RU217001U1

RU217001U1 - Battery board

Info

Publication number: RU217001U1
Application number: RU2022121580U
Authority: RU
Inventors: Юрий Алексеевич Жуков; Андрей Олегович Ремишевский; Александр Аркадьевич Казначеев
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2023-03-14

Abstract

Полезная модель представляет собой плату батарейного питания, относится к области электротехники и предназначена для питания батарейного домена контроллера от батарей встроенных аккумуляторов. Основной функцией платы батарейного питания является зарядка напряжением от 2 В до 3 В внешних источников потребления в автономном режиме. Техническим результатом полезной модели является универсальное компактное устройство (10 × 8,7 × 4,2 см) емкостью 1,8 Ач для питания батарейного домена контроллеров напряжением U вых = от 2 В до 3В с постоянным циклом разряда/заряда (при условиях соблюдения температурного режима +10 - +35°С), которое может заряжаться от входных питающих напряжений U вх широкого диапазона (от 20 В до 28,9 В), продолжает свою работу в автономном режиме при отключении внешнего питания в течение долгого времени, а также имеет внутреннюю защиту от переполюсовки, скачка входного напряжения, максимально удобно в использовании. Достигаемый технический результат реализуется в плате батарейного питания за счет того, что она содержит аккумуляторные батареи, компаратор, стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, стабилизатор опорного напряжения, резистивные делители и коммутаторы, функционально соединенные между собой. Новым является то, что она выполнена с возможностью постоянного цикла разряда/зарядка аккумуляторных батарей, входящих в ее состав, может иметь широкий диапазон входных питающих напряжений от 20 В до 28,9 В, а также выполнена с возможностью контроля температуры заряда аккумуляторных батарей в рабочем диапазоне (10 - 35)°С.

The utility model is a battery power board, belongs to the field of electrical engineering and is designed to power the battery domain of the controller from the batteries of the built-in accumulators. The main function of the battery board is to charge external power sources with voltage from 2V to 3V offline. The technical result of the utility model is a universal compact device (10 × 8.7 × 4.2 cm) with a capacity of 1.8 Ah for powering the battery domain of controllers with a voltage of U out = from 2 V to 3 V with a constant discharge/charge cycle (subject to compliance with the temperature mode +10 - +35°C), which can be charged from the input supply voltages U in a wide range (from 20 V to 28.9 V), continues to work offline when the external power is turned off for a long time, and also has internal protection against polarity reversal, input voltage surge, the most convenient to use. The achieved technical result is implemented in the battery board due to the fact that it contains rechargeable batteries, a comparator, a voltage stabilizer, a current stabilizer, a reference voltage stabilizer, resistive dividers and switches functionally interconnected. What is new is that it is made with the possibility of a constant cycle of discharge / charging of the batteries included in its composition, can have a wide range of input supply voltages from 20 V to 28.9 V, and is also made with the ability to control the charge temperature of the batteries in the working range (10 - 35)°С.

Description

Заявленная полезная модель представляет собой плату батарейного питания, относится к области электротехники и предназначена для питания батарейного домена контроллера от батарей встроенных аккумуляторов. Основной функцией платы батарейного питания является зарядка напряжением от 2 В до 3 В внешних источников потребления в автономном режиме.The claimed utility model is a battery power board, relates to the field of electrical engineering and is designed to power the battery domain of the controller from the batteries of the built-in accumulators. The main function of the battery board is to charge external power sources with a voltage of 2 V to 3 V in offline mode.

Из известных технических решений наиболее близкими к данному являются источник питания SU 492868 А1 от 18.01.1973, переносной источник энергии переменного тока RU 128029 U1 от 18.01.2013, а также герметичный никель-кадмиевый аккумулятор RU 2168810 С2 от 16.06.1999.Of the known technical solutions, the closest to this are the power supply SU 492868 A1 dated 1/18/1973, the portable AC power source RU 128029 U1 dated 01/18/2013, and the sealed nickel-cadmium battery RU 2168810 C2 dated 06/16/1999.

