CZ284919B6 - Zařízení pro nabíjení akumulátorů elektrické energie - Google Patents

Abstract

Nabíječ (1) obsahuje skupinu jednotlivých samostatných nabíjecích obvodů (3.1, 3.2 až 3.n), připojených každý ke skupině článků (2.1, 2.2 až 2.n) akumulátoru (2). Zařízení umožňuje, aby se akumulátor (2) plně nabíjel a současně se zmenšilo nebezpečí poškození jednoho nebo více článků (2.1, 2.2 až 2.n) nejnižší možné maximální kapacity.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro nabíjení akumulátoru elektrické energie, uzpůsobeného pro opakované nabíjení a obsahujícího články uspořádané ve více skupinách článků.

Dosavadní stav techniky

Aby se následující popis nekomplikoval nežádoucím způsobem, budou pojmy nabíjecí zařízení a akumulátor používány pro označení zařízení výše uvedeného typu a elektrického akumulátoru, uzpůsobeného pro opakované nabíjení. Dále zde ze stejných důvodů bude popisováno 15 pouze nabíjení akumulátoru, a to i pro označení operace prováděné po používání akumulátoru po určitou dobu pro účel navracení elektrické energie jím poskytnuté. Tato operace se často označuje jako dobíjení nebo opakované nabíjení akumulátoru.

V běžném jazyku se pojmu kapacita akumulátoru velmi často používá pro označení toho, co je 20 ve skutečnosti jeho jmenovitá kapacita, tj. velikost, obvykle vyjádřená v ampérhodinách, která reprezentuje množství elektrické energie, jaké může akumulátor teoreticky vracet v daných podmínkách poté, co byl plně nabit. V tomto smyslu proto má kapacita daného akumulátoru pevnou hodnotu.

Je však třeba poznamenat, že v následujícím popisu bude pojem kapacita používán pro označení velikosti reprezentující množství elektrické energie, které akumulátor může vracet v jakýkoli daný okamžik, přičemž kapacita je proměnlivá mezi maximální hodnotou, která může být odlišná od jmenovité kapacity akumulátoru, a nulovou hodnotou, tj. hodnoty, kdy je akumulátor plně nabit a plně vybit.

Nabíjení akumulátoru může být prováděno různými způsoby, které jsou dobře známé, a které zde všechny nebudou popisovány.

Podle jednoho z těchto způsobů, který se velmi často používá, se nabíjení provádí ve dvou 35 rozdílných po sobě následujících fázích. Během první z těchto fází poskytuje akumulátor proud

Ia mající konstantní velikost II, která se volí v závislosti na jmenovité kapacitě na akumulátoru a maximální přípustné době pro jeho plné nabití poté, co byl vybit. Jestliže například předpokládáme, že nabíjení akumulátoru majícího jmenovitou kapacitu 200 ampérhodin může trvat deset hodin, zvolená hodnota velikosti II bude 20 A. Tato velikost II však nesmí v žádném 40 případě přesáhnout maximální hodnotu nastavenou výrobcem akumulátoru, neboť by jinak vzniklo riziko poškození akumulátoru.

Tato první fáze, během které pravidelně vzrůstá napětí mezi svorkami akumulátoru, končí v okamžiku, kdy uvedené napětí Ua dosáhne hodnoty Ul, která je také nastavena výrobcem 45 akumulátoru.

Nabíjení akumulátoru, které ještě není ukončeno na konci této první fáze, končí během druhé fáze, během které nabíjecí zařízení udržuje napětí Ua mezi svorkami akumulátoru na uvedené hodnotě Ul. Proud Ia potom klesá, až je velmi slabý, když kapacita akumulátoru dosáhla 50 maximální hodnoty.

Nabíjecí zařízení pro provádění tohoto způsobu může sestávat ze zdroje uspořádaného tak, že poskytuje konstantní proud mající výše uvedenou velikost II, pokud napětí mezi jeho svorkami

- 1 CZ 284919 B6 je menší, než je výše uvedená hodnota Ul, atak, že toto napětí mezi jeho svorkami nepřesáhne uvedenou hodnotu Ul.

Podle jiného způsobu, který se také často používá, se nabíjení akumulátoru provádí v jediné fázi tak, že se vede do akumulátoru proud Ia, jehož velikost postupně klesá během vzrůstu kapacity tohoto akumulátoru na velmi nízkou hodnotu, kde kapacita dosahuje své maximální hodnoty, přičemž napětí Ua mezi svorkami akumulátoru vzrůstá během této doby až na výše uvedenou hodnotu U1.

Nabíjecí zařízení pro provádění tohoto způsobu může sestávat ze zdroje napětí uzpůsobeného pro poskytování bezzátěžového napětí majícího hodnotu Ul a majícího vnitřní odpor takový, že velikost maximálního proudu, který může dodávat, má hodnotu II.

Je třeba poznamenat, že napětí Ua mezi svorkami akumulátoru by nemělo přesáhnout tuto hodnotu Ul, neboť jinak zde vzniká riziko poškození akumulátoru a tedy snížení jeho životnosti. Tato hodnota Ul však závisí do značné míry na teplotě akumulátoru během jeho nabíjení.

Známé nabíjecího zařízení proto často obsahují prostředky pro seřízení této hodnoty Ul v závislosti na teplotě akumulátoru, přičemž tyto prostředky mohou být jednoduše ruční, nebo mohou být automatické, a v tomto případě samozřejmě obsahují jedno nebo více čidel pro měření teploty, uspořádaných v akumulátoru.

V nejjednodušších známých nabíjecích zařízeních je hodnota Ul pevná, což znamená, že v závislosti na teplotě je akumulátor buď ne zcela nabitý, nebo dochází k riziku, že dojde kjeho poškození.

Je dobře známé, že jednotlivé články akumulátoru prakticky nikdy nemají stejnou maximální kapacitu. Jinými slovy není maximální množství elektrické energie, které se může v každém z těchto článcích uložit během nabíjení akumulátoru a později zněj vydávat, nikdy stejné. To vyplývá z toho, že je prakticky nemožné vyrobit tyto články tak, že jednotlivé parametry, které určují jejich maximální kapacitu, například objem a chemické složení jejich aktivního materiálu, jsou přesně totožné od jednoho článku ke druhému. Kromě toho se některé z těchto parametrů mohou měnit s časem a/nebo teplotou.

Je rovněž dobře známé, že není žádoucí způsobit, aby velký proud pokračoval v průtoku článkem akumulátoru, když je tento článek plně nabitý, tj. když jeho kapacita dosáhla jeho maximální hodnotu, protože tento proud potom vytváří chemický a/nebo fyzikální jev, který může poškodit článek. Vážnost poškození článku se v takovém případě zvyšuje s velikostí proudu, který jím protéká, a toto poškození má zejména za následek další zmenšení jeho maximální kapacity.

Když je nyní akumulátor nabitý pomocí známého nabíjecího zařízení, a bez ohledu na to, jaký nabíjecí způsob je použit u tohoto zařízení, protéká tentýž proud zřejmě všemi články tohoto akumulátoru. To má za následek, že článek akumulátoru, jehož maximální kapacita je nejnižší, dosáhne své maximální kapacity v době, kdy ostatní články ještě nedosáhly jejich maximální kapacity. Jelikož není všeobecně možné určit tuto dobu, nabíjecí proud akumulátoru dále prochází článkem, majícím nejnižší maximální kapacity, poté, co tento článek dosáhl této maximální kapacity. Tento článek tak bude vysokou pravděpodobností tímto proudem poškozen. Jelikož kromě toho povede pravděpodobné poškození tohoto článku zejména ke snížení jeho maximální kapacity, bude se pokaždé, kdy je akumulátor znovu nabíjen, tento článek dále pozvolna poškozovat, až je na konci zcela zničen, což vede k poruše celého akumulátoru. Tyto nevýhody jsou všechny tím vážnější, čím větší je počet článků akumulátoru.

Jako příklad je možné uvést případ olověného akumulátoru, nabíjeného nabíjecím zařízením provádějícím první výše popsaný způsob. U takového akumulátoru je výše popsaná hodnota Ul

-2 CZ 284919 B6 například nastavena na 2,5 V na článek. Jestliže má tento akumulátor šedesát článků, bude tato hodnota

U1 =60x2,5 V = 150 V

Předpokládejme také, že jeden ze šedesáti článků, který bude nazýván článek Ex pro jeho odlišení od padesáti devíti ostatních článků, má maximální kapacitu menší, než je každá z maximálních kapacit těchto ostatních článků, a že maximální kapacity těchto ostatních článků jsou všechny stejné.

