RU134711U1 - Устройство зарядное для аккумуляторных батарей - Google Patents

Abstract

1. Устройство зарядное для аккумуляторных батарей, содержащее коммутатор напряжения, преобразователь напряжения, отличающееся тем, что преобразователь напряжения выполнен как унифицированный многофункциональный преобразователь энергии на основе четырехквадрантного преобразователя напряжения, состоящий из двух трехфазных мостов, шести дросселей и конденсаторов в промежуточной цепи постоянного тока, датчиков тока.2. Устройство зарядное для аккумуляторных батарей по п.1, отличающееся тем, что коммутатор напряжения выполнен как система коммутации входных и выходных силовых электрических цепей, состоящая из блока управления верхнего уровня, контакторов, автоматических выключателей, плат датчиков, плат регуляторов, плат управления контакторами, платы коммутации, блока питания собственных нужд, термостата.

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для заряда аккумуляторных батарей. В зависимости от типа электропитания и типа выходного напряжения устройство зарядное позволяет производить заряд от сети постоянного или переменного тока аккумуляторных накопителей электрических силовых установок транспортных средств как переменным так и постоянным током.

Известно устройство зарядное для аккумуляторных батарей (патент РФ на полезную модель №44892, H02J 7/10, от 21.06.2004 г.), состоящее из источника питания соединенного с фильтром радиопомех, который через входной автоматический выключатель соединен с корректором коэффициента мощности, последний соединен с вентилятором, вспомогательным источником питания и конверторами, при этом конверторы снабжены автоматическими выключателями, установленными на выходах конверторов, последние имеют выходные каналы и через автоматические выключатели соединены с заряжаемыми аккумуляторными батареями, при этом вспомогательный источник питания соединен с корректором коэффициента мощности и конверторами для обеспечения питания их цепей управления установленным напряжением - одно для корректора коэффициента мощности и три различных для конверторов. Каждый конвертор имеет индикацию аварийного состояния, и индикацию режимов стабилизации тока и стабилизации напряжения при автономной работе конверторов, а также при последовательном или параллельном соединении выходных каналов.

Недостатком данного устройства является невысокая надежность.

Известно зарядно-разрядное устройство (патент РФ №2165669, H02J 7/10, 21.12.1999 г.), содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй транзисторы и диоды, сток и катод первых из которых подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, их исток и анод соединены с первым выводом дросселя и стоком и катодом вторых транзистора и диода, исток и анод которых подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, при этом в устройство введены: исток дополнительного транзистора и катод дополнительного диода подключены ко второму выводу дросселя, сток дополнительного транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора фильтра, а анод дополнительного диода подключен к общему проводу схемы, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения источника питания и нагрузки. Устройство предназначено, в частности, для проведения восстановительных циклов, включающих глубокий поэлементный разряд АБ на индивидуальную активную нагрузку.

Недостатком известного устройства является возможность работы только от источника постоянного напряжения.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является устройство питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей (патент РФ на полезную модель №64824, H02J 7/00, H02M 7/12, от 09.01.2007 г.) Устройство включает в себя коммутатор, коммутирующий входы n преобразователей напряжения 2₁-2_n по сети питания. На выходе каждого преобразователя напряжения включено устройство слежения, образуя n параллельно соединенных цепочек из последовательно включенных преобразователей и устройств слежения, выходы которых соединены со входом датчика тока, выходы управления подключены к контроллеру, выходы сигналов уравнивания к входам управления соответствующих преобразователей, а выходы сигналов выравнивания токов объединены шиной. Блок защиты от переполюсовки АБ подключен к выходу датчика тока, соединенного с измерителем выходного напряжения и является выходом устройства U_вых для подключения (АБ) или нагрузки. Выходы управления датчика тока и измерителя напряжения соединены с контроллером. Панель управления и индикации представляет собой автономную микропроцессорную систему с многофункциональным жидкокристаллическим графическим индикатором, связанную с контроллером через порт RS-485 интерфейса. Блок контроля тепловых процессов выходом подключается к исполнительному устройству вентиляции, а вход подключен к контроллеру, сигналы на который поступают через блок от датчиков температуры, установленных на корпусах радиаторов преобразователей. Блок дистанционного контроля состояния АБ и подключен входом напряжения к выходу устройства, управляющим входом через интерфейс к контроллеру, а выход его является клеммами для подключения АБ. Устройство слежения включает низкоомный шунт, блок выравнивания токов, блок слежения напряжения и сумматор.

