RU120291U1 - Система резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой - Google Patents
Система резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой Download PDFInfo
- Publication number
- RU120291U1 RU120291U1 RU2012114995/07U RU2012114995U RU120291U1 RU 120291 U1 RU120291 U1 RU 120291U1 RU 2012114995/07 U RU2012114995/07 U RU 2012114995/07U RU 2012114995 U RU2012114995 U RU 2012114995U RU 120291 U1 RU120291 U1 RU 120291U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- booster circuit
- load
- generator
- circuit
- voltage
- Prior art date
Links
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
Система резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой, содержащая генератор и нагрузку, отличающаяся тем, что введены накопитель энергии на суперконденсаторе, бустерная схема и схема заряда от генератора; выход схемы заряда и вход бустерной схемы подключены к суперконденсатору, причем вход схемы заряда подключен к генератору, а выход бустерной схемы - к нагрузке, при этом между генератором и нагрузкой включен диод.
Description
Полезная модель относится к электрическим устройствам для преобразования постоянного тока в постоянный и предназначена для использования в электросетях или аналогичных системах энергоснабжения для преобразования входной энергии постоянного тока в выходную энергию требуемого вида, а также управление или регулирование таких устройств и может использоваться в системах электропитания автотранспорта, источниках бесперебойного питания, установках возобновляемой энергии на основе солнечных элементов или ветрогенераторов.
Известно устройство «Boost Converter» [1], содержащее два противофазно работающих бустерных преобразователя.
Характеристики данного устройства позволяют увеличить предельную мощность вдвое по сравнению с одиночной схемой без ухудшения КПД и с улучшением качества выходной энергии.
Однако использование этой схемы применительно к накопительной системе на суперконденсаторах не предусмотрено.
Наиболее близким техническим решением является «Устройство для управления зарядом аккумулятора» [2], в котором в качестве накопителя используется аккумулятор.
Однако в прототипе накопитель на аккумуляторе не способен эффективно отдавать и получать большие мощности; характеризуется ограниченными ресурсом циклов заряда-разряда и сроком службы; требует обслуживания; плохо переносит эксплуатацию при отрицательных температурах.
Целью полезной модели является увеличение эффективности работы системы резервного электропитания, которая характеризуется: способностью отдачи и получения большой мощности; существенно большем ресурсе циклов заряд-разряд и сроке службы; без необходимости обслуживания и некритичности к температуре эксплуатации.
Технический результат достигается путем замены аккумулятора на суперконденсатор, к которому добавлена бустерная схема и схема заряда от генератора.
Сущность технического решения заключается в следующем:
Система резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой, содержит генератор и нагрузку, к тому же дополнительно введены накопитель энергии на суперконденсаторе, бустерная схема и схема заряда от генератора. Выход схемы заряда и вход бустерной схемы подключены к суперконденсатору, причем вход схемы заряда подключен к генератору, а выход бустерной схемы к нагрузке. Между генератором и нагрузкой включен диод.
На фиг.1 показана электрическая схема устройства резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой, включающая: накопитель энергии на суперконденсаторе 1, бустерную схему 2, схему заряда от генератора 3 и диод прямой передачи энергии от генератора в нагрузку 4. На фиг.2 показаны временные диаграммы бустерной схемы 2. На фиг.3 показаны графики зависимости КПД от выходной мощности бустерной схемы 2.
Устройство работает следующим образом.
Допустим, что в схеме заряда от генератора 3 генератор Г перестает вырабатывать электрическую энергию. В этом случае транзистор VT1 закрыт, схема заряда от генератора 3 отключена от генератора и начинает работать бустерная схема 2, задача которой - поддерживать постоянство напряжения нагрузки Uн по мере разряда накопителя энергии на суперконденсаторе 1. Если напряжение накопителя энергии на суперконденсаторе 1 U0 больше минимального рабочего напряжения Uн, транзистор VТ2 бустерной схемы 2 закрыт, и происходит прямая передача энергии в нагрузку постоянным током через индуктивную катушку и открытый диод VD2. Из-за прямого падения напряжения на диоде и активных потерь катушки происходит незначительная потеря мощности. Эффективность прямой передачи более 95%. При понижении напряжения нагрузки Uн до критического уровня, управляющая работой бустерной схемы 2 типовая микросхема ШИМ контроллера начинает вырабатывать периодические импульсы напряжения Uy2 с автоматически изменяющейся скважностью. Управляющие импульсы подаются на затвор VТ2 (мощный MOSFET транзистор), в результате чего выходное напряжение поддерживается бустерной схемой 2 постоянным, как при уменьшении напряжения U0, так и при изменении сопротивления нагрузки.
