RU203529U1 - Двухступенчатый контроллер заряда аккумуляторных батарей с расширенными функциональными возможностями - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам заряда аккумуляторных батарей. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности заряда различных типов аккумуляторных батарей от различных первичных источников электропитания постоянного тока в широком диапазоне питающих напряжений, включая солнечные панели, и программной реализации расширенного списка режимов работы: стабилизации напряжения, стабилизации тока, стабилизации мощности и отслеживания точки максимальной мощности в жестких условиях эксплуатации. Достигается тем, что устройство состоит из двух последовательно соединенных ступеней преобразования напряжения, подключенных к первичным источникам электрической энергии постоянного тока через предохранитель, входной фильтр электромагнитных помех и схему защиты и ограничения пускового тока, подключенную к вспомогательному источнику тока с гальванической изоляцией выходных напряжений для питания аппаратуры обеих ступеней преобразования. 1 ил.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам заряда аккумуляторных батарей и может быть использована для обеспечения электропитания аппаратуры и технических средств регулируемым напряжением постоянного тока от различных первичных источников электрической энергии в жестких условиях эксплуатации.

Из уровня техники известен солнечный контроллер КЭС DOMINATOR МРРТ, ООО "МикроАРТ", Россия с конвекционным охлаждением, построенный на основе DC-DC преобразователя напряжения и микроконтроллера с элементами индикации, кнопками управления и каналом информационного обмена по интерфейсу RS-232 [см. сайт www.mppt.pro].

Известное устройство позволяет заряжать различные типы аккумуляторных батарей от солнечных панелей и ветрогенераторов и следить за точкой максимальной мощности (МРРТ) даже в случае частичного затенения солнечного модуля, что значительно повышает эффективность использования энергии фотоэлектрических систем по сравнению с обычным методом ШИМ (PWM).

Недостатком этого известного контроллера заряда, являющегося устройством широкого потребления, является то, что он не предназначен для работы с другими первичными источниками энергии постоянного тока, такими как AC/DC и DC/DC преобразователями напряжения для питания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в жестких условиях эксплуатации и для ответственных применений, например, в качестве бортовых устройств электропитания в буфере с аккумуляторной батареей.

Известны преобразователи DC/DC группы Hi-Rel американской компании SynQor, выполненные по двухступенчатой схеме и предназначенные для применения в жестких условиях эксплуатации для питания аппаратуры ответственного применения [см. сайт https://www.synqor.com, а также статью М. Никитина «Высоконадежные DC/DC преобразователи для применения в военной и транспортной технике» в журнале «Компоненты и технологии №1, 2011. С. 52-54]. Первая ступень известных преобразователей содержит последовательно соединенные повышающий преобразователь со схемой контроля входного напряжения, понижающий регулятор, датчик тока с токовым ограничителем и блок основного контроля за работой первой ступени, подключенный к драйверам ключей регулятора и к устройству контроля за выходной мощностью. Вторая ступень известных преобразователей содержит узел гальванической развязки, трансформатор обратной связи и регулятор мощности, подключенные к блоку вторичного контроля за работой второй ступени, управляющий драйверами ключей узла гальванической развязки.

Известные преобразователи имеют следующие недостатки:

они не предназначены для управления зарядом аккумуляторных батарей в том числе от солнечных панелей, так как обладают всего одним режимом работы, а именно стабилизацией фиксированных выходных напряжений с подстройкой величин в узком диапазоне с помощью внешних резисторов, и имеют сравнительно маленькую мощность;

у них отсутствует цифровое управление по внешнему каналу информационного обмена.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенной полезной модели является конвертор напряжения сети КНС-1500-28,5-00 СКТБ "СКиТ", Россия с конвекционным охлаждением, предназначенный для работы в составе зарядных устройств аккумуляторных батарей и питания РЭА в жестких условиях эксплуатации и обеспечивающий преобразование входного напряжения переменного тока в выходное напряжение постоянного тока с гальванической развязкой между входом и выходом [см. сайт www.skitlab.ru]. Известное устройство рассчитано на выходную мощность 1500 Вт и позволяет работать в режимах стабилизации выходного напряжения и стабилизации выходного тока и содержит последовательно соединенные входной сетевой фильтр электромагнитных помех, схему защиты и ограничения пускового тока, корректор коэффициента мощности, изолирующий квазирезонансный мостовой преобразователь напряжения с синхронным выпрямителем, схемы защиты и выходной фильтр электромагнитных помех, подключенный к выходу схемы защиты и ограничения пускового тока вспомогательный источник питания с гальванической изоляцией выходных напряжений и микроконтроллер с функциями управления и встроенного контроля, подключенный через схему последовательного интерфейса RS-485 к каналу информационного обмена устройства, по интерфейсу I2C к датчику температуры, по сигналам АЦП через измерительные схемы, а по сигналам управления непосредственно к изолирующему квазирезонансному мостовому преобразователю и к устройствам коммутации и индикации.

