CN111864825A - 用于电能回收的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气工程领域，并且特别地涉及使用电池向耗能装置供电的方法，并且可以用于给各种自主物体供电。该方法包括在由电池供电的脉冲装置中的电能回收，并且通过将来自电池的电流脉冲转换成磁能来执行，然后将磁能转换成电能，该电能返回到电池。为此，在装置中会激发频率为给定占空比的电流脉冲频率倍数的强制电磁波。用于实施该方法的脉冲装置包括电能的电感性储存装置和电容性储存装置，有源负载，电池和连接至电路的受控键，而其包含串联连接的电感性储存装置和电池的电路，与之并联连接的是与电容性储存装置，电容性储存装置与键并联，而有源负载与键串联地引入，或者与电池和电感性储存电路串联地引入，或者与电容性储存装置串联地引入。

Description

用于电能回收的方法和装置

技术领域

本发明涉及电气工程领域，尤其涉及使用电池向耗能装置供电的方法，并可用于为各种自主物体供电。

背景技术

一种已知的电源，包括电化学电流源，具有控制单元的键元件和电感为L的电感储能装置，其特征在于，电化学电流源被电容为Сш的电容器、带有水性电解质溶液的电流源、气体扩散阴极和由表达式R＝(0.09÷0.14)(L/Cш)^0.5定义的等效内部电阻R分流，而电化学电流源和并联电容器的容量比由Cyst＝(50÷100)Cш给出，并且并联电容器的电容与储能电感的比值由L Cш＝(2/π)²/T²定义，其中T为电感储存中的储能时间。

有一种用于在装置上方操作的方法，该方法包括通过键元件周期性地将具有开路电压U和短路电流I的电化学电流源与电感储存元件连接和断开，其特征在于，控制负载的电压和电流，当电流值达到(0.1÷0.2)I时，将电化学电流源与电感性储存元件断开连接，并且当电化学电流源上的电压达到(0.6÷0.8)U时，再次将电化学电流源与电感储存元件连接[发明专利RU2302060]。

基于该方法和装置的已知方法的缺点在于，随着键元件的每次打开，在电感性储存装置中出现的开口的过电流的能量不会返回到电池。

在电感性储能装置中产生能量并将其输出到负载的一种已知方法，根据该方法，电感性能量储存的泵浦电流通过串联的电感性储能装置、主电源和电路开关，在泵电流达到设定值后，通过开关断开公共电路，将跳闸过电流脉冲的能量输出到负载，其特征在于，为了增加跳闸的额外电流的脉冲能量与该能量的比值，电流和主电源由一个电路驱动，该电路包含驱动器的电阻和电感，其值使泵浦电流的脉冲持续时间比感应驱动时间常数小预定值[发明专利RU2558693]。

如上所述，在这种在电感性储存装置中产生能量的方法中，不可能回收电池中的能量。

从交流电源以正弦电压形式对电池进行不对称电流充电的一种已知方法，在该方法下，充电电流的恒定分量以单极性脉冲的形式在电源频率下形成，或者通过整流提到的电源中的电压而倍增，通过保持充放电电流蓄电池的强制振荡并同时限制其值来产生交流分量，同时在限制充电电流脉冲幅度的周期中获得在线电磁能，该在线电磁能用于产生充放电电流的强制振荡，并且不对称电流是通过直接在电池充电电路中将相同频率的恒定分量和可变分量相加而获得的，其特征在于，它们会转换部分所述充电电磁能并使用接收到的能量维持强制波动。

用不对称电流对电池充电的另一种已知系统，包括用于连接可再充电电池的正输出端子和负输出端子，用于连接至交流电源的端子的两个输入端子，例如由电桥控制的交流整流器，其负输出端子连接到负输出，以及充放电双绕组电感变压器和电容器，其中一个衬层直接连接到输出端子，另一层通过充放电电感-变压器的一个绕组连接到负输出，其特征在于，充放电电感-变压器的另一绕组连接在系统的正输出端子与整流器的正输出端子之间，而所述绕组通过串联计数器中的充放电电容器连接[发明专利RU2091953]。