Během první fáze nabíjení tohoto akumulátoru dosáhne napětí mezi svorkami článku Ex samozřejmě hodnoty 2,5 voltů před napětím mezi svorkami každého z ostatních článků v okamžiku tl. Předpokládejme dále, že v tomto okamžiku tl napětí mezi svorkami každého z padesáti devíti článků různých od článku Ex má hodnotu pouze například 2,3 V. Napětí Ua mezi svorkami akumulátoru v okamžiku tl je tak pouze:

Um = 59 x 2,3 V + 2,5 V = 138,2 V.

Nabíjecí zařízení tak nepřerušuje první fázi nabíjení akumulátoru a velikost proudu, který pokračuje v průtoku články akumulátoru, včetně samozřejmě článku Ex, zůstává konstantní. Napětí mezi svorkami každého z těchto článků nadále stoupá, přičemž napětí mezi svorkami článku Ex se stabilizuje poměrně rychle, když kapacita článku Ex dosáhla své maximální hodnoty při hodnotě například 2,7 V.

Když napětí Ua mezi svorkami akumulátoru dosáhne výše uvedené hodnoty 150 V v okamžiku označeném jako okamžik t2, a nabíjecí zařízení přeruší první nabíjecí fázi akumulátoru, napětí mezi svorkami každého z padesáti devíti článků různých od článku Ex je tak rovné

150 V-2,7 V

----------- =2,497 V

Je známé, že když je olověný akumulátor nabíjen konstantním proudem, jako v daném příkladě, není rychlost vzrůstu napětí mezi svorkami každého z článků konstantní ve vztahu k času, ale klesá, když napětí vzrůstá, aby byla zcela nízká, když se napětí přiblíží k hodnotě 2,5 V. Je tak zřejmé, že je zapotřebí poměrně dlouhá doba mezi okamžikem tl, kdy je napětí mezi svorkami všech článků akumulátoru, kromě článku Ex, rovné 2,3 V, a okamžikem t2, kdy uvedené napětí je téměř rovné 2,5 V.

Je velké riziko, že se článek Ex poškodí velkým proudem, který jím nadále prochází po poměrně dlouhou dobu po tom, co jeho kapacita dosáhla maximální hodnoty. Vzhledem ktomu, že maximální kapacity jednotlivých článků akumulátoru nejsou všechny navzájem stejné, nejedná se v praxi o jediný článek, u něhož dochází k riziku poškození, ale o všechny články, jejichž maximální kapacita je relativně nízká a jejichž napětí dosahují před koncem první fáze nabíjení akumulátoru 2,5 V.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro nabíjení akumulátoru elektrické energie, uzpůsobeného pro opětovné nabíjení, obsahujícího články uspořádané ve více skupinách článků, kde každá skupina obsahuje nejméně jeden článek, a každá skupina z uvedených více skupin má svorky skupiny se stejnosměrným napětím na svorkách skupiny, přičemž zařízení obsahuje zdroj a více jednotlivých nabíjecích obvodů, a to každý pro nabíjení odpovídající skupiny článků,

-3 CZ 284919 B6 přičemž každý z nabíjecích obvodů má nabíjecí svorky pro připojení odpovídajících svorek odpovídající skupiny článků, přičemž jedna kladná svorka ze svorek skupiny je kladná svorka akumulátoru a záporná svorka jiné skupiny článků uvedených více skupin je záporná svorka akumulátoru, přičemž zbývající svorky skupiny, jiné než je kladná a záporná svorka akumulátoru, jsou spojeny tak, že všechny články akumulátoru jsou zapojeny vzájemně sériově mezi kladnými a zápornými svorkami akumulátoru, jehož podstatou je, že každý z nabíjecích obvodů obsahuje odpovídající transformátor, mající primární vinutí připojené ke zdroji a sekundární vinutí, a usměrňovač, mající vstup připojený k sekundárnímu vinutí, a výstupy připojené k nabíjecím svorkám.

Zdroj je podle dalšího znaku vynálezu zdroj střídavého napětí s frekvencí nejméně 10 kHz.

Každá skupina článků akumulátoru podle dalšího znaku vynálezu obsahuje více než jeden článek.

Podle dalšího znaku vynálezu je zdroj opatřen regulátorem nabíjecího proudu a nabíjecího napětí nabíjecích svorek v odezvě na velikost stejnosměrného napětí na svorkách vzhledem k referenčnímu napětí, přičemž výstup proudu do nabíjecích obvodů je nastaven na konstantní hodnotu při stejnosměrném napětí na svorkách kterékoli skupiny článků akumulátoru pod referenčním napětím, a výstup napětí do nabíjecích obvodů je nastaven na konstantní hodnotu při stejnosměrném napětí na svorkách kterékoli skupiny článků akumulátoru nad předem určeným referenčním napětím.

Zdroj může dále obsahovat vstupní usměrňovač, zapojený před regulátorem, který obsahuje regulační jednotku napětí, napojenou na komparátor pro porovnávání napětí na svorkách s referenčním napětím, a spínatelnou na konstantní napětí výstupem komparátoru pod referenčním napětím, a dále regulační jednotku proudu, rovněž připojenou ke komparátoru pro porovnávání napětí na svorkách s referenčním napětím, spínatelnou na konstantní proud výstupem komparátoru nad referenčním napětím, přičemž regulační jednotka proudu je vřazena do střídače, zapojeného na výstupní straně regulační jednotky, a také napojeného na komparátor přes spínač, uložený na spojení komparátoru s regulační jednotkou a střídačem, přičemž komparátor je opatřen snímacími přípoji, připojenými k odpovídajícím spojovacím vedením mezi nabíjecími svorkami nabíjecích obvod a svorkami článků.

Jinými slovy obsahuje zařízení podle jednoho znaku zdroj vytvářející první napětí, přičemž každý z uvedených nabíjecích obvodů obsahuje transformátor, mající primární vinutí připojené k uvedenému zdroji pro přijímání uvedeného prvního střídavého napětí a sekundární vinutí, a usměrňovač mající vstupy připojené k uvedenému sekundárnímu vinutí a výstupy připojené ke svorkám jedné z uvedených skupin článků.

Uvedený zdroj může být uspořádán tak, že poskytuje do uvedených nabíjecích obvodů proud, mající v podstatě konstantní velikost, když je napětí mezi svorkami každé ze skupin článků menší, než je předem určené referenční napětí, a napětí mající v podstatě konstantní hodnotu, když je napětí mezi svorkami kteréhokoli z uvedených článků větší, než uvedené referenční napětí.

Podle jiného provedení uvedený zdroj obsahuje usměrňovači prostředek pro poskytování usměrněného napětí z druhého střídavého napětí, regulační prostředek pro poskytování stejnosměrného napětí z uvedeného usměrněného napětí, přičemž toto stejnosměrné napětí má hodnotu závislou na hodnotě regulačního signálu, dále převáděcí prostředek pro poskytování uvedeného prvního střídavého napětí z uvedeného stejnosměrného napětí a pro poskytování měřícího signálu majícího hodnotu závisející na velikosti proudu absorbovaného uvedenými nabíjecími obvody jako odezvu na uvedené první střídavé napětí, prostředek pro poskytování integračního signálu majícího hodnotu rovnou integrálu rozdílu mezi hodnotou prvního

-4 CZ 284919 B6 referenčního signálu a hodnotou uvedeného měřícího signálu v závislosti na čase, přičemž hodnota tohoto prvního referenčního signálu je rovná hodnotě uvedeného měřícího signálu, když má uvedený proud v podstatě konstantní velikost, a prostředky pro vytváření uvedeného regulačního signálu s hodnotou rovnou hodnotě uvedeného integračního signálu, když je napětí mezi svorkami každé z uvedených skupin článků menší, než uvedené referenční napětí a s hodnotou rovnou hodnotě druhého referenčního signálu, když je napětí mezi svorkami kteréhokoli ze skupin článků větší, než je uvedené referenční napětí.