Недостатком известной модели является ограниченный диапазон и вид выходных параметров напряжения.

Задача, на которую направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей за счет увеличения диапазона и вида входных и выходных параметров напряжения, унификация конфигурации устройства по входным и выходным параметрам.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве зарядном для аккумуляторных батарей (далее ЗУ) используется унифицированный многофункциональный преобразователь электроэнергии на основе четырехквадрантного преобразователя напряжения и система коммутации входных и выходных силовых электрических цепей.

В зависимости от типа электропитания и типа выходного напряжения ЗУ имеет четыре варианта конфигурации:

1. Электропитание - трехфазная сеть 50 Гц 380 В переменного тока; выходное напряжение - трехфазное 50 Гц 100…400 В.

2. Электропитание - трехфазная сеть 50 Гц 380 В переменного тока; выходное напряжение - 100…750 В, 5…200 А постоянного тока.

3. Электропитание - цепь постоянного тока 600…750 В; выходное напряжение - трехфазное 50 Гц 100…400 В.

4. Электропитание - цепь постоянного тока 600…750 В; выходное напряжение - 100…750 В, 5…200 А постоянного тока.

Структурная схема ЗУ, удовлетворяющая условиям данных конфигураций входных и выходных параметров представлена на фиг.1.

В состав ЗУ входят следующие функциональные узлы: коммутатор сетевого и выходного напряжения, выполненный как система коммутации входных и выходных силовых электрических цепей (СКВВСЭЦ), преобразователь напряжения, выполненный как унифицированный многофункциональный преобразователь энергии (УМПЭ), схема управления, выполненная как блок управления верхнего уровня.

Система коммутации входных и выходных силовых электрических цепей представляет собой комплекс конфигурируемой коммутационной и защитной аппаратуры. В зависимости от подключенного к ЗУ напряжения питания и вида потребителя, система коммутации входных и выходных силовых электрических цепей устанавливает необходимую конфигурацию внутренних автоматов и контакторов таким образом, чтобы обеспечить требуемый режим работы УМПЭ.

В управляющую часть СКВВСЭЦ входят: две платы датчиков, две платы регулятора, две платы управления контакторами, блок управления верхнего уровня, плата коммутации, блок питания собственных нужд, термостат.

Контакторы К1-К8 и автоматические выключатели QF1-QF4 в СКВВСЭЦ предназначены для ввода питающего напряжения в УМПЭ, создание требуемого типа преобразования в ЗУ и вывода напряжения на нагрузку.

Платы управления контакторами 1, 2 в СКВВСЭЦ содержат контроллеры с программами управления состоянием контакторов К1…К8. Котроллеры в соответствии с командами от блока управления верхнего уровня устанавливают необходимые комбинации состояний контакторов для получения вышеописанных видов преобразования напряжения.

Платы датчиков 1, 2 осуществляют гальваническую развязку сигналов и содержат преобразователи уровней измеренных сигналов токов и напряжений для подачи на измерительные цепи плат регуляторов.

Платы регуляторов 1, 2 построены на базе микроконтроллеров и осуществляют алгоритмы управления УМПЭ. Они формируют управляющие ШИМ сигналы pwm1…6 для IGBT-транзисторов блока преобразователя и подают их на платы драйверов 1, 2 блока преобразователя УМПЭ.

Плата регулятора 1 организует управление через плату драйверов 1 входным каскадом УМПЭ. Величины входных напряжений Ua, Ub, Uc и токов Ia, Ib, Ic, а также величина напряжения на промежуточной шине постоянного тока Udc вх. поступают в плату регулятора 1 из платы датчиков 1.