На фиг.2 показаны временные диаграммы работы бустерной схемы 2. На интервале длительности τи управляющего импульса Uy2 происходит накопление энергии в катушке L - индуктивном накопителе энергии (ИНЭ), ток i2 достигает значения iL. Для эффективности (КПД) накопления энергии получена формула:
Здесь im=U0/R, tL=L/R - постоянная времени цепи, R - общее активное сопротивление контура заряда ИНЭ. При фиксированном времени заряда t наибольший КПД получается для нулевого начального тока i0. Из формулы (1) видно, что максимальный КПД, близкий к единице, достигается при t=τи<<τL. При этом ток заряда можно оценить из выражения:
iL≈U0τи/L,
а энергию ИНЭ из выражения:
Отметим, что при открытом ключе VT2 напряжение на нем близко к нулю, диодный ключ VD2 закрыт, питание нагрузки обеспечивает заряженный до напряжения Uн конденсатор Сн.
По окончании управляющего импульса VТ2 закрывается, ток i2 индуктивной катушки, сохраняя непрерывность, вызывает ЭДС индукции положительной полярности, которая открывает диод UD2, и происходит передача энергии из источника U0 и катушки в нагрузку и конденсатор Сн. При этом конденсатор заряжается до напряжения Uн большего, чем напряжение источника U0, а ток индуктивности i2 носит колебательный характер и имеет постоянную составляющую. При прохождении тока через ноль в момент времени τ ключ VD2 автоматически закрывается. При этом вся энергия ИНЭ передается конденсатору и нагрузке, которая отключается от источника U0 на время T-τ. Питание нагрузки обеспечивает заряженный конденсатор, который незначительно разряжается на интервале T-τ. По окончании следующего управляющего импульса в нагрузку и конденсатор передается очередная порция энергии. Так как частота управляющих импульсов достаточно высока, спустя малое время на нагрузке устанавливается постоянное пульсирующее напряжение Uн>U0, которое можно регулировать, изменяя τи (или скважность) управляющих импульсов. С увеличением τи напряжение и мощность нагрузки растут.
Постоянная составляющая тока разряда индуктивности зависит от напряжения U0, сопротивления нагрузки Rн и величины iL. С уменьшением iL ток ИНЭ может не проходить через ноль, ключ VD2 не закроется, и схема будет работать в режиме непрерывных токов i2. При этом уменьшается КПД (1) заряда ИНЭ. Ввиду того, что малый ток iL дает малый вклад в выходную мощность, общая эффективность бустерной схемы понижается незначительно. Гораздо важнее обеспечить режим разрывных токов при предельной выходной мощности, когда τи максимальна, вклад накопленной энергии ИНЭ (2) в выходную мощность также максимален и существенное уменьшение ηL (1) приведет также к существенному уменьшению полного КПД бустерной схемы 2. Для режима разрывных токов должно выполняться условие:
Разработан алгоритм расчета динамики бустерной схемы 2, который позволяет рассчитать время передачи энергии в нагрузку τ, а также напряжение нагрузки Uн и КПД преобразования энергии. Для расчета КПД η получена формула:
где Uср - рассчитанное среднее напряжение нагрузки.