Uvedený zdroj konečně může obsahovat usměrňovači prostředek mající výstupy a uspořádaný tak, že poskytuje mezi uvedenými výstupy usměrněné napětí z druhého střídavého napětí, regulační prostředek mající vstupy připojené k uvedeným výstupům uvedeného usměrňovacího prostředku a uspořádaný tak, že poskytuje stejnosměrné napětí, mající hodnotu závisející na hodnotě regulačního signálu, převáděcí prostředek pro poskytování uvedeného prvního střídavého napětí z uvedeného stejnosměrného napětí a pro poskytování měřicího signálu majícího hodnotu závisející na velikosti proudu absorbovaného uvedenými nabíjecími obvody jako odezvy na uvedené první střídavé napětí, dále prostředek pro vytváření prvního referenčního signálu s první hodnotou jako odezvy na první stav řídicího signálu nebo druhou hodnotou jako odezvy na druhý stav řídicího signálu, přičemž uvedená první hodnota je rovná hodnotě uvedeného měřicího signálu, když uvedený proud má uvedenou v podstatě konstantní velikost a uvedená druhá hodnota je rovná zlomku uvedené první hodnoty, dále prostředek pro poskytování integračního signálu majícího hodnotu rovnou integrálu časového rozdílu mezi hodnotou uvedeného referenčního signálu a hodnotou uvedeného měřicího signálu v závislosti na čase, a prostředek citlivý na uvedený první stav uvedeného řídicího signálu pro vytváření uvedeného regulačního signálu s hodnotou rovnou hodnotě uvedeného integračního signálu, když je napětí mezi svorkami každé ze skupin článků menší než uvedené referenční napětí a s hodnotou rovnou hodnotě druhého referenčního signálu, když je napětí mezi svorkami kterékoli ze skupin větší než uvedené referenční napětí, a citlivý na uvedený druhý stav uvedeného řídicího signálu pro vytváření uvedeného regulačního signálu s hodnotou rovnou hodnotě uvedeného integračního signálu nezávisle na napětí mezi svorkami uvedených skupin článků, a přičemž zařízení dále obsahuje prostředky citlivé na uvedený druhý stav uvedeného řídicího signálu pro vedení napětí vytvořeného uvedeným akumulátorem na uvedené vstupy uvedeného regulačního prostředku.

Uvedené řešení přináší zařízení pro nabíjení akumulátoru, které podstatně snižuje riziko poškození akumulátoru během jeho nabíjení, jestliže jeden nebo druhý z jeho článků má maximální kapacitu menší, než je kapacita ostatních článků, a popřípadě toto riziko zcela vylučuje.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr. 1 celkové schéma nabíjecího zařízení podle vynálezu a obr. 2 a 3 podrobnější schémata dvou provedení nabíjecího zařízení podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Nabíjecí zařízení 1 podle vynálezu, znázorněné formou neomezujícího příkladu na obr. 1, je určeno pro nabíjení akumulátoru 2, rovněž znázorněného na obr. 1. Z důvodů, které budou vysvětleny níže, jsou články akumulátoru 2 rozděleny do n skupin 2.1 až 2.n článků Ci, majících každá v daném příkladě stejný počet článků. Na obr. 1 jsou z těchto skupin znázorněny pouze pouze první dvě skupiny 2.1 a 2.2 a poslední skupina 2,n. Všechny články stejné skupiny jsou samozřejmě vzájemně spolu sériově zapojeny. Schematicky jsou u každé skupiny opět znázor

-5 CZ 284919 B6 něny pouze první dva články a poslední článek, označené u první skupiny 2.1 reprezentativně Cl, C2 a CN. Dále se bude hovořit o článcích C.

Každá skupina 2.1 až 2.n článků C má první svorku, která je přístupná zevně akumulátoru 2 a která je připojena ke kladné svorce jejího prvního článku, a druhou svorku, která je také přístupná zevně akumulátoru 2 a která je připojena k záporné svorce jejího posledního článku. Každá první a druhá svorka tvoří samozřejmě odpovídající kladnou svorku a zápornou svorku skupiny, k níž náleží, a jsou označeny stejnou vztahovou značkou jako uvedená skupina, po níž následuje písmeno a v případě kladné svorky a písmeno b v případě záporné svorky, tj. například 2.1a a 2.1b pro skupinu 2.1.

Kladná svorka 2.1a první skupiny 2.1 .článků C přitom současně tvoří odpovídající kladnou svorku a záporná svorka 2.nb poslední skupiny 2.n článků C odpovídající zápornou svorku akumulátoru 2. Záporná svorka každé skupiny článků, samozřejmě s výjimkou svorky poslední skupiny 2.n. je připojena ke kladné svorce následující skupiny článků C, takže všechny články akumulátoru 2 jsou sériově zapojeny mezi kladnou svorkou 2.1a a svorkou 2,nb akumulátoru 2.

Nabíjecí zařízení 1 obsahuje řadu jednotlivých nabíjecích obvodů 3, určených každý k nabíjení jedné ze skupin 2.1 až 2.n článků akumulátoru 2. Tyto nabíjecí obvody 3.1 až 3.n jsou označeny tak, že druhá číslice označení je totožná s označením skupiny článků C akumulátoru 2, který má nabíjet. Každý nabíjecí obvod 3.1 až 3.n obsahuje transformátor a usměrňovači obvod připojený k sekundárnímu vinutí tohoto transformátoru. Tyto transformátory jsou označeny jako transformátory 4,1 až 4.n a usměrňovači obvody jsou označeny jako usměrňovači obvody 5.1. až 5.n, přičemž označení těchto transformátorů a usměrňovačů opět odpovídá označení nabíjecího obvodu, jehož součást tvoří.

Primární vinutí transformátorů 4,1 až 4.n jsou všechna připojena paralelně ke vstupům 3a a 3b, které jsou společné všem nabíjecím obvodům 3.1 až 3.n, přičemž tyto vstupy jsou připojeny k výstupům 6a a 6b zdroje 6 vyrábějícího střídavé napětí.

Usměrňovači obvody 5.1 až 5.n nebudou podrobně popisovány, protože mohou být stejného typu, jako řada usměrňovačích obvodů dobře známých odborníkům v oboru. Pouze zde uvedeme, že u některých typů usměrňovačích obvodů je zapotřebí umístit střední svorku na sekundární vinutí transformátoru, ke kterému je připojen. Takový případ není znázorněn.

Kladný výstup každého usměrňovacího obvodu 5.1 až 5.n, označený znaménkem +, tvoří kladný výstup nabíjecího obvodu, jehož součást usměrňovač tvoří, a tento posledně jmenovaný výstup je označen stejnou vztahovou značkou jako nabíjecí obvod, následovanou písmenem a. Podobně záporný výstup každého usměrňovacího obvodu 5.1 až 5.n, označený znaménkem -, tvoří záporný výstup nabíjecího obvodu, jehož součást usměrňovač tvoří, a tento výstup je označen stejnou vztahovou značkou jako nabíjecí obvod, následovanou písmenem b.

Jelikož je každý nabíjecí obvod 3.1 až 3.n určen pro nabíjení jedné ze skupiny 2.1 až 2.n článků C akumulátoru 2, jak je uvedeno výše, každá z nabíjecích svorek 3.1a až 3.na a každá z nabíjecích svorek 3.1b až 3.nb těchto nabíjecích obvodů 3.1 až 3.n je samozřejmě připojena k té svorce akumulátoru 2, která je označena stejnou druhou číslicí a stejným písmenem.

Je třeba poznamenat, že v určitých případech jsou skupiny článků C tvořících akumulátor 2 vzájemně zapojeny sériově vnitřními spoji. Každý z těchto spojů je tak samozřejmě připojen kjediné svorce přístupné zvnějšku akumulátoru. Jinými slovy záporná svorka každé skupiny článků C, kromě poslední, a kladná svorka následujícího článku, které jsou oddělené v příkladě z obr. 1, potom tvoří pouze jednu a tutéž svorku společnou pro skupiny článků.

-6CZ 284919 B6

V takovém případě, což není znázorněno ve výkresech, jsou záporná svorka každého z nabíjecích obvodů 3.1 až 3.n. s výjimkou posledního nabíjecího obvodu, a kladná spojka dalšího nabíjecího obvodu, samozřejmě obě připojeny ke svorce akumulátoru, která je společná pro obě skupiny článků C, které každý z těchto obou obvodů musí nabíjet.

Toto spojení může být zajištěno dvěma samostatnými vodiči, nebo jediným vodičem, přičemž záporná svorka každého nabíjecího obvodu 3.1 až 3.n, s výjimkou poslední svorky, je potom připojena ke kladné svorce následujícího nabíjecího obvodu uvnitř nabíjecího zařízení L

Je třeba také poznamenat, že různá spojení mezi nabíjecím zařízením 1 a akumulátorem 2 mohou být pevná, když jsou nabíjecí zařízení 1 a akumulátor 2 trvale ve vzájemné blízkosti, například v pevném nemobilním zařízení, nebo když jsou obě zařízení osazena ve vozidle. Tato různá spojení mohou být také odnímatelná, když je například nabíjecí zařízení 1 pevné a je určené pro nabíjení akumulátorů tvořících část mobilních zařízení jako například vozidel.

Je třeba též poznamenat, že zdroj 3 střídavého napětí může být vypuštěn, když jsou všechny primární strany transformátorů 4,1 až 4,n připojeny pevně nebo oddělitelně ke zdroji elektrické energie, například veřejné síti. Jelikož je však kmitočet střídavého napětí z takového přívodu zpravidla velmi nízký, například 50 Hz nebo 60 Hz, objem transformátorů 4,1 až 4.n musí být potom poměrně velký. Z tohoto důvodu je často výhodné použít zdroj 6 ve formě generátoru střídavého proudu vyrábějícího střídavé napětí mající poměrně vysoký kmitočet, řádově 10 až 20 kHz, nebo dokonce ještě větší, než je poslední hodnota. Je známo, že pro kmitočet této velikosti je objem transformátoru pro přenášení daného elektrického výkonu nejmenší a jeho cena je tak nejnižší. Příklad takového zdroje bude popsán níže.