Недостатком известного устройства является невозможность заряжать с его помощью аккумуляторные батареи от солнечных панелей (модулей) и от других первичных источников электроэнергии постоянного тока.

Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача расширения функциональных возможностей известного устройства и создания конроллера заряда аккумуляторных батарей от различных первичных источников энергии постоянного тока, включая солнечные панели (модули), для в жестких условий эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что предложен двухступенчатый контроллер заряда аккумуляторных батарей с расширенными функциональными возможностями, первая ступень которого содержит подключенный к внешнему первичному источнику питания постоянного тока через первый предохранитель последовательно соединенные фильтр электромагнитных помех и схему защиты и ограничения пускового тока, подключенную к вспомогательному источнику тока с гальванической изоляцией выходных напряжений, подключенных к аппаратуре первой и второй ступени заявленного устройства, вторая ступень которого подключена к выходу первой ступени через второй предохранитель и содержит изолирующий квазирезонансный мостовой преобразователь напряжения с синхронным выпрямителем, подключенный через схемы защиты и выходной фильтр электромагнитных помех к нагрузке и внешней аккумуляторной батарее. Вторая ступень заявленного устройства содержит также микроконтроллер с функциями управления и встроенного контроля, подключенный через схему последовательного интерфейса RS-485 к каналу информационного обмена заявленного устройства, по интерфейсу I2C к датчику температуры, по сигналам АЦП через измерительные схемы, а по сигналам управления непосредственно к изолирующему квазирезонансному мостовому преобразователю и к устройствам коммутации и индикации.

Новым в предложенной полезной модели является то, что в первую ступень предложенного двухступенчатого контроллера заряда аккумуляторных батарей введен двухканальный повышающий преобразователь с интерливингом, включенный между схемой защиты и ограничения пускового тока первой ступени заявленного устройства и предохранителем изолирующего квазирезонансного мостового преобразователя второй ступени с синхронным выпрямителем, и второй микроконтроллер с функциями управления и встроенного контроля, подключенный по сигналам управления непосредственно, а по сигналам АЦП через измерительные схемы к двухканальному повышающему преобразователю напряжения с интерливингом, по выходу последовательного интерфейса к первому микроконтроллеру через схему гальванической развязки, по интерфейсу I2C ко второму датчику температуры, а по выходу сигналов управления к подогревателю, соединенному с выходом схемы защиты и ограничения пускового тока.

Технический результат заявленной полезной модели состоит в расширении функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности заряда различных типов аккумуляторных батарей от различных первичных источников электропитания постоянного тока в широком диапазоне питающих напряжений, включая солнечные панели, и программной реализации расширенного списка режимов работы: стабилизации напряжения, стабилизации тока, стабилизации мощности и отслеживания точки максимальной мощности в жестких условиях эксплуатации.

На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленного устройства.