В патенте-аналоге SU 492868 А1 представлен источник питания, содержащий блок аккумуляторов, преобразователь напряжения, стабилизатор напряжения компенсационного типа с последовательным регулирующим транзистором и опорным диодом, питающимся от напряжения стабилизатора и выпрямленного напряжения с дополнительной обмоткой преобразователя, отличающийся тем, что, с целью защиты от короткого замыкания на выходе стабилизатора, повышения КПД при изменении в широких пределах входного напряжения, параллельно опорному диоду и блоку аккумуляторов подсоединен через переключатель пусковой конденсатор.The analogue patent SU 492868 A1 presents a power supply containing a battery pack, a voltage converter, a compensation-type voltage stabilizer with a serial control transistor and a reference diode powered by the voltage of the stabilizer and a rectified voltage with an additional winding of the converter, characterized in that, for the purpose of protection from a short circuit at the output of the stabilizer, increasing efficiency when the input voltage changes over a wide range, in parallel with the reference diode and the battery pack, a starting capacitor is connected through a switch.

Другой патент-аналог RU 128029 U1 от 18.01.2013 описывает переносной источник энергии переменного тока, содержащий функционально соединенные аккумуляторную батарею, шины постоянного тока, первичный двигатель, генератор и выходные шины, отличающийся тем, что в качестве первичного двигателя применен двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, в качестве генератора использован трехфазный синхронный генератор с постоянными магнитами, причем указанный генератор снабжен первой трехфазной обмоткой, соединенной с выходными шинами, и второй трехфазной обмоткой, соединенной с входом выпрямительного устройства, выход которого подключен к шинам постоянного тока.Another patent-analogue RU 128029 U1 dated January 18, 2013 describes a portable AC power source containing a functionally connected battery, DC buses, a prime mover, a generator and output buses, characterized in that a DC motor with constant current is used as the primary motor. magnets, a three-phase synchronous generator with permanent magnets is used as a generator, and said generator is equipped with a first three-phase winding connected to the output buses, and a second three-phase winding connected to the input of the rectifier, the output of which is connected to the DC buses.

В патенте RU 2168810 С2, выбранного в качестве прототипа, представлен герметичный никель-кадмиевый аккумулятор для автономного питания различной аппаратуры, содержащий корпус, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, электролит, находящийся в порах электродов и сепаратора, и примыкающую к отрицательному электроду пористую электропроводящую мембрану, отличающийся тем, что пористая электропроводящая мембрана выполнена из каталитически активного по отношению к реакции электровосстановления кислорода материала: углерода, серебра или никеля, активированного углеродом.In patent RU 2168810 C2, selected as a prototype, a sealed nickel-cadmium battery for autonomous power supply of various equipment is presented, containing a housing, positive and negative electrodes separated by a separator, an electrolyte located in the pores of the electrodes and the separator, and a porous electrically conductive adjacent to the negative electrode. a membrane, characterized in that the porous electrically conductive membrane is made of a material catalytically active with respect to the oxygen electroreduction reaction: carbon, silver or nickel activated by carbon.

Основными недостатками указанных аналогов и прототипа являются отсутствие возможности постоянного цикла заряда/разряда аккумуляторных батарей, отсутствие контроля температурного режима при заряде, сложность конструкций, а также неудобство их использования в некоторых видах работ.The main disadvantages of these analogs and the prototype are the lack of the possibility of a constant charge/discharge cycle of batteries, the lack of temperature control during charging, the complexity of designs, and the inconvenience of their use in certain types of work.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение недостатков аналогов и прототипа.The task to be solved by the claimed utility model is to eliminate the shortcomings of analogues and the prototype.

Техническим результатом полезной модели является возможность нахождения долгое время в рабочем режиме при нестабильности внешнего источника питания.The technical result of the utility model is the possibility of being in operation for a long time when the external power source is unstable.

Достигаемый технический результат реализуется в плате батарейного питания за счет того, что она содержит аккумуляторные батареи, компаратор, стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, стабилизатор опорного напряжения, резистивные делители и коммутаторы, функционально соединенные между собой. Новым является то, что она выполнена с возможностью постоянного цикла разряда/зарядка аккумуляторных батарей, входящих в ее состав, может иметь широкий диапазон входных питающих напряжений от 20 В до 28,9 В, а также выполнена с возможностью контроля температуры заряда аккумуляторных батарей в рабочем диапазоне (10-35)°С.The achieved technical result is implemented in the battery board due to the fact that it contains rechargeable batteries, a comparator, a voltage stabilizer, a current stabilizer, a reference voltage stabilizer, resistive dividers and switches functionally interconnected. What is new is that it is made with the possibility of a constant cycle of discharge/charging of the batteries included in its composition, can have a wide range of input supply voltages from 20 V to 28.9 V, and is also made with the ability to control the charge temperature of the batteries in the working range (10-35)°С.