Nabíjecí zařízení 1 z obr. 1 může být uspořádáno tak, aby realizovalo jakýkoli známý způsob nabíjení skupin 2,1 až 2,n článků C akumulátoru 2.

Tak například pro to, aby nabíjecí zařízení 1 pracovalo podle druhého nabíjecího způsobu popsaného výše, stačí dimenzovat transformátory 4.1 až 4.n a usměrňovače 5.1 až 5.n, stejně jako v případě potřeby zdroj 6, takovým způsobem, že napětí bez zátěže, poskytované každým z nabíjecích obvodů 3.1 až 3.n, má hodnotu v podstatě rovnou Ul/n, kde U1 je výše uvedená hodnota udávaná výrobcem akumulátoru 2, a n je počet skupin 2.1 až 2.n, a takovým způsobem, že maximální proud, který může být dodáván každým z nabíjecích obvodů 3.1 až 3.n je rovný maximálnímu proudu, který je požadován pro napájení akumulátoru 2 na začátku nabíjecího pochodu, a který se volí v závislosti na maximální kapacitě akumulátoru 2 a přípustné době pro nabíjení.

Když je nabíjecí zařízení 1 uspořádáno tímto způsobem, mají velikost proudu, absorbovaného každou ze skupin 2.1 až 2.n článků C, a napětí mezi jejich svorkami na začátku nabíjení akumulátoru 2 hodnoty, které závisí na kapacitě této skupiny článků C v tomto okamžiku, přičemž tato velikost bude tím větší a toto napětí bude tím menší, čím bude tato kapacita nižší. Když tato kapacita vzrůstá, nabíjecí proud této skupiny článků C klesá a napětí mezi svorkami vzrůstá až na hodnotu Ul/n nezávisle na kapacitě jiných skupin článků.

Uvažujeme-li například opět šedesátičlánkový olověný akumulátor, který se má nabíjet prvním z výše popsaných způsobů, aby se mohl tento akumulátor nabít nabíjecím zařízením, jako je nabíjecí zařízení 1 z obr. 1, je šedesát článků rozděleno do deseti skupin majících každá šest článků. Výše uvedená hodnota Ul/n je tak rovná

150 V/10= 15 V.

Předpokládejme dále, že v jedné z těchto skupin, kterou budeme nazývat skupina G, má jeden ze šesti článků, který budeme nazývat článek Ex pro jeho odlišení od ostatních pěti článků ve

-7 CZ 284919 B6 skupině G, má maximální kapacitu nižší, než je každá z maximálních kapacit těchto ostatních článků, přičemž tyto posledně jmenované kapacity jsou všechny stejně velké.

První fáze nabíjení skupiny G se děje způsobem obdobným tomu, jaký byl popsán ve výše uvedeném příkladě, ale když v tomto případě napětí mezi svorkami článku Ex dosáhne hodnoty 2, 5 V v okamžiku tl, bude napětí Ug mezi svorkami skupiny G pouze

Ug = 5x2,3 V+ 2,5 V = 14 V.

Když dále napětí Ug dosáhne výše uvedené hodnoty 15 voltů v okamžiku t2, a napětí mezi svorkami článku před tím dosáhlo hodnoty 2,7 V jako v předchozím případě, je napětí mezi svorkami každého z pěti článků různých od článku Ex pouze

V-2,7 V

------------= 2,46 V

Jak bylo připomenuto výše, je rychlost vzrůstu napětí přes svorky článku poměrně vysoká, když je toto napětí relativně nízké, a klesá výrazně, když se toto napětí blíží 2,5 V. Je proto patrné, že doba oddělující okamžiky tl at2 vdaném příkladě je mnohem kratší, než ve výše popsaném příkladě, když je akumulátor nabíjen známým nabíjecím zařízením.

Když se akumulátor nabíjí nabíjecím zařízením podle vynálezu, je v důsledku toho riziko poškození jednoho z jeho článků, majících menší kapacitu než ostatní, a vážnost jakéhokoli poškození tohoto článku, mnohem menší, než kdyby tento akumulátor byl nabíjen známým nabíjecím zařízením, což výrazně zvyšuje jeho životnost. Tato výhoda nabíjecího zařízení podle vynálezu vzhledem ke známým nabíjecím zařízením vyplývá ze skutečnosti, že zahrnuje nabíjecí obvody, které jsou vzájemně od sebe oddělené a jsou každý určen k nabíjení jedné skupiny článků akumulátoru.

V případech, kdy je důležité, aby životnost akumulátoru byla co možná největší, nabíjecí zařízení podle vynálezu může být uspořádáno takovým způsobem, že obsahuje tolik nabíjecích obvodů, kolik je článků v akumulátoru, takže výše uvedené skupiny článků samozřejmě obsahují každá jediný článek. Takový případ není znázorněn. V provedení znázorněném na obr. 2 je nabíjecí zařízení podle vynálezu označeno jako nabíjecí zařízení 11.

Podobně jako nabíjecí zařízení 1 zobr. 1, je nabíjecí zařízení 11 určeno pro nabíjení akumulátoru 2, jehož články jsou také rozděleny do n skupin. I když tyto skupiny článků nejsou samostatně znázorněny na obr. 2, budou dále označovány stejnými vztahovými značkami jako na obr. 1, a to 2.1 až 2.n. Jak bude patrné ze zbytku tohoto popisu, nemusí být nutně akumulátor trvale připojen k nabíjecímu zařízení TL

Stejně jako nabíjecí zařízení 1 z obr. 1, obsahuje nabíjecí zařízení 11 jednotlivé nabíjecí obvody, určené každý pro nabíjení jedné ze skupin článků akumulátoru 2. Tyto nabíjecí obvody, které jsou označeny stejně jako u nabíjecího zařízení 1 z obr. 1 jako nabíjecí obvody 3.1 až 3.n, mohou být totožné jako předchozí a nebudou proto znovu popisovány. Totéž platí pro jejich spojení se svorkami různých skupin článků C akumulátoru 2.

Nabíjecí zařízení 11 obsahuje dvě přívodní svorky 11a a 11b určené pro připojení k napájecí síti elektrické energie, například veřejné síti poskytující střídavé napětí, a k vstupnímu usměrňovači 12 majícím dva vstupy 12a a 12b, připojené kodpovídající ze svorek 11a a lib. V tomto příkladě je přívod, k němuž může být usměrňovač připojen přes svorky 1 la a 11b, jednofázový přívod, a vstupní usměrňovač 12 je upraven tak, aby mu odpovídal. Je však zřejmé, že tento přívod může být vícefázový, například třífázový, a v tomto případě je vstupní usměrňovač 12

- 8 CZ 284919 B6 odpovídajícím způsobem uspořádán a počet vstupních svorek nabíjecího zařízení 11 je přizpůsoben počtu vodičů tohoto přívodu.

Vstupní usměrňovač 12 nebude podrobně popisován, jelikož může být podobný jakémukoli z řady usměrňovačů dobře známých odborníkům. Je třeba jednoduše poznamenat, že poskytuje mezi svým kladným výstupem 12c a svým záporným výstupem 12d usměrněné napětí U12, jehož činitel vlnění závisí na jeho struktuře a možné přítomnosti dolní propusti.

Výstupy 12c a 12d vstupního usměrňovače 12 jsou připojeny ke vstupům 13a a 13b regulační jednotky 13 napětí. Tato regulační jednotka 13 napětí je uspořádána tak, aby vytvářela mezi svými výstupy 13c a 13d, z napětí přiváděné na vstupech 13a a 13b stabilizované stejnosměrné napětí U13, jehož hodnota závisí na hodnotě regulačního signálu, který přijímá na řídicím vstupu 13e. Tento regulační signál bude popsán níže.

Ve smyslu definice předmětu vynálezu je regulační jednotka 13 napětí součástí regulátoru 130, který dále obsahuje neznázoměnou regulační jednotku proudu, vřazenou do střídače 14, zapojeného na výstupní straně regulační jednotky 13 napětí, a také napojeného na komparátor 16 přes spínač 17, uložený na spojení komparátoru 16 s regulační jednotkou 13 napětí a střídačem 14. Regulátor 130 představuje funkční blok a není na obr. 2, znázorňující blokové schéma jednotlivých obvodů, samostatně znázorněn a je vyznačen pouze šipkou vedenou k regulační jednotce 13 napětí a ke střídači 14, v němž je vřazena jeho regulační jednotka proudu.