Заявленное устройство состоит из первой 1 и второй 2 ступени, первая из которых 1 содержит последовательно соединенные предохранитель 3, подключенный к шине 4 входного питающего напряжения от первичных источников энергии постоянного тока (на чертеже не показаны), входной фильтр электромагнитных помех 5, схему защиты и ограничения пускового тока 6, двухканальный повышающий преобразователь напряжения 7 с интерливингом, а также вспомогательный источник тока 8 с гальванической изоляцией выходных напряжений, подключенный по шине 9 к аппаратуре первой ступени 1 и по шине 10 к аппаратуре второй ступени 2 заявленного устройства, и подогреватель 11. Выходы сигналов о работе двухканального повышающего преобразователя напряжения 7 с интерливингом через измерительные схемы 12 подключены к входам АЦП, а входы сигналов управления подключены непосредственно к соответствующим выходам микроконтроллера 13 с функциями управления и встроенного контроля за работой первой ступени 1 устройства. Микроконтроллер 13 по выходу управляющего сигнала подключен к нагревателю 11, а по интерфейсу I2C к датчику температуры 14. Промежуточное постоянное напряжение с выхода повышающего преобразователя 7 с интерливингом первой ступени 1 заявленного устройства через предохранитель 15 подается на вход изолирующего квазирезонансного мостового преобразователя 16 с синхронным выпрямителем (на чертеже не показан) и далее через схемы защиты 17 и выходной фильтр электромагнитных помех 18 на выход 19 второй ступени заявленного устройства, к которому подключается нагрузка и/или аккумуляторная батарея (на чертеже не показаны). Сигналы о работе изолирующего квазирезонансного преобразователя 16 через измерительные схемы 20, а управляющие сигналы непосредственно поступают с соответствующих контактов микроконтроллера 21, подключенного по последовательному каналу связи UART через схему гальванической развязки 22 к выходу микроконтроллера 13 первой ступени заявленного устройства 1 и через схему 23 последовательного интерфейса RS-485 к выходу 24 канала информационного обмена второй ступени 2 заявленного устройства. Датчик температуры 25 по интерфейсу I2C подключен к соответствующим входам микроконтроллера 21, входы разовых команд которого подключены к устройству коммутации 26, а выходы сигналов управления подключены к устройству индикации 27.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Напряжение питания от первичных источников электроэнергии постоянного тока по шине 4 через защитный предохранитель 3 первой ступени 1 устройства подается на входной LC-фильтр электромагнитных помех 5, защищающий внутренние цепи устройства от внешних помех и сокращающий уровень шумов, создаваемых импульсными преобразователями устройства в цепях питающей сети и нагрузки. Далее напряжение поступает на схему защиты и ограничения пускового тока 6. Схема защиты обеспечивает защиту устройства от включения в сеть с неправильной полярностью, а также защищает элементы схемы от попадания на них повышенного напряжения в случае недопустимого увеличения напряжения питающей сети, а также предотвращает некорректную работу устройства при пониженном напряжении питающей сети. Схема ограничения пускового тока необходима при заряде рабочих емкостей устройства в момент его включения, когда ток может многократно превысить нормальный рабочий ток и привести к выходу из строя как элементов схемы устройства, так и питающего оборудования. Схема представляет собой активное сопротивление, включенное последовательно с емкостной нагрузкой, которое после установления на емкостях нормального напряжения шунтируется для уменьшения тепловыделения и увеличения коэффициента полезного действия (КПД) устройства.

Основу первой ступени устройства составляет предварительный повышающий преобразователь напряжения 7, который выполнен по известной двухканальной схеме с интерливингом (коммутацией) и служит для получения стабилизированного промежуточного напряжения величиной 77 В, несколько превышающего максимально допустимое напряжение питания устройства (72 В). Параллельная работа двух каналов повышающего преобразователя 7 позволяет располовинить тепловую мощность потерь при минимальном напряжении питания, а интерливинг позволяет понизить импульсные входные токи и уменьшить электромагнитные помехи. Напряжение на вход повышающего преобразователя 7 подается с выхода схемы защиты и ограничения пускового тока 6 и параллельно поступает также на вход вспомогательного источника тока 8, выполненного по обратноходовой схеме с гальванической развязкой и обеспечивающего электропитанием аппаратуру обеих ступеней 1 и 2 заявленного устройства. По шине 9 напряжения постоянного тока с выхода вспомогательного источника тока 8 подается на элементы первой ступени 1 устройства, а по шине 10- на элементы второй ступени 2 устройства. Для обеспечения работоспособности при температуре минус 50 градусов Цельсия в устройство введен подогреватель 11, управляемый с выхода микроконтроллером 13 по сигналам датчика температуры 14. Микроконтроллер 13 с измерительными схемами 12, подключенными к двухканальному повышающему преобразователю 7, обеспечивает автоматический контроль за его работой.

Повышенное стабилизированное промежуточное напряжение с выхода первой ступени 1 устройства подается через защитный предохранитель 15 на вход изолирующего преобразователя напряжения 16, выполненного по известной схеме квазирезонансного мостового преобразователя, являющегося основной частью второй ступени 2 устройства. Квазирезонансность позволяет уменьшить электромагнитное излучение и потери за счет мягкого (при нулевом напряжении) переключения силовых транзисторов. Указанный преобразователь 16 служит для гальванической развязки нагрузки от входных цепей электропитания. Силовой трансформатор мостового преобразователя 16 (на чертеже не показан) понижает напряжение и обеспечивает требуемую гальваническую развязку выходного напряжения для удовлетворения требованиям электрической безопасности устройства и подключаемой к нему аппаратуры. Пониженное силовым трансформатором напряжение переменного тока высокой частоты (100 кГц - для уменьшения габаритов силового трансформатора) выпрямляется синхронным выпрямителем и усредняется и сглаживается конденсатором (на чертеже не показаны). Синхронный выпрямитель позволяет уменьшить тепловыделение и повысить КПД за счет меньшего по сравнению с диодным падения напряжения на полупроводниковых элементах. Ключами моста и синхронным выпрямителем преобразователя 16 управляет контроллер ШИМ (на чертеже не показан) методом фазового сдвига, который измеряет и регулирует выходное напряжение путем сдвига фазы одной стойки моста относительно другой, изменяя таким образом соотношение времени подачи энергии и времени холостого хода. На время передачи энергии контроллер ШИМ включает один из ключей синхронного выпрямителя, подключая нагрузку к обмотке трансформатора. Благодаря предварительному повышающему преобразователю 7 в первой ступени 1 устройства мостовой преобразователь 16 всегда работает с высоким коэффициентом заполнения, что обеспечивает высокий КПД. Мостовой преобразователь 16 охвачен отрицательной обратной связью по току и напряжению. Обратную связь по току обеспечивает датчик тока - шунт (на чертеже не показан). С выхода изолирующего квазирезонансного мостового преобразователя 16 напряжение постоянного тока проходит через схемы защиты 17 от перенапряжений, обратного тока и короткого замыкания и выходной фильтр электромагнитных помех 18 на выход 19 устройства для подключения к нагрузке и аккумуляторным батареям.