Плата регулятора 2 организует управление через плату драйверов 2 выходным каскадом УМПЭ. Величины выходных напряжений Uu, Uv, Uw и токов Iu, Iv, Iw а также величина напряжения на промежуточной шине постоянного тока Udc вых. поступают в плату регулятора 2 из платы датчиков 2.

Плата коммутации выполняет функции сигнальной шины, шины управления и шины питания, обеспечивает необходимую связь между платами, а также другими элементами ЗУ.

Блок управления верхнего уровня отвечает за общий алгоритм функционирования ЗУ и человеко-машинный интерфейс. Обмен данными между микроконтроллерами плат управления контакторами, плат регулятора и платой управления верхнего уровня осуществляется по интерфейсу CAN.

Унифицированный многофункциональный преобразователь электроэнергии (УМПЭ), построен по топологии четырехквадрантного преобразователя, состоящего из двух трехфазных мостов, шести дросселей, шести датчиков тока, конденсаторов в промежуточной цепи постоянного тока, трех фильтрующих входных конденсаторов и трех фильтрующих выходных конденсаторов. Платы драйверов 1, 2 УМПЭ предназначены для гальванической развязки и преобразования уровней ШИМ сигналов pwm1…3 и pwm4…6 от плат регуляторов 1, 2 до уровней необходимых для управления транзисторами V1…V12 блока преобразователя. Конденсаторы C1…С6 служат для фильтрации высокочастотных составляющих токов преобразователя. Датчики тока D1…D6 УМПЭ измеряют текущие значения токов в силовых электрических цепях.

Работает устройство следующим образом. При достижении внутри шкафа устройства температуры заданного значения термостат включает блок питания собственных нужд. Температура внутри шкафа регулируется собственной системой климат-контроля, что позволяет расширить диапазон климатических применений устройства.

Контактор К9 осуществляет автоматическое подключение блока питания собственных нужд к сети постоянного или переменного напряжения, в зависимости от типа питающей сети. При появлении на блоках и платах устройства напряжения питания собственных нужд 24 В блок управления верхнего уровня получает данные от платы регулятора 1 о типе питающей сети, в соответствии с которым по команде от пользователя конфигурирует входные контакторы СКВВЭЦ.

При электропитании ЗУ от трехфазной сети 380 В 50 Гц ввод переменного напряжения питания осуществляется через автоматический выключатель QF1. Контактор К1 обеспечивает подачу переменного напряжения питания в УМПЭ (фиг.1).

Входной каскад УМПЭ (фиг.2) выполняет функции активного выпрямителя. СКВВСЭЦ в данном режиме работы ЗУ производит подключение напряжения трехфазной сети к цепям входного каскада УМПЭ (контактор К1 включен). Принцип работы активного выпрямителя основан на работе повышающего преобразователя с двумя контурами обратной связи - по форме потребляемого тока и по выходному напряжению выпрямителя.

Плата регулятора 1 управляет транзисторами V1…V6 таким образом, что коэффициент потребляемой мощности СЗУ близок к единице, а выходное напряжение в промежуточной цепи постоянного тока стабилизировано на уровне 750 В.

При электропитании ЗУ от цепи постоянного тока напряжением 600…750 В ввод постоянного напряжения питания осуществляется через автоматический выключатель QF2. Контакторы К2…К4 обеспечивают подачу постоянного напряжения питания в УМПЭ.

СКВВСЭЦ в данном режиме работы замыкает между собой цепи A, B, C входного каскада (контактор К4 включен) и подает на них постоянное напряжение +600…750 В относительно цепи - Ud (контакторы К2 и К3 включены). Входной каскад выполняет функции многофазного повышающего преобразователя постоянного напряжения, обеспечивающего стабилизированное выходное напряжение Ud=750 В в промежуточной цепи постоянного тока. Объединение цепей A, B и C входного каскада и соответствующий алгоритм управления IGBT-транзисторами V2, V4 и V6 организуют многофазное преобразование постоянного напряжения.