Výstupy 13c a 13d regulační jednotky 13 napětí jsou připojeny ke vstupům 14a a 14b střídače 14, který je uspořádán tak, že poskytuje na svých výstupech 14c a 14d střídavé napětí U14,jehož hodnota závisí přímo na hodnotě napětí U13. Vstupy všech nabíjecích obvodů 3.1 až 3.n jsou připojeny paralelně k výstupům 14c a 14d střídače 14. Střídač má dále výstup 14e, a je uspořádán tak, aby vytvářel na svém výstupu měřicí signál S14 reprezentativní pro velikost proudu 114, který vede do nabíjecích obvodů 3.1 až 3.n.

Nabíjecí zařízení 11 také obsahuje integrátor 15 mající dva vstupy 15a a 15b. z nichž první je připojen k výstupu 14e střídače 14 a druhý je připojen k neznázoměnému výstupu zdroje, a poskytující referenční signál Rl, jehož hodnota a účel budou popsány níže. Integrátor 15 také obsahuje výstup 15c, a je uspořádán tak, že poskytuje na svém výstupu 15c signál S15 mající hodnotu rovnou integrálu rozdílu mezi signály Rl aS14 v závislosti na čase. Jinými slovy je hodnota signálu S15 dána rovnicí

S15=J(R1 -S14)dt

Nabíjecí zařízení 11 také obsahuje komparátor 16 mající vstupy 16al až 16an připojené k odpovídajícím kladným výstupům 3.1a až 3.1n nabíjecích obvodů 3.1 až 3.n a tak ke kladným svorkám 2.1a až 2.na skupin článků 2.1 až 2.n akumulátoru 2, když je akumulátor připojen k nabíjecímu zařízení 11. Komparátor 16 dále obsahuje vstup 16ao připojený k zápornému výstupu 3.nb nabíjecího obvodu 3.n a tak k záporné svorce 2,nb poslední skupiny 2,n článků C akumulátoru 2, který je připojen k nabíjecímu zařízení 11. Tento komparátor 16 dále obsahuje vstup 16b přijímající z neznázoměného zdroje referenční napětí Ur, jehož hodnota a účel budou popsány níže.

Komparátor 16 má dále výstup 16c a je upraven tak, že signál S16 poskytovaný jeho výstupem 16c. má první stav, pokud všechny rozdíly napětí mezi dvěma jeho přilehlých vstupů 16al až 16ao jsou menší než je napětí Ur, atak, že signál S16 má druhý stav, jestliže jeden z těchto rozdílů napětí je větší než napětí Ur.

-9CZ 284919 B6

Jinými slovy je komparátor 16 upraven tak, že když je akumulátor 2 připojen k nabíjecímu zařízení 11, má signál S16 svůj první stav, pokud je napětí mezi svorkami každého článku ze skupiny 2.1 až 2,n článků toho akumulátoru 2 je menší než napětí Ur, atak, že signál S16 má svůj druhý stav, jestliže napětí mezi svorkami kterékoli článku z těchto skupin 2.1 až 2,n článků je větší než napětí Ur.

Nabíjecí zařízení 11 také obsahuje spínač 17 mající první vstup 17a a druhý vstup 17b, připojené první k výstupu 15c integrátoru 15 a druhý k neznázoměnému zdroji, poskytující referenční signál R2, jehož hodnota a účel budou popsány níže. Spínač 17 dále obsahuje řídicí vstup 17c, který je připojen k výstupu 16c komparátoru 16, a výstup 17d připojený k řídicímu vstupu 13e regulační jednotky 13 napětí. Spínač 17 je uspořádán tak, že signál S17, který vytváří na jeho výstupu 17c který je signál pro regulaci hodnoty výše uvedeného napětí U13, je totožný se signálem S15 nebo signálem R2, v závislosti na tom, zda signál S16 je v jeho prvním nebo druhém stavu.

Právě popsané obvody 12 až 17 v kombinaci vykonávají funkci zdroje 6 nabíjecího zařízení 1 z obr. 1, a jak bude podrobně popsáno níže, je tento zdroj uspořádán tak, že nabíjecí zařízení 11 nabíjí akumulátor 2 tím, že provádí způsob velmi podobný výše zmíněnému prvnímu způsobu.

V první fázi tohoto způsobu vede nabíjecí zařízení 11 do jednotlivých skupin 2.1 až 2.n akumulátoru 2 proudy, které budou dále nazývány proudy Ial až lan, které mají všechny v podstatě konstantní hodnotu rovnou výše zmíněné hodnotě II a zvolenou stejným způsobem, jako kdyby tento akumulátor 2 měl být nabíjen pomocí známého nabíjecího zařízení. V této první fázi se napětí mezi svorkami různých skupin 2.1 až 2.n článků C, která budou nazývána napětí Ugl až Ugn, postupně zvyšují vzájemně na sobě nezávisle, když se zvyšuje kapacita těchto skupin 2.1 až 2,n článků.

Tato první fáze končí, když se některé z těchto napětí Ugl až Ugn stane větší, než předem určená hodnota rovná Ul/n, tj. větší, než je poměr výše uvedené hodnoty U1 dělené počtem článků C v akumulátoru 2. Během druhé fáze nabíjení akumulátoru 2, které začíná ve stejné době, vede nabíjecí zařízení 11 do každé ze skupin 2.1 až 2.n článků C v podstatě konstantní napětí rovné této hodnotě Ul/n. Je patrné, že nabíjecí zařízení 11 také umožňuje, aby všechny tyto skupiny článků akumulátoru 2 byly nabíjeny až na jejich maximální kapacitu bez rizika poškození jednoho nebo více článků majících maximální kapacitu nižší než mají ostatní články.

Když je nabíjecí zařízení 11 v činnosti a během prvního stádia nabíjení akumulátoru 2, musí dodávat do každé ze skupin 2.1 až 2.n článků proud mající v podstatě stejnou velikost, rovnou výše uvedené hodnotě II, přičemž střídač 14 musí samozřejmě dodávat proud 114 mající konstantní velikost rovnou kl.n.Il, kde n je počet skupin 2.1 až 2.n a kl je konstanta, která závisí na vlastnostech transformátoru a usměrňovače každého z nabíjecích obvodů 3.1 až 3.n.

Z důvodů, které budou zřejmé níže v popisu, se signál R1 vedený na vstup 15b integrátoru 15 volí tak, že jeho hodnota je rovná hodnotě zaujímané signálem S14, když má proud výše uvedenou hodnotu kl.n.Il.

Během druhé fáze nabíjení akumulátoru 2 musí být všechna napětí Ugl až Ugn udržována na v podstatě konstantní hodnotě Ul/n. Napětí U14 dodávané střídačem 14 musí potom samozřejmě mít hodnotu rovnou k2.Ul/n, kde k2 je jiná konstanta, která také závisí na vlastnostech transformátoru a usměrňovače každého z nabíjecích obvodů 3.1 až 3.n.

Aby napětí U14 mělo tuto hodnotu, je samozřejmě zapotřebí, aby napětí, U13 dodávané regulační jednotkou 13 napětí, měla hodnotu rovnou k3.U14, kde k3 je další konstanta, závisející na charakteristických vlastnostech střídače 14, a aby signál S17, takto vytvořený, také měl konstantní a dobře určenou hodnotu.

- 10CZ 284919 B6

Z důvodů, které budou zřejmé z dalšího popisu, se signál R2, vedený na vstup 17b spínače 17, volí tak, že jeho hodnota je rovná hodnotě signálu, kterou signál Sl 7 musí mít, aby napětí U13 a U14 měla výše uvedené hodnoty, a aby napětí vedené do každé ze skupin 2.1 až 2.2 článků tak mělo hodnotu Ul/n.

Rovněž z důvodu, který bude zřejmý z dalšího obsahu popisuje hodnota referenčního napětí Ur vedeného na vstup 16b komparátoru 16, rovné též hodnotě Ul/n.

Když jsou všechna napětí Ugl až Ugn menší, než je napětí Ur, signál S16 je v jeho prvním stavu, a spínač 17 je tak ve stavu, kde signál S17 je totožný se signálem S15.

Za těchto podmínek je hodnota proudu 114 automaticky seřízena na výše uvedenou hodnotu kl.n.Il.

Jestliže hodnota proudu 114 je rovná kl.n.Il, signál S14 je vlastně rovný signálu Rl, jak je uvedeno výše. Signál S15 je rovný integrálu v závislosti na čase rozdílu těchto signálů Rl a S14 a je tak konstantní, jako je signál S17. Napětí U13 a U14 jsou tak také konstantní, a napětí U14 má v daném případě hodnotu, pro kterou je proud 114 rovný kl .n.Il.