根据专利RU2091953的发明的缺点在于，耗能装置与交流电源关联，此外，它需要整流器和变压器。

一种用于在脉冲装置中回收电能的已知方法，其特征在于，将通过将充电的电容性储存装置的能量转换为电流的磁能而获得的电流的磁能转换为电容性储存装置的能量，其特征在于：在脉冲装置的一个工作周期内，将电容能量驱动转换为电流的磁能两次，反之亦然，在第一阶段，电容储存环的能量转换为电阻-电感负载中的电流的磁能，随后在电容性储存装置中进行能量回收，在第二阶段中，储能电容器在电感器电流中转换为磁能，随后在电容性储存装置中进行能量回收。

使用上述方法的另一种已知装置，包括连接到充电装置的电容性储能装置，与之并联连接的是串联的有源电感负载和第一开关，其特征在于，串联连接的电感器和与电容开关并联连接的第二开关的电路被引入到储能装置中，其中，电容储能装置的第一输出、有源电感负载的第一输出和感应线圈的第一输出互连并连接到充电器的正极端子，有源电感负载的第二端子连接到第一键的阳极，电感器的第二端子连接到第二开关的阴极，电容储能装置的第二端子，第一开关的阴极和第二开关的阳极互连并连接至充电器的负端子[专利RU2351064]。

本发明的最接近的类似物是RU2351064，其具有以下缺点：

首先，已知的方法在电感器中提供单极性电流脉冲。在功能强大的装置中，使用具有铁磁芯的线圈。在单极性电流脉冲的影响下，磁芯始终被磁化，从而降低了安装效率。特别地，当通过在铁芯中引入非磁性间隙来解决该问题时，磁芯线圈的质量显著增加。

其次，已知专利中的电路由于元件和引入第二电感而变得复杂，这是附加的质量增加。例如，在电动飞机上，设计师正在为减轻每克的重量而奋斗。

第三，在众所周知的专利中，仅在具有电感驱动器和一个电容性驱动器的两个电路之间进行能量回收，而电池仅消耗能量来给驱动器充电。

在本发明中，消除了列出的缺点。

发明概述

本发明的技术问题是增加独立安装中电池放电的持续时间并简化设计。

本发明提供了一种技术结果，该技术结果在于利用归因于电感性储存所产生的一部分无功能量的能量回收，并且首先将该能量转换为电容性储存的电能，然后将其返回给电池，从而提高了独立装置的效率。

在本发明的方法中实现了技术结果，该方法用于在由电池供电的脉冲装置中进行电能回收，其中，来自电池的电流脉冲的能量被转换为电感性储能装置的无功电能，然后将无功电能转换为电容性储存装置的电能，从电容性储存装置中返回到电池，同时通过从电池向脉冲装置供电，它会激发强制电磁振荡，其频率是来自电池的电流的脉冲频率的倍数，并且电池连接的持续时间不得超过强制电磁振荡周期的四分之一，该时间由带有键的电池电流脉冲的占空比设定，而电容性储存装置的容量如此选择，使得在每个循环中电压幅度超过电池电压。

从电池到脉冲装置的循环电源设置为等于或接近脉冲装置中电磁波的谐振频率。

在这种情况下，最大的作用就是提供回收。、

用于实施该方法的脉冲安装装置，包括电感性和电容性电能储存装置，有源负载，电池和连接至电路的受控键，而受控键被设计为提供给定持续时间的来自电池的电流脉冲以及该电路的频率，该装置包括串联连接的电感驱动器和电池的电路，并联连接有电容性驱动器，电容性驱动器并联连接有受控键，而有源负载则与键串联地引入或在电感性储存电路中串联到电池而引入，或与电容性蓄电池串联地引入。

在这种情况下，电容性蓄电池用作电容器，而阻抗油或电动机绕组用作电感性储存装置。

第二键与电池串联地引入，可在长时间关闭装置时打开。

在上述装置中，如果长时间不使用，打开第二键可以减少电池通过绝缘材料的能量泄漏。

附图说明

图1至图3示出了本发明。图1示出了脉冲装置的电路图。在图2显示了使用两通道示波器在脉冲装置中测量电信号的示意图。在图3示出了电信号的同步图。

引入以下符号。A_k-电池，L-电感性储存装置，C-电容性储存装置，R-有源负载，R_I-测量电阻器，K1-受控键，K2-用于关闭装置的键。位置1表示一个两通道示波器。箭头表示电流方向：I_P-来自电池，I_Z-到电池。弯曲的箭头表示脉冲设置中示波器探头的连接点。在图表上，图3标记为：X-示波器扫描的水平轴，其垂直位置对应于纵坐标的零值；U_K1-K1键的端子处的电压图；I_P-来自电池的电流；I_z–去往电池的电流；T-键K1闭合频率的周期；t-键K1处于闭合状态的持续时间。