Тип выходного напряжения и параметры заряда определяет пользователь устройства или, по аналогии с зарядными станциями стандарта ChaDeMo, данные параметры могут быть переданы от потребителя по протоколу CAN. Плата управления контакторами 2 управляет выходными контакторами К5…К8, а также обеспечивает защиту от запрещенных комбинаций включения контакторов.

В режиме переменного трехфазного выходного напряжения 50 Гц 100…400 В подключение нагрузки к УМПЭ осуществляется через автоматический выключатель QF3 и контактор К5.

Выходной каскад выполняет функции трехфазного инвертора. IGBT транзисторы V7…V12 управляются платой регулятора 2. СКВВСЭЦ в данном режиме работы ЗУ подключает выходной каскад УМПЭ к выходу ЗУ (контактор К5 включен).

В режиме выходного напряжения ЗУ 100…750 В постоянного тока подключение нагрузки к УМПЭ осуществляется через автоматический выключатель и контакторы К6…К8 и диоды VD1…VD3.

Выходной каскад выполняет функции понижающего преобразователя постоянного напряжения, обеспечивая стабилизированный зарядный ток в аккумуляторной батарее с ограничением выходной мощности. СКВВСЭЦ в данном режиме работы ЗУ через диоды VD1…VD3 замыкает между собой цепи U, V и W выходного каскада (контактор К6 включен) и подключает выход данного каскада к аккумуляторной батарее относительно цепи - Ud (контакторы К7 и К8 включены). Понижающий преобразователь постоянного тока работает в многофазном режиме. Данный режим позволяет получить больший выходной ток, чем в режиме переменного трехфазного выходного напряжения, используя те же активные и пассивные элементы в УМПЭ, что и при работе в режиме инвертора.

Топология УМПЭ, построенного по схемотехнике четырехквадрантного преобразователя на основе двух трехфазных мостов, имеет ряд преимуществ.

Независимо от типа питающего и выходного напряжения ЗУ в преобразовании участвуют одни и те же активные и пассивные компоненты унифицированного преобразователя. Система коммутации ЗУ осуществляет необходимое для требуемого режима работы подключение входных и выходных цепей УМПЭ.

Входной и выходной каскад УМПЭ симметричен, что позволяет разработать идентичные для входного и выходного каскада аппаратные реализации систем управления, различие появляется только на уровне программного обеспечения. Помимо этого, во входном и выходном каскаде применяются одинаковые индуктивные элементы и IGBT-модули, что позволяет сократить номенклатуру сборочных единиц и получить без применения дополнительных компонентов втрое больший максимальный выходной постоянный ток за счет параллельной работы трех полумостов на IGBT-модулях и трех дросселей выходного каскада УМПЭ.

Применение активного выпрямителя позволяет потреблять качественный ток из трехфазной сети с коэффициентом мощности, близким к 1. Этот показатель полностью соответствует отечественным требованиям по электромагнитной совместимости в части эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока в сеть.

Работоспособность предлагаемого устройства проверена на опытном образце.

Предлагаемое устройство позволяет значительно расширить область практического применения в сравнении с прототипом.

Claims (2)

1. Устройство зарядное для аккумуляторных батарей, содержащее коммутатор напряжения, преобразователь напряжения, отличающееся тем, что преобразователь напряжения выполнен как унифицированный многофункциональный преобразователь энергии на основе четырехквадрантного преобразователя напряжения, состоящий из двух трехфазных мостов, шести дросселей и конденсаторов в промежуточной цепи постоянного тока, датчиков тока.

2. Устройство зарядное для аккумуляторных батарей по п.1, отличающееся тем, что коммутатор напряжения выполнен как система коммутации входных и выходных силовых электрических цепей, состоящая из блока управления верхнего уровня, контакторов, автоматических выключателей, плат датчиков, плат регуляторов, плат управления контакторами, платы коммутации, блока питания собственных нужд, термостата.

Images