Реализован опытный образец бустерной схемы 2 (фиг.1). Катушка намотана на кольцевом сердечнике из магнитодиэлектрика проводом из литцендрата. Нагрузка - низкоомная, RH≈1 Oм. Транзисторный ключ VТ2 реализован на мощном МДП (MOSFET) транзисторе IRFP044N. Ключ управлялся генератором импульсов через повторитель на транзисторе КП-901. В качестве ключа VD2 использовался диод Шотки SBL3040PT. Эквивалент суперконденсатора - лабораторный линейный источник питания, работающий в режиме стабилизации напряжения. Для уменьшения влияния эквивалентного последовательного сопротивления фильтрующий конденсатор Сн реализован параллельным включением конденсаторов меньшей емкости. Предельная выходная мощность в эксперименте ограничена предельным током лабораторного источника. Предельная мощность в расчете ограничена поддержанием режима разрывных токов (3). Результаты эксперимента («□») и расчета (4) КПД бустерной схемы для трех значений напряжения U0: 1-7B, 2-9B и 3-11B показаны на фиг.3. Схема обладает приемлемым КПД при достаточно высокой предельной выходной мощности, ограниченной условием (3). Увеличить выходную мощность вдвое, при одновременном снижении вдвое коэффициента пульсаций выходного напряжения (сохраняя неизменным КПД) можно, используя параллельное включение двух одинаковых бустерных схем 2 на общую нагрузку. Схемы работают на одинаковой частоте и запускаются поочередно с временным сдвигом в полпериода. КПД источника можно увеличить, используя элементы электронных ключей с меньшими потерями, используя в обмотке индуктивности провод большего сечения и оптимизируя расположение силовых элементов схемы.
Рассмотрим схему заряда от генератора 3, показанную на фиг.1. Транзистор VT1 управляется ШИМ контроллером с переменной скважностью S и позволяет регулировать процесс заряда накопителя энергии на суперконденсаторе 1. Среднее значение напряжения Ux, зависит от скважности:
Ux=E/S
и должно изменяться от начального значения напряжения накопителя энергии на суперконденсаторе 1 U0 до значения ЭДС Е, вырабатываемой генератором Г при S→1. Через накопитель энергии на суперконденсаторе 1 и шунт R протекает средний зарядный ток i1:
i1=(Ux-U0)/R.
Если управление транзистором организовать таким образом (изменяя скважность S), чтобы средний зарядный ток не изменялся, то КПД заряда накопителя энергии на суперконденсаторе 1 будет определяться выражением:
Здесь τ=RпC - постоянная времени заряда, Rп - полное активное сопротивление контура заряда. Если время заряда tз существенно больше постоянной времени, эффективность заряда (5) будет близка к 1. ШИМ контроллер ключа VT1 регулирует скважность таким образом, чтобы обеспечивать постоянство напряжения (Ux-U0) на шунте R. Таким образом, напряжение U0 накопителя энергии на суперконденсаторе 1 в процессе заряда будет линейно расти от начального значения до максимального, близкого к ЭДС генератора Е, после чего заряд прекращается.
Рассмотрим работу полной электрической схемы устройства резервного электропитания, показанную на фиг.1. Если работает генератор Г, вырабатывая номинальное напряжение Е, диод 4 (VD1) открыт и это напряжение подается в нагрузку Rн. В этом случае напряжение нагрузки превышает напряжение, при котором запускается ШИМ контроллер бустерной схемы 2, транзистор VT2 и диод VD2 закрыты и бустерная схема 2 отключена. Происходит прямая передача энергии из генератора Г в нагрузку Rн. Если напряжение U0 меньше максимального, одновременно происходит зарядка накопителя энергии на суперконденсаторе 1 через схему заряда от генератора 3 до максимального значения, близкого к величине Е. При неработающем генераторе Г диод 4 (VD1) закрыт, открывается диодный ключ VD2 и происходит прямая передача энергии бустерной схемой 2 из накопителя энергии на суперконденсаторе 1 в нагрузку. При уменьшении напряжения до порогового значения запускается ШИМ контроллер бустерной схемы 2, на затвор VТ2 поступают управляющие импульсы, и напряжение нагрузки поддерживается неизменным вплоть до разряда накопителя энергии на суперконденсаторе 1 до заданного критического напряжения, например, до значения Е/2. После этого бустерная схема 2 отключается и передача энергии прекращается. Критическое напряжение накопителя энергии на суперконденсаторе 1 должно обеспечить повторный запуск генератора Г. При повторном включении генератора Г его энергия передается в нагрузку напрямую через диод 4 (VD1) и происходит заряд накопителя энергии на суперконденсаторе 1, а бустерная схема 2 отключена.
Источники информации:
1. Патент US 2007/0096700 A1 Boost Converter
2. Патент RU №2293415 от 10 февраля 2007 г. Устройство для управления зарядом аккумулятора (прототип).