Jestliže nyní hodnota proudu 114 poklesne pod tuto hodnotu, například v důsledku zvýšení vnitřního odporu jedné nebo několika ze skupin 2.1 až 2,n článků C akumulátoru 2, signál S14 také klesá, a rozdíl mezi signálem Rl a S14 se stane kladný. Signál S15 tak vzrůstá, což má také za následek vzrůst napětí U13 a v důsledku toho napětí U14, až napětí U14 dosáhne hodnoty, pro kterou se velikost proudu 114 opět stane rovná hodnotě kl.n.Il. V tomto okamžiku se rozdíl mezi signály Rl a S14 stane opět nulový, a signál S15 je opět konstantní, jako jsou napětí U13 a U14, přičemž napětí U14 má v daném případě hodnotu, pro kterou velikost proudu má opět tuto hodnotu kl.n.Il.

Analogická regulace velikosti proudu 114 samozřejmě nastává, jestliže zjakéhokoli důvodu se tato velikost stane větší než uvedená hodnota kl.n.Il.

Velikosti proudů dodávaných nabíjecím zařízením 11 do různých skupin 2.1 až 2.n článků během této první nabíjecí fáze akumulátoru 2 nejsou všechny stejně rovné hodnotě II, obzvláště na začátku tohoto nabíjení, protože samozřejmě závisí na vnitřních odporech těchto skupin 2.1 až 2,n článků, které mohou být vzájemně odlišné. Pouze součet těchto velikostí je konstantní a rovný n.Il.

Tyto velikosti však mají sklon se blížit uvedené hodnotě II, protože skupiny článků majících nejnižší vnitřní odpory pohlcují více proudu ajsou nabíjeny rychleji než ostatní. Jejich vnitřní odpor se tak také zvyšuje rychleji a po určité době mají vnitřní odpory všech skupin článků prakticky tutéž hodnotu, a proudy absorbované těmito skupinami článků všechny v podstatě zaujímají hodnotu II.

Tato situace zůstává nezměněná, až se napětí Ugl až Ugn na svorkách skupin 2.1 až 2.n stanou větší, než je výše uvedená hodnota Ur. V tomto okamžiku, který značí konec prvního nabíjecího stádia a začátek druhé nabíjecí fáze akumulátoru 2, zaujímá signál S16 svůj druhý stav, a spínač 17 zaujímá stav, v němž jeho výstupní signál S17 je totožný s výše definovaným signálem R2. Napětí U13 a U14 se tak stanou konstantní, přičemž napětí U14 zaujme hodnotu k2.Ul/n, a napětí Ugl až Ugn na svorkách všech skupin 2.1 až 2.n článků C se stanou v podstatě rovná hodnotě Ul/n.

Tato napětí Ugl až Ugn nejsou přesně rovná hodnotě Ul/n, opět v důsledku rozdílů mezi vnitřními odpory těchto skupin 2.1 až 2.n. a v důsledku toho, že proudy jimi absorbované jsou

- 11 CZ 284919 B6 vzájemně od sebe odlišné a vedou k rozdílným poklesům napětí v různých nabíjecích obvodech 3.1 až 3,n.

Všechny tyto rozdíly jsou malé a mají sklon zmenšit se na nulu, poněvadž opět skupiny článků, mající nejnižší vnitřní odpory, absorbují více proudu než ostatní, ajsou nabíjené rychleji než ostatní. Jejich vnitřní odpor tak vzrůstá rychleji než odpor těchto ostatních článků. Po určité době se stanou všechny tyto vnitřní odpory v podstatě vzájemně rovné, jako proudy absorbované různými skupinami článků, a tak podobně jednotlivá napětí Ugl až Ugn.

Během tohoto druhého stádia nabíjení akumulátoru 2 se postupně proudy dodávané nabíjecím zařízením 11 do různých skupin 2.1 až 2.n článků zmenšují, nezávisle jeden na druhém, až se stanou velmi slabé, když jsou tyto skupiny článků plně nabity. Proud 114 dodávaný střídačem 14 se potom také stane velmi slabý, jako se samozřejmě stane signál S14.

Pozoruhodná výhoda vyplývající ze skutečnosti, že zdroj společný všem nabíjecím obvodům 3.1 až 3.n zahrnuje, jak bylo popsáno, vstupní usměrňovač 12, regulační jednotka 13 napětí a střídač 14, spočívá v tom, že kmitočet napětí poskytovaného tímto zdrojem, tj. napětím U14 v příkladě z obr. 2, je nezávislý na kmitočtu napětí napájecí elektrické sítě, k níž je nabíjecí zařízení připojeno. Kmitočet napětí U14 tak může být volně zvolen, a to zřetelně na hodnotě, pro níž velikost a tedy i cena transformátorů pro nabíjecí obvody 3.1 až 3.n je nejnižší.

Tatáž skutečnost dále umožňuje, aby byl střídač 14 navržen takovým způsobem, že napětí U14 nemá sinusovitý průběh, ale v podstatě obdélníkový nebo alespoň v podstatě lichoběžníkový tvar.

Je známo, že když je takové napětí vedeno na obvod podobný nabíjecím obvodům 3.1 až 3.n, proud absorbovaný tímto obvodem má v podstatě stejný tvar a nemá velmi vysoké a dosti krátké vrcholy, které by měl, kdyby takové napětí mělo sinusovitý průběh. Tato vlastnost také umožňuje snížit rozměry a tedy i cenu usměrňovačů, tvořících část nabíjecích obvodů 3.1 a 3.n.

Naproti tomu tatáž skutečnost také umožňuje, aby regulační jednotka 13 napětí byla navržena takovým způsobem, že střídavý proud dodávaný nabíjecím zařízením 11 z napájecí elektrické sítě má v podstatě sinusovitý tvar, který vylučuje, nebo alespoň podstatně snižuje poruchy, které by se jinak vytvářely v síti tímto nabíjecím zařízením.

Jednotlivé obvody tvořící nabíjecí zařízení 11 nebudou podrobněji popisovány, protože jde o dobře známé obvody, které mohou být konstruovány bez jakéhokoli obzvláštního problému pro odborníky v oboru.

Je dobře známé, že také není žádoucí vybíjet akumulátor pod danou hodnotu závisející na typu akumulátoru, vzhledem k riziku jeho poškození a také zmenšení jeho životnosti.

Jak již bylo uvedeno, nebudou jednotlivé články akumulátoru nikdy mít stejnou maximální kapacitu. Když se akumulátor vybíjí dodáváním elektrické energie uživatelskému zařízení, nejsou zbytkové kapacity jeho jednotlivých článků v důsledku toho nikdy stejné a nutně jeden z těchto článků vždy dosáhne výše uvedené meze, pod kterou by neměl být vybíjen, dříve než ostatní. Aby se zabránilo poškození tohoto článku, mělo by být vybíjení akumulátoru přerušeno v tomto okamžiku.

Na jedné straně je však obtížné nebo dokonce nemožné zjistit tento okamžik, kdy zbytková kapacita jednoho článku dosáhla své mezní hodnoty. Naproti tomu jestliže se vybíjení akumulátoru přeruší v tomto okamžiku, zbytková kapacita ostatních článků ještě nedosáhla mezní hodnoty. Nikoliv zanedbatelná část elektrické energie uložené v akumulátoru tak nemůže být využita, což není racionální.

- 12 CZ 284919 B6

Jak bude popsáno níže s odvoláním na obr. 3, jedno z provedení nabíjecího zařízení podle vynálezu umožňuje odstranit tuto nevýhodu tím, že se kapacity všech článků akumulátoru udržují během použití akumulátoru na v podstatě vzájemně stejných hodnotách. Může tak být využita veškerá elektrická energie, která je k dispozici v tomto akumulátoru, a to bez rizika, že kapacita jednoho z jeho článků dosáhne mezní hodnoty, pod kterou vzniká nebezpečí jeho poškození, před ostatními články.

V provedení znázorněném na obr. 3 je nabíjecí zařízení podle vynálezu označen jako nabíjecí zařízení 1Γ. Podobně jako nabíjecí zařízení 1 a 11 z obr. 1 a 2, je nabíjecí zařízení 1Γ určeno k nabíjení akumulátoru 2, jehož články C jsou rozděleny do n skupin, které nejsou samostatně znázorněny, ale které budou označeny stejnými vztahovými značkami 2.1 až 2,n jako na obr. 1.

Jako u nabíjecích zařízení 1 a H., obsahuje nabíjecí zařízení jj_'jednotlivé nabíjecí obvody 3.1 až

3.n, které jsou připojeny každý k jedné ze skupin článků 2.1 až 2,n. Nabíjecí zařízení 1Γ také obsahuje vstupní usměrňovač 12, regulační jednotku 13 napětí, střídač 14, integrátor 15 a komparátor 16, které jsou totožné s obvody označenými stejnými vztahovými značkami na obr. 2 a které zde nebudou znovu popisovány.