发明详述

图1显示了脉冲安装电路的主要版本。它由三个并联电路构成：第一电路包括串联连接的电池A_k、电感性储存装置L和键K2。第二电路是电容性储存装置C；第三电路由串联连接的有源负载R和受控键K1组成。有条件地未示出键管理电路K1。有源负载R尤其可以与电容性储存装置C串联或与电感性储存装置L串联，所包括的负载的同时组合是可能的。

脉冲安装装置的工作方式如下。在初始位置，钥匙K1打开，钥匙K2关闭，并在整个安装装置的持续时间中保持在该位置。结果，电容性储存装置C被充电至等于电池端子A_k处的电压的电压值。然后打开受控键K1，该键以给定的周期T和占空比循环开始。在这种情况下，闭合状态的持续时间为t。在此期间，来自电池A_k的正极端子的电流I_P，通过电感驱动器L，负载R，键K1的闭合触点，闭合的键K2进入电池的负极端子。在电感驱动器L中，电流I_P的能量W转换为磁能：

W＝L*(I_P)²/2 (1)

在打开键K1的瞬间，电感驱动器L产生的EMF明显超过电池电压A_k。开启持续时间是键的内部属性。对于现代的半导体开关，它比工作频率范围的周期长度短数千倍。由于具有键K1的电路是断开的，因此电流I_P被强制流过电容性储存装置C，对其进行充电，因此其值减小。对于变化的电流，电容C变为导电。在图3中，电容储存装置的电荷在电流图I_P与X轴相交的时刻结束。为了将电容性储存装置C放电到电池A_k，其上的电压必须超过电池电压。为了满足此条件，可通过以下表达式计算出所需的驱动器电容值：

U_c＝√[(2W+C*U²)/С]>U，(2)

其中U_c是充电电容的电压，W是电感性储存装置的能量，C是电容性储存装置的电容，U是电池的电压。

在图图2示出了测量实验脉冲装置的操作参数的图。使用以下电池值：电池电压U＝107伏，电感L＝1.57亨利，电容C＝1μF，电阻R_i＝0.1欧姆。

负载R消耗的有功功率为30W，键闭合频率K1为4000Hz，占空比为5。测量结果表明，电流消耗的能量的85％返回电池。电流和电压变化的实验图在图3中示出。

Claims (5)

1.用于由电池供电的脉冲装置中进行电能回收的方法，其中，将电流脉冲的能量从电池转换成电感性储存装置的无功能量，然后将无功能量转换成电容性储存装置的电能，从电容性储存装置中返回电池，其特征在于，在从电池到脉冲装置的循环电源供应期间，它以来自电池的电流脉冲频率的频率倍数激发强制性电磁振荡，同时来自电池的电流脉冲的持续时间借助于脉冲占空比键被设置为不超过四分之一周期的强制电磁振荡，其中，选择储存电容的电容幅度，使得在每个所述循环中电压幅度都高于电池电压。

2.根据p.1所述的方法，其特征在于，来自电池的电流脉冲的频率被设置为等于或接近脉冲装置中电磁波的谐振频率。

3.用于实施根据权利要求1所述的方法的脉冲安装装置，包括：电感性和电容性电能储存装置，有源负载，电池和连接到所述电路的受控键，所述键被设计为从给定持续时间和频率的电池向所述电路提供电流脉冲，其特征在于，它包含串联连接的电感性储能装置和电池的电路，与之并联连接连接的是电容性储能装置，与电容性储能装置并联的是键，而有源负载与键串联或在电感性储存电路中与电池串联，或与电容性蓄电池串联。

4.根据p.3所述的装置，其特征在于，电容器用作电容性储存装置，并且电感器或电动机绕组用作电感性储存装置。

5.根据p.3所述的装置，其特征在于，第二键与电池串联地插入，该第二键设计为在装置长时间空闲时打开。

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