Управление работой аппаратуры второй ступени 2 устройства осуществляет микроконтроллер 21, подключенный к изолирующему преобразователю 16 через измерительные схемы 20 и непосредственно. Микроконтроллер 21 поддерживает 4 режима работы устройства: стабилизацию напряжения, стабилизацию тока, стабилизацию мощности и режим отслеживания точки максимальной мощности МРРТ (при питании от солнечных модулей). В режиме МРРТ поддерживается максимальный уровень входной мощности путем коррекции параметров выходной мощности устройства. Микроконтроллер 21 по последовательному интерфейсу UART через схему гальванической развязки 22 получает информацию от микроконтроллера 13 первой ступени 1 о величинах входного напряжения, тока, температуры, битов состояния контроллеров ШИМ, управляющих работой повышающего преобразователя 7 первой ступени 1 устройства. Микроконтроллер 21 подключен также к датчику температуры 25, устройству коммутации 26, устройству индикации 27 и к схеме 23 последовательного интерфейса RS-485, подключенной к выходу 24 канала последовательного информационного обмена устройства. Через указанный канал осуществляется передача данных о состоянии устройства и параметрах, необходимых для его конфигурирования с удаленной точки доступа. Индикация параметров и режимов работы устройства осуществляется с помощью встроенного в переднюю панель устройства индикации 27. Управление режимами индикации осуществляется с помощью кнопок устройства коммутации 26.

Принятые сокращения:

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

РЭА - радио-электронная аппаратура;

КПД - коэффициент полезного действия;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция;

МРРТ -maximum power point tracking - отслеживание точки максимальной мощности;

AC/DC - alternating current-direct current - преобразователь переменного тока в постоянный;

DC/DC - direct current-direct current - преобразователь постоянного тока в постоянный;

UART - universal asynhronous receiver/transmitter - универсальный асинхронный приемо-передатчик;

PWM - pulse-width modulation - широтно-импульсная модуляция.

Claims (1)

1. Двухступенчатый контроллер заряда аккумуляторных батарей с расширенными функциональными возможностями, первая ступень которого содержит подключенный к внешнему первичному источнику питания постоянного тока через первый предохранитель последовательно соединенные фильтр электромагнитных помех и схему защиты и ограничения пускового тока, подключенную к вспомогательному источнику тока с гальванической изоляцией выходных напряжений, подключенных к аппаратуре первой и второй ступени заявленного устройства, вторая ступень которого подключена к выходу напряжения первой ступени через второй предохранитель и содержит изолирующий квазирезонансный мостовой преобразователь напряжения с синхронным выпрямителем, подключенный через схемы защиты и выходной фильтр электромагнитных помех к нагрузке и внешней аккумуляторной батарее, вторая ступень заявленного устройства содержит также микроконтроллер с функциями управления и встроенного контроля за работой второй ступени, подключенный через схему последовательного интерфейса RS-485 к каналу информационного обмена заявленного устройства, по интерфейсу I2C к первому датчику температуры, по сигналам АЦП через измерительные схемы, а по сигналам управления непосредственно к изолирующему квазирезонансному мостовому преобразователю и к устройствам коммутации и индикации, отличающийся тем, что в первую ступень заявленного устройства введен двухканальный повышающий преобразователь с интерливингом, включенный между схемой защиты и ограничения пускового тока первой ступени заявленного устройства и предохранителем изолирующего квазирезонансного мостового преобразователя второй ступени с синхронным выпрямителем, и второй микроконтроллер с функциями управления и встроенного контроля за работой первой ступени, подключенный по сигналам управления непосредственно, а по сигналам АЦП через измерительные схемы к двухканальному повышающему преобразователю напряжения с интерливингом, по выходу последовательного интерфейса к первому микроконтроллеру через схему гальванической развязки, по интерфейсу I2C ко второму датчику температуры, по выходу сигналов управления к подогревателю, соединенному с выходом схемы защиты и ограничения пускового тока.

Images