Преимущество предлагаемого технического решения по сравнению с вышеперечисленными аналогами состоит в том, что плата батарейного питания разработана так, что в процессе работы получает подзарядку от внешнего источника питания в случае разряда аккумуляторных батарей, входящих в состав платы, происходит постоянный цикл разряда/зарядка аккумуляторных батарей. При этом важным аспектом является то, что плата может питаться напряжением в диапазоне от 20 до 28,9 В, а также контролирует температурный режим при зарядке батарей.The advantage of the proposed technical solution in comparison with the above analogues is that the battery power board is designed so that during operation it receives recharging from an external power source. At the same time, an important aspect is that the board can be powered by a voltage in the range from 20 to 28.9 V, and also controls the temperature regime when charging the batteries.

Учитывая все перечисленные функции, плата батарейного питания может работать очень долгое время в рабочем режиме (используя любой внешний источник питания в заданном диапазоне) за счет постоянного цикла разряда/заряда аккумуляторных батарей, а также сохранять работоспособность и продолжать питать батарейный домен контроллера или другое устройство с напряжением питания от 2 В до 3 В в случае отключения внешнего питания до разряда аккумуляторных батарей.Considering all the above functions, the battery board can operate for a very long time in operating mode (using any external power source in a given range) due to a constant discharge / charge cycle of batteries, as well as maintain operability and continue to power the battery domain of the controller or other device with supply voltage from 2 V to 3 V in the event of an external power failure before the batteries are discharged.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображено:The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which shows:

фиг. 1 - функциональная схема платы батарейного питания.fig. 1 is a functional diagram of the battery board.

Принцип работы платы заключается в следующем: при разрядке аккумуляторных батарей (10) питанием батарейного домена контроллера или другим устройством и постепенном уменьшении выходного напряжения аккумуляторных батарей от 3 В до 2 В работает компаратор (11), стабилизатор опорного напряжения (12) с резистивным делителем напряжения (7), формирующие опорное напряжение 2 В, а также резистивный делитель (6), подключенный параллельно аккумуляторным батареям, необходимый для получения напряжения для переключения компаратора после заряда аккумуляторных батарей.The principle of operation of the board is as follows: when the batteries (10) are discharged by the power supply of the battery domain of the controller or another device and the output voltage of the batteries gradually decreases from 3 V to 2 V, the comparator (11), the reference voltage stabilizer (12) with a resistive voltage divider work (7), which form a reference voltage of 2 V, as well as a resistive divider (6), connected in parallel with the batteries, necessary to obtain the voltage to switch the comparator after the batteries are charged.

В процессе разряда аккумуляторных батарей и при достижении суммарного выходного напряжения аккумуляторных батарей 2 В (1 В+1 В), которое соответствует почти полной разрядке аккумуляторных батарей, срабатывает компаратор (происходит замыкание выводов компаратора), настроенный на срабатывание при опускании напряжения до значения опорного напряжения = 2 В.In the process of discharging the batteries and when the total output voltage of the batteries reaches 2 V (1 V + 1 V), which corresponds to almost complete discharge of the batteries, the comparator is triggered (the terminals of the comparator are shorted), configured to trigger when the voltage drops to the value of the reference voltage = 2 V.

С помощью переключения реле (4), установленного в схеме, плата БП переводится в режим зарядки. В режиме зарядки на стабилизатор напряжения (8) подается входное напряжения от 20 В до 28,9 В, которое поступает с разъема (1) через диод, который обеспечивает защиту от перенапряжения и переполюсовки. При подаче напряжения загорается светодиод, являющийся индикатором процесса зарядки, и начинается процесс зарядки аккумуляторов. Стабилизатор напряжения формирует выходное напряжение 7 В из входного напряжения (20-28,9) В. Далее стабилизатор тока (9) формирует ток зарядки 100 мА и выходное напряжение 3,45 В из напряжения 7 В, поступающего с выхода стабилизатора напряжения. При этом выходное напряжение стабилизатора напряжений может регулироваться резистивным делителем (5), установленным на плате в непосредственной близости от него, а выходной ток стабилизатора тока может регулироваться с помощью резистора, также установленного на плате.By switching the relay (4) installed in the circuit, the PSU board is switched to the charging mode. In charging mode, the voltage regulator (8) is supplied with an input voltage of 20 V to 28.9 V, which comes from the connector (1) through a diode that provides protection against overvoltage and reverse polarity. When voltage is applied, the LED lights up, which is an indicator of the charging process, and the process of charging the batteries begins. The voltage regulator generates an output voltage of 7 V from the input voltage (20-28.9) V. Next, the current regulator (9) generates a charging current of 100 mA and an output voltage of 3.45 V from a voltage of 7 V coming from the output of the voltage regulator. In this case, the output voltage of the voltage stabilizer can be controlled by a resistive divider (5) installed on the board in close proximity to it, and the output current of the current stabilizer can be adjusted using a resistor also installed on the board.

