RU203529U1

RU203529U1 - TWO-STAGE BATTERY CHARGE CONTROLLER WITH ADVANCED FUNCTIONAL CAPABILITIES

Info

Publication number: RU203529U1
Application number: RU2020135114U
Authority: RU
Inventors: Алексей Александрович Евсейкин; Андрей Васильевич Максимов
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-04-08

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам заряда аккумуляторных батарей. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности заряда различных типов аккумуляторных батарей от различных первичных источников электропитания постоянного тока в широком диапазоне питающих напряжений, включая солнечные панели, и программной реализации расширенного списка режимов работы: стабилизации напряжения, стабилизации тока, стабилизации мощности и отслеживания точки максимальной мощности в жестких условиях эксплуатации. Достигается тем, что устройство состоит из двух последовательно соединенных ступеней преобразования напряжения, подключенных к первичным источникам электрической энергии постоянного тока через предохранитель, входной фильтр электромагнитных помех и схему защиты и ограничения пускового тока, подключенную к вспомогательному источнику тока с гальванической изоляцией выходных напряжений для питания аппаратуры обеих ступеней преобразования. 1 ил.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to devices for charging storage batteries. The technical result consists in expanding the functionality of the device by providing the possibility of charging various types of storage batteries from various primary DC power supplies in a wide range of supply voltages, including solar panels, and software implementation of an expanded list of operating modes: voltage stabilization, current stabilization, power stabilization and tracking the maximum power point in harsh operating conditions. It is achieved by the fact that the device consists of two series-connected voltage conversion stages connected to primary sources of direct current electric power through a fuse, an input filter of electromagnetic interference and a protection and inrush current limitation circuit connected to an auxiliary current source with galvanic isolation of output voltages to power the equipment both stages of transformation. 1 ill.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам заряда аккумуляторных батарей и может быть использована для обеспечения электропитания аппаратуры и технических средств регулируемым напряжением постоянного тока от различных первичных источников электрической энергии в жестких условиях эксплуатации.The proposed utility model relates to the field of electrical engineering, namely to battery charging devices and can be used to provide power supply to equipment and technical means with regulated DC voltage from various primary sources of electrical energy in harsh operating conditions.

Из уровня техники известен солнечный контроллер КЭС DOMINATOR МРРТ, ООО "МикроАРТ", Россия с конвекционным охлаждением, построенный на основе DC-DC преобразователя напряжения и микроконтроллера с элементами индикации, кнопками управления и каналом информационного обмена по интерфейсу RS-232 [см. сайт www.mppt.pro].A solar controller KES DOMINATOR MRRT, LLC "MicroART", Russia with convection cooling, built on the basis of a DC-DC voltage converter and a microcontroller with display elements, control buttons and an information exchange channel via the RS-232 interface is known from the prior art. website www.mppt.pro].

Известное устройство позволяет заряжать различные типы аккумуляторных батарей от солнечных панелей и ветрогенераторов и следить за точкой максимальной мощности (МРРТ) даже в случае частичного затенения солнечного модуля, что значительно повышает эффективность использования энергии фотоэлектрических систем по сравнению с обычным методом ШИМ (PWM).The known device makes it possible to charge various types of storage batteries from solar panels and wind generators and monitor the maximum power point (MPPT) even in the case of partial shading of the solar module, which significantly increases the energy efficiency of photovoltaic systems in comparison with the conventional PWM method.

Недостатком этого известного контроллера заряда, являющегося устройством широкого потребления, является то, что он не предназначен для работы с другими первичными источниками энергии постоянного тока, такими как AC/DC и DC/DC преобразователями напряжения для питания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в жестких условиях эксплуатации и для ответственных применений, например, в качестве бортовых устройств электропитания в буфере с аккумуляторной батареей.The disadvantage of this known consumer charge controller is that it is not designed to work with other primary DC power sources, such as AC / DC and DC / DC voltage converters for powering electronic equipment (CEA) in harsh operating conditions. and for demanding applications, for example as on-board power supply devices in a buffer with a battery.

Известны преобразователи DC/DC группы Hi-Rel американской компании SynQor, выполненные по двухступенчатой схеме и предназначенные для применения в жестких условиях эксплуатации для питания аппаратуры ответственного применения [см. сайт https://www.synqor.com, а также статью М. Никитина «Высоконадежные DC/DC преобразователи для применения в военной и транспортной технике» в журнале «Компоненты и технологии №1, 2011. С. 52-54]. Первая ступень известных преобразователей содержит последовательно соединенные повышающий преобразователь со схемой контроля входного напряжения, понижающий регулятор, датчик тока с токовым ограничителем и блок основного контроля за работой первой ступени, подключенный к драйверам ключей регулятора и к устройству контроля за выходной мощностью. Вторая ступень известных преобразователей содержит узел гальванической развязки, трансформатор обратной связи и регулятор мощности, подключенные к блоку вторичного контроля за работой второй ступени, управляющий драйверами ключей узла гальванической развязки.Known DC / DC converters of the Hi-Rel group of the American company SynQor, made according to a two-stage scheme and intended for use in harsh operating conditions for powering critical equipment [see. site https://www.synqor.com, as well as an article by M. Nikitin "Highly reliable DC / DC converters for use in military and transport equipment" in the journal "Components and Technologies No. 1, 2011. S. 52-54]. The first stage of the known converters contains a series-connected boost converter with an input voltage control circuit, a step-down regulator, a current sensor with a current limiter and a main control unit for the operation of the first stage, connected to the regulator key drivers and to the output power control device. The second stage of the known converters contains a galvanic isolation unit, a feedback transformer and a power regulator connected to a secondary control unit for the operation of the second stage, which controls the key drivers of the galvanic isolation unit.

Известные преобразователи имеют следующие недостатки:The known converters have the following disadvantages:

они не предназначены для управления зарядом аккумуляторных батарей в том числе от солнечных панелей, так как обладают всего одним режимом работы, а именно стабилизацией фиксированных выходных напряжений с подстройкой величин в узком диапазоне с помощью внешних резисторов, и имеют сравнительно маленькую мощность;they are not designed to control the charge of batteries, including from solar panels, since they have only one mode of operation, namely, stabilization of fixed output voltages with adjustment of values in a narrow range using external resistors, and have a relatively low power;

у них отсутствует цифровое управление по внешнему каналу информационного обмена.they do not have digital control over an external information exchange channel.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенной полезной модели является конвертор напряжения сети КНС-1500-28,5-00 СКТБ "СКиТ", Россия с конвекционным охлаждением, предназначенный для работы в составе зарядных устройств аккумуляторных батарей и питания РЭА в жестких условиях эксплуатации и обеспечивающий преобразование входного напряжения переменного тока в выходное напряжение постоянного тока с гальванической развязкой между входом и выходом [см. сайт www.skitlab.ru]. Известное устройство рассчитано на выходную мощность 1500 Вт и позволяет работать в режимах стабилизации выходного напряжения и стабилизации выходного тока и содержит последовательно соединенные входной сетевой фