie przekształca na napięcie, znamienny tym, że baterię akumulatorów o dużej lub średniej pojemności dołącza się równolegle do zacisku pierwszego baterii (BAT1), zacisku drugiego baterii (BAT2) i zacisku trzeciego baterii (BAT3), oraz do zacisku dodatniego baterii (ΒΑΤ0), a po dołączeniu baterii, poprzez termistor (PTC) napięciem baterii ładuje się kondensator przetwornicy rewersyjnej (PR), następnie rozpoczyna się start cyklu ładowania/wyładowania kontrolnego baterii poprzez uruchomienie przetwornicy rewersyjnej (PR) i przełączenie zestyków wyłącznika nadmiarowo-prądowego (W), po czym dokonuje się pomiaru wartości prądu przy użyciu przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego (LM) i przetwornika z czujnikiem Halla drugiego (LD) i dokonuje się poprzez przetwornik z czujnikiem Halla pierwszy (LM) i przetwornik z czujnikiem Halla drugi (LD) zamiany wartości prądu na napięcie pomiarowe, które z wyjść obu przetworników podaje się na wejście pierwsze (ADC1) i na wejście drugie (ADC2) wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), połączonego z układem sterowania (JS), a następnie przy użyciu układu sterowania (JS) dokonuje się oceny wyników pomiaru prądu na podstawie porównania wyników z przetwornika z czujnikiem Halla drugiego (LD) i z przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego (XM), po czym na podstawie wyników otrzymanych z układu sterowania (JS) podejmuje się decyzję, który z wyników uwzględniony z ostanie w dalszych obliczeniach, zaś po zakończeniu cyklu badania baterii, przy użyciu układu sterowania (JS) uruchamia się wyzwalacz podnapięciowy (WP) i rozłącza się zestyki wyłącznika nadmiarowo-prądowego (W).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla baterii akumulatorów o małej pojemności prąd ładowania/wyładowania baterii mierzy się przy użyciu przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego (LM), przy czym baterię dołącza się do zacisku pierwszego baterii (BAT1) oraz do zacisku dodatniego baterii (ΒΑΤ0).

3. Układ do pomiaru prądu, zwłaszcza prądu ładowania i wyładowania baterii zawierający przetwornicę rewersyjną, przetwornik analogowo-cyfrowy, przetwornik z czujnikiem Halla i układ sterowania, znamienny tym, że bateria dużej lub średniej pojemności połączona jest równolegle z zaciskiem pierwszym baterii (BAT1) z zaciskiem drugim baterii (BAT2), z zaciskiem trzecim baterii (BAT3), oraz z zaciskiem dodatnim baterii (ΒΑΤ0), przy czym zacisk pierwszy baterii (BAT1) połączony jest z wejściem drugim (LM2) przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego (LM), a wejście pierwsze (LM1) przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego (LM) połączone jest ze stykiem drugim (2) wyłącznika nadmiarowo-prądowego (W) i końcówką drugą (PTC2) termistora (PTC), zaś zacisk drugi baterii (BAT2) połączony jest ze stykiem czwartym (4) wyłącznika nadmiarowo-prądowego (W), natomiast zacisk trzeci baterii (BAT3) połączony jest ze stykiem szóstym (6) wyłącznika nadmiarowo-prądowego (W) z kolei styk pierwszy (1), styk trzeci (3) i styk piąty (5) wyłącznika nadmiarowo-prądowego (W) są połączone z końcówką pierwszą (PTC1) termistora (PTC), oraz z wejściem drugim (LD2) przetwornika czujnikiem Halla drugiego (LD), a z kolei wejście pierwsze (LD1) przetwornika z czujnikiem Halla drugiego (LD) połączone jest z wyjściem przetwornicy rewersyjnej (PR), natomiast wyjście przetwornika z czujnikiem Halla drugiego (LD) połączone jest z wejściem pierwszym (ADC1) wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), natomiast wyjście przetwornika z czujnikiem Halla pierwszego (LM) połączone jest z wejściem drugim (ADC2) wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), a z kolei wyjście wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) jest połączone z wejściem układu sterowania (JS), który jest połączony z wyzwalaczem podnapięciowym (WP).

4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że bateria akumulatorów o małej pojemności połączona jest z zaciskiem pierwszym baterii (BAT1) i z zaciskiem dodatnim baterii (ΒΑΤ0).