Místo spínače 17 nabíjecího zařízení 11 má nabíjecí zařízení _H' jiný spínač VT, který má také dva vstupy 17’a a 17'b, připojené první k výstupu 17c integrátoru 15 a druhý k výstupu neznázoměného zdroje, poskytujícího signál R2, a výstup 17'd, připojený k řídicímu vstupu 13e regulační jednotky 13 napětí a poskytujícímu do regulační jednotky řídicí signál napětí U13, označený zde jako signál S17'.

Spínač 17' dále obsahuje dva řídicí vstupy 17’c a 17'e, připojené první k výstupu 16c komparátoru 16 a druhý k přídavné vstupní svorce 1 lc nabíjecího zařízení 1Γ. přičemž tato svorka 1 lc je určena pro přijímání, způsobem, který bude popsán níže, signálu Sc, který může zaujmout první a druhý stav.

Spínač 17' je uspořádán tak, že vytváří signál S17', následujícím způsobem. Když jsou signály S16 a Sc oba v jejich prvním stavu, signál S17' je totožný se signálem S15. Když je signál Sc v jeho prvním stavu a signál S16 je v jeho druhém stavu, je signál S17' totožný s referenčním signálem. Když je konečně signál Sc v jeho druhém stavu, je signál S17' totožný se signálem S15, nezávisle na stavu signálu S16.

Nabíjecí zařízení 1_T také obsahuje spínač 18 mající dva vstupy 18a a 18b. připojené k odpovídajícím neznázoměným zdrojům, a to prvnímu zdroji poskytujícímu referenční signál totožný s výše uvedeným signálem R1 a označený stejnou vztahovou značkou, a druhému zdroji poskytujícímu druhý referenční signál, označený jako signál R3, jehož hodnota z důvodu, který bude patrný z následujícího popisu, je rovná hodnotě signálu R1 dělené pevným a předem určeným součinitelem f.

Spínač 18 dále obsahuje řídicí vstup 18c, připojený ke vstupní svorce 1 lc nabíjecího zařízení ΓΓ, a je uspořádán tak, že poskytuje na svém výstupu 18d signál SI 8 totožný se signálem R1 nebo signálem R3 v závislosti na tom, zda signál Sc vedený na uvedenou svorku 1 lc způsobem který bude popsán níže, je ve svém prvním stavu nebo druhém stavu.

Nabíjecí zařízení U' také obsahuje elektromagnetické relé 19 mající dva kontakty 19a a 19b. Kontakt 19a je zapojen sériově mezi kladnou svorkou 2.1a akumulátoru 2 a kladným výstupem 12c usměrňovače 12, který sám je připojen ke vstupu 13a regulační jednotky 13 napětí, a kontakt 19b je zapojen sériově mezi zápornou svorkou 2.nb akumulátoru 2 a zápornou svorkou 12d vstupního usměrňovače 12, která je sama připojena ke vstupu 13b regulační jednotky 13 napětí.

- 13 CZ 284919 B6

Cívka relé 19 je připojena k výstupní svorce zesilovače 20, jehož vstup je připojen ke vstupní svorce 1 lc nabíjecího zařízení 11, a který je uspořádán tak, že kontakty 19a a 19b relé 19 jsou rozpojené, jak je znázorněno, nebo sepnuté, podle toho, zda signál Seje ve svém prvním stavu nebo druhém stavu.

Na obr. 1 je také schematicky znázorněno zařízení 21, napájené akumulátorem 2. Toto zařízení může být některé z řady zařízení, která mohou být napájena akumulátorem typu, jako je akumulátor 2. Jako neomezující příklad může být takové zařízení tvořeno jedním nebo několika elektrickými motory sdruženými s vhodným řídicím obvodem a pohánějícími jedno nebo více hnacích kol v automobilovém vozidle.

Bez ohledu na jeho povahu má zařízení 21 samozřejmě dvě přívodní svorky 21a a 21b, připojené jednotlivě v prvním případě ke kladné svorce 2.1a a ve druhém případě k záporné svorce 2.nb akumulátoru 2, stejně jako i neznázoměné prostředky umožňující jeho uvedení v činnost nebo vyřazení z činnosti.

Výše uvedený signál Sc je poskytován výstupem 21c zařízení 21, které je připojeno ve vstupu 1 lc nabíjecího zařízení 11', a toto zařízení 21 je uspořádáno takovým způsobem, že podle toho, zdaje vyřazeno z činnosti nebo zdaje v provozuje signál buď v jeho prvním stavu, nebo druhém stavu.

Jak bude podrobněji popsáno níže, nabíjecí zařízení 11' může fungovat dvěma různými způsoby. První z těchto způsobů se používá, když je zařízení mimo provoz a svorky 11a a 11b nabíjecího zařízení 11'jsou připojeny k napájecí elektrické síti. Signál Seje tak ve svém prvním stavu, takže signál S18 je totožný s referenčním signálem R1 signál S17' je totožný se signálem S16, a kontakty 19a a 19b relé jsou otevřeny. Činnost nabíjecího zařízení 11' je tak totožná s činností nabíjecího zařízení 11 z obr. 2, a nebude zde znovu podrobně popisována.

Druhý způsob činnosti nabíjecího zařízení 11' se použije, když jeho svorky 1 la a 1 lb nejsou připojeny k napájecí elektrické síti a zařízení 21 je v provozu. Akumulátor 2 potom dodává daný proud zařízení 21, a kapacita různých skupin článků klesá. Signál Sc je potom v jeho druhém stavu a v důsledku toho jsou kontakty 19a a 19b relé 19 oba uzavřeny a napětí Ua mezi kladnou svorkou 2.1a a zápornou svorkou 2.nb akumulátoru 2 je nyní vedeno na vstupy 13a a 13b regulační jednotky 13 napětí.

Kromě toho je spínač 17' ve stavu, kde jeho výstupní signál S17' je totožný se signálem S15. Jelikož je spínač 18 nyní ve stavu, kde je jeho výstupní signál S18 totožný s referenčním signálem R3, signál S15 je nyní rovný integrálu rozdílu mezi signálem R3 a signálem S14 v závislosti na čase. Činnost nabíjecího zařízení 11' v tomto druhém módu je analogická činnosti nabíjecího zařízení 11 akumulátoru 2 z obr. 2, popsaného výše. V tomto druhém módu však regulační jednotka 13 napětí vytváří napětí U13 z napětí mezi svorkami akumulátoru 2.

Hodnota signálu S17', na níž závisí hodnota napětí U13, hodnota napětí U14, a velikost proudu 114, je nyní rovná integrálu rozdílu mezi hodnotami signálů R3 a S14 v závislosti na čase. Jelikož hodnota signálu R3 je rovná hodnotě signálu R1 dělené výše uvedeným součinitelem f, velikost proudu 114 je nyní regulována na hodnotu, která je rovná kl.n:Il/f, kde kl.n.Il je hodnota velikosti proudu 114 během první nabíjecí fáze akumulátoru 2, kdy nabíjecí zařízení pracuje v jeho prvním módu.

Každý z nabíjecích obvodů 3.1 až 3.n tak dodává do skupiny 2.1 až 2.n s ním spojené proud, který bude nazýván kompenzační proud, proudící v této skupině ve směru opačném vůči proudu poskytovanému akumulátorem do zařízení 21 a mající tak za následek zmenšení rychlosti poklesu kapacity skupiny 2.1 až 2.n článků, jimiž protéká, přičemž tento pokles je samozřejmě

- 14CZ 284919 B6 důsledkem skutečnosti, že akumulátor 2 dodává elektrickou energii požadovanou pro činnost zařízení 21.

Součet velikostí těchto kompenzačních proudů je samozřejmě rovný n.Il/f, avšak tyto velikosti mohou být vzájemně odlišné, protože kapacity skupin 2,1 až 2.n článků a tedy jejich vnitřní odpory mohou být také odlišné od jednoho článku ke druhému.

Tyto rozdíly však mají sklon tlumit postupně vybíjení akumulátoru 2 v důsledku toho, že kompenzační proudy mající největší velikost jsou právě ty, které proudí skupinami článků majícími nejnižší vnitřní odpory, a tedy nejnižší kapacity.

Rychlost úbytku kapacity těchto skupin článků se tak zmenšuje silněji než u jiných skupin článků, takže po určité době se kapacity všech skupin článků stanou v podstatě stejné, stejně jako rychlosti úbytku těchto kapacit. Velikost různých kompenzačních proudů se potom také stane v podstatě navzájem rovná, a tedy bude každá rovná hodnotě Il/f.