Для соблюдения температурного режима заряда аккумуляторных батарей в цепи входного напряжения (20-28,9) В последовательно включены два термореле (2), (3), осуществляющие размыкание цепи, при температуре, не входящей в диапазон (10 - 35)°С. При восстановлении заданного температурного диапазона процесс зарядки не возобновляется для исключения эффекта «памяти», связанного с физикой процессов в аккумуляторах, зарядка возобновляется только при снижении значения напряжения на аккумуляторах до значения 2 В. При внезапном пропадании входного напряжения (от 20,0 до 28,9 В) на входе разъема (1) в процессе зарядки аккумуляторов и после восстановления входного напряжения на разъеме, процесс зарядки не возобновляется для исключения эффекта «памяти», а возобновляется только при снижении напряжения на аккумуляторах до значения 2 В.To comply with the temperature regime of the battery charge in the input voltage circuit (20-28.9) V, two thermal relays (2), (3) are connected in series, which open the circuit at a temperature not included in the range (10 - 35) ° С. When the set temperature range is restored, the charging process is not resumed to eliminate the “memory” effect associated with the physics of processes in batteries, charging is resumed only when the voltage on the batteries drops to 2 V. In the event of a sudden loss of input voltage (from 20.0 to 28, 9 V) at the connector input (1) during battery charging and after the input voltage is restored at the connector, the charging process is not resumed to eliminate the “memory” effect, but resumes only when the battery voltage drops to 2 V.

В режиме зарядки выходы аккумуляторных батарей соединяются со входом компаратора через резистивный делитель напряжения (6) с соотношением 2/3. Пока аккумуляторы не заряжены, выполняется условие «U входное» < «U опорного», так как на выходе аккумуляторных батарей напряжение меньше = 3 В, соответственно напряжение, формируемое резистивным делителем (6) с коэффициентом 2/3, меньше «U опорного» = 2 В. Соответствующие выводы компаратора замкнуты и контакты реле удерживаются в замкнутом состоянии.In the charging mode, the battery outputs are connected to the comparator input through a resistive voltage divider (6) with a ratio of 2/3. While the batteries are not charged, the condition “U input” < “U reference” is satisfied, since the voltage at the output of the batteries is less than = 3 V, respectively, the voltage generated by the resistive divider (6) with a factor of 2/3 is less than “U reference” = 2 V. The corresponding comparator outputs are closed and the relay contacts are held closed.

При полной зарядке аккумуляторных батарей выходное напряжение на аккумуляторных батареях составляет 3 В (1,5 В+1,5 В). На выходе резистивного делителя (6) и соответствующем контакте компаратора напряжение становится равно 2 В, что соответствует опорному напряжению компаратора «U опорное» = 2 В, компаратор переключается в обратную сторону, размыкаются контакты реле (4), плата батарейного питания переводится в режим разрядки, светодиод индикации зарядки гаснет.When the batteries are fully charged, the battery output voltage is 3V (1.5V+1.5V). At the output of the resistive divider (6) and the corresponding contact of the comparator, the voltage becomes equal to 2 V, which corresponds to the reference voltage of the comparator "U reference" = 2 V, the comparator switches in the opposite direction, the relay contacts (4) open, the battery power board switches to the discharge mode , the charging LED turns off.

Когда аккумуляторные батареи снова разрядятся до напряжения 2 В, компаратор вновь сработает и плата опять переключится в режим зарядки аккумуляторных батарей, процесс будет продолжаться циклически.When the batteries are again discharged to a voltage of 2 V, the comparator will work again and the board will switch back to the battery charging mode, the process will continue cyclically.

Claims

Battery board containing rechargeable batteries, a comparator, a voltage stabilizer, a current stabilizer, a reference voltage stabilizer, resistive dividers and switches, functionally interconnected, characterized in that the output parameters are obtained by parallel connection of batteries connected in series with each other, and a circuit for converting the input voltage into an output voltage, consisting of a series connection of two thermal relays, a voltage stabilizer with a parallel connected resistive divider, and a current stabilizer, and a circuit connected in parallel to them, consisting of a relay, a comparator loaded on a reference voltage stabilizer, with a parallel connected to him with a resistive divider.