Claims (1)
- Система резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой, содержащая генератор и нагрузку, отличающаяся тем, что введены накопитель энергии на суперконденсаторе, бустерная схема и схема заряда от генератора; выход схемы заряда и вход бустерной схемы подключены к суперконденсатору, причем вход схемы заряда подключен к генератору, а выход бустерной схемы - к нагрузке, при этом между генератором и нагрузкой включен диод.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012114995/07U RU120291U1 (ru) | 2012-04-16 | 2012-04-16 | Система резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012114995/07U RU120291U1 (ru) | 2012-04-16 | 2012-04-16 | Система резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU120291U1 true RU120291U1 (ru) | 2012-09-10 |
Family
ID=46939405
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012114995/07U RU120291U1 (ru) | 2012-04-16 | 2012-04-16 | Система резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU120291U1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU180289U1 (ru) * | 2018-02-15 | 2018-06-08 | Общество с ограниченной ответственностью "ТАЙТЭН ПАУЭР СОЛЮШН" | Ассиметричный суперконденсаторный источник бесперебойного питания |
RU180385U1 (ru) * | 2018-02-15 | 2018-06-09 | Общество с ограниченной ответственностью "ТАЙТЭН ПАУЭР СОЛЮШН" | Ассиметричный суперконденсаторный источник бесперебойного питания |
-
2012
- 2012-04-16 RU RU2012114995/07U patent/RU120291U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU180289U1 (ru) * | 2018-02-15 | 2018-06-08 | Общество с ограниченной ответственностью "ТАЙТЭН ПАУЭР СОЛЮШН" | Ассиметричный суперконденсаторный источник бесперебойного питания |
RU180385U1 (ru) * | 2018-02-15 | 2018-06-09 | Общество с ограниченной ответственностью "ТАЙТЭН ПАУЭР СОЛЮШН" | Ассиметричный суперконденсаторный источник бесперебойного питания |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9882380B2 (en) | For hybrid super-capacitor / battery systems in pulsed power applications | |
JP6584661B2 (ja) | 摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理の方法、回路および装置 | |
US9190915B2 (en) | Electric-power conversion device | |
EP2413463A1 (en) | Battery heating circuit | |
Liao et al. | Control strategy of bi-directional DC/DC converter for a novel stand-alone photovoltaic power system | |
JP2014023426A (ja) | バッテリ充電装置、及びこのバッテリ充電方法 | |
Saggini et al. | Supercapacitor-based hybrid storage systems for energy harvesting in wireless sensor networks | |
KR101350532B1 (ko) | 멀티 레벨 컨버터, 이를 갖는 인버터 및 이를 갖는 태양광 전원 공급 장치 | |
KR101320152B1 (ko) | 멀티 레벨 컨버터, 이를 갖는 인버터 및 이를 갖는 태양광 전원 공급 장치 | |
KR101741883B1 (ko) | 전력 저장 및 공급 시스템 | |
WO2016170190A1 (en) | A power supply system | |
US9306452B2 (en) | Multiple power path management with micro-energy harvesting | |
KR100906993B1 (ko) | 연료전지 하이브리드 발전시스템의 전력제어시스템 및전력제어방법 | |
KR100844401B1 (ko) | 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치 | |
JP2015082198A (ja) | 太陽光発電装置及び太陽光発電装置の制御方法 | |
RU120291U1 (ru) | Система резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой | |
JP6423483B2 (ja) | 再生可能エネルギー発電システム用バッテリ制御回路 | |
KR101840748B1 (ko) | 보조충전부로써 슈퍼커패시터가 적용된 하이브리드 bess 전력변환시스템 | |
CN210490543U (zh) | 一种多级储能元件并联充放电*** | |
JP2016116435A (ja) | 電力変換システム | |
KR101915244B1 (ko) | 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 bess 전력변환시스템 및 그 제어방법 | |
JP5543018B2 (ja) | 車両用電源システム | |
JP2013099093A (ja) | 電源装置 | |
ChandraShekar et al. | Design and Simulation of Improved Dc-Dc Converters Using Simulink For Grid Connected Pv Systems | |
CN113938001A (zh) | 三电平变换器及其控制方法、以及供电*** |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20160417 |