Hodnota součinitele f může být volena velmi volně. Zkoušky prokázaly, že se získaly dobré výsledky, když kompenzační proud měl velikost od 1/50 do 1/15 velikosti proudu, který akumulátor může dodávat teoreticky během jedné hodiny. Tak například u akumulátoru majícího jmenovitou kapacitu 200 ampérhodin, velikost kompenzačního proudu může ležet v rozmezí od 1/50 do 1/5 200 ampérů, konkrétně od 4 A do 40 A.

Jak bylo uvedeno výše, volí se velikost II proudu, dodávaného akumulátorem během první fáze jeho nabíjení, takovým způsobem, že je rovná poměru mezi jmenovitou kapacitou akumulátoru, vyjádřenou v ampérhodinách, a přípustným časem pro jeho nabíjení, vyjádřeným v hodinách. Výsledkem je, že pro to, aby kompenzační proud měl výše uvedenou velikost, musí ležet činitel f mezi 1/50 a 1/5 počtu hodin této přípustné doby.

Ve výše uvedeném případě akumulátoru majícího jmenovitou kapacitu 200 A.hod., jestliže přípustná doba pro nabíjení akumulátoru je 10 hodin, takže se v tomto případě zvolí velikost 1120 ampérů, tak hodnota součinitele f může ležet v rozmezí od 1/50 do 1/5 deseti, konkrétně od 0, 2 do 2, což má za následek kompenzační proud o velikosti od 4 A do 40 A.

Je zřejmé, že když nabíjecí zařízení 11' pracuje v tomto druhém módu, odebírá část energie uložené v akumulátoru 2 a vrací ji do jednotlivých skupin 2.1 až 2.n článků C, přičemž ji rozděluje mezi tyto skupiny článků tak, že jejich kapacity mají sklon být navzájem stejné, stejně jako i rychlosti úbytku těchto kapacit.

To má za následek velké zmenšení rizika, že kapacita jedné ze skupin 2.1 až 2.n článků dosáhne minimální hodnoty, pod kterou by se tato skupina článků neměla vybíjet bez rizika, že bude poškozena, mnohem dříve, než ostatní skupiny článků. Je tak možné využívat prakticky veškerou elektrickou energii, která je k dispozici v akumulátoru 2, bez rizika jeho poškození.

Může být provedena řada obměn nabíjecího zařízení podle vynálezu, aniž by se opustil jeho rozsah. Mezi tyto obměny, které zde všechny samozřejmě nemohou být popisovány, se jednoduše zmíníme o té, která spočívá v použití jednoho nebo několika čidel pro měření teploty pro akumulátor 2, a prostředku reagujícího na toto měření pro měnění referenčního napětí Ur a hodnoty signálu R3 v závislosti na teplotě takovým způsobem, že bez ohledu na teplotu může být akumulátor 2 nabíjen až na jeho maximální kapacitu, aniž by však vznikalo nebezpečí jeho poškození.

Zmíníme se zde také o modifikaci, která spočívá v použití nabíjecího zařízení podle vynálezu s prostředky uspořádanými tak, že přerušují jeho činnost, když na konci nabíjení akumulátoru

- 15 CZ 284919 B6 velikost proudu dodávaného zdrojem 6 (obr. 1) nebo střídačem 14 (obr. 2 a 3) nabývá hodnoty nižší, než je předem určená hodnota.

Vozidlo, jehož hnací kolo nebo kola jsou poháněny jedním nebo více elektromotory napájenými akumulátorem, který se proto nazývá hnací akumulátor, má zpravidla další akumulátor, který se tak nazývá pomocný akumulátor, určený pro napájení všech pomocných obvodů tohoto vozidla, jako jsou čelní světla, brzdová světla, jeho přístroje na palubní desce atd. Toto vozidlo také obsahuje nabíjecí zařízení pro tento pomocný akumulátor.

Když je takové vozidlo vybaveno nabíjecím zařízením podle vynálezu pro nabíjení jeho hnacího akumulátoru, je výhodné použít transformátor na vstupu do nabíjecího zařízení jeho pomocného akumulátoru, a připojit primární vinutí tohoto transformátoru ke zdroji, jako je zdroj 6 z obr. 1, paralelně s primárními vinutími transformátorů tvořících část nabíjecích obvodů jako jsou obvody 3.1 až 3.n z obr. 1.

Claims (5)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro nabíjení akumulátoru (2) elektrické energie, uzpůsobeného pro opětovné nabíjení, obsahujícího články (C) uspořádané ve více skupinách (2.1 až 2.n) článků, kde každá skupina obsahuje nejméně jeden článek (C), a každá skupina (2.1 až 2.n) z uvedených více skupin má svorky (2.1a, 2.1b až 2.na, 2.nb) skupiny se stejnosměrným napětím (Ugl až Ugn) na svorkách (2.1a, 2.1b až 2.na, 2.nb) skupiny, přičemž zařízení obsahuje zdroj (6) a více jednotlivých nabíjecích obvodů (3.1 až 3.n), a to každý pro nabíjení odpovídající skupiny (2.1 až

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že zdroj (6) je zdroj střídavého napětí (U14) s frekvencí nejméně 10 kHz.

2. n) článků (C), přičemž každý z nabíjecích obvodů (3.1 až 3.n) má nabíjecí svorky (3.1a, 3.1b až

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že každá skupina (2.1 až 2.n) článků (C) akumulátoru (2) obsahuje více než jeden článek (Cl, C2...CN).

3. na, 3.nb) pro připojení odpovídajících svorek odpovídající skupiny (2.1 až 2.n) článků (C), přičemž jedna kladná svorka ze svorek skupiny je kladná svorka (2.1a) akumulátoru (2) a záporná svorka jiné skupiny článků uvedených více skupin (2.1 až 2.n) je záporná svorka (2.nb) akumulátoru (2), přičemž zbývající svorky skupiny, jiné než je kladná a záporná svorka akumulátoru, jsou spojeny tak, že všechny články (C) akumulátoru (2) jsou zapojeny vzájemně sériově mezi kladnými a zápornými svorkami (2.1a, 2.nb) akumulátoru, vyznačené tím, že každý z nabíjecích obvodů (3.1 až 3.n) obsahuje odpovídající transformátor (4.1 až

4. Zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že zdroj (6) je opatřen regulátorem nabíjecího proudu a nabíjecího napětí nabíjecích svorek (3.1a, 3.1b až 3.na, 3.nb) v odezvě na velikost stejnosměrného napětí (Ugl až Ugn) na svorkách (2.1a, 2.1b až 2.na, 2.nb) vzhledem k referenčnímu napětí (Ur), přičemž výstup proudu do nabíjecích obvodů (3.1 až 3.n) je nastaven na konstantní hodnotu při stejnosměrném napětí (Ugl až Ugn) na svorkách (2.1a, 2.1b až 2.na, 2.nb) kterékoli skupiny (2.1 až 2.n) článků (C) akumulátoru (2) pod referenčním napětím (Ur), a výstup napětí do nabíjecích obvodů (3.1 až 3.n) je nastaven na konstantní hodnotu při

- 16CZ 284919 B6 stejnosměrném napětí (Ugl až Ugn) na svorkách (2.1a, 2.1b až 2.na, 2.nb) kterékoli skupiny (2.1 až 2.n) článků (C) akumulátoru (2) nad předem určeným referenčním napětím (Ur).

4. n), mající primární vinutí připojené ke zdroji (6) a sekundární vinutí, a usměrňovač (5.1 až

5. n), mající vstup připojený k sekundárnímu vinutí, a výstupy připojené k nabíjecím svorkám (3.1a, 3.1b až 3.na, 3.nb).

5. Zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že zdroj (6) obsahuje vstupní usměrňovač (12), zapojený před regulátorem (130), který obsahuje regulační jednotku (13) napětí, napojenou na komparátor (16) pro porovnávání napětí na svorkách (2.1a, 2.1b až 2.na, 2.nb) s referenčním napětím (Ur), a spínatelnou na konstantní napětí výstupem komparátoru (16) pod referenčním napětím (Ur), a dále regulační jednotku proudu, rovněž připojenou ke komparátoru (16) pro porovnávání napětí na svorkách (2.1a, 2.1b až 2.na, 2.nb) s referenčním napětím (Ur), spínatelnou na konstantní proud výstupem komparátoru (16) nad referenčním napětím (Ur), přičemž regulační jednotka proudu je vřazena do střídače (14), zapojeného na výstupní straně regulační jednotky (13), a také napojeného na komparátor (16) přes spínač (17), uložený na spojení komparátoru (16) s regulační jednotkou (13) a střídačem (14), přičemž komparátor (16) je opatřen snímacími přípoji, připojenými k odpovídajícím spojovacím vedením mezi nabíjecími svorkami (3.1a, 3.1b až 3.na, 3.nb) nabíjecích obvodů (3.1-3.1n) a svorkami (2.1a, 2.1b až 2.na, 2.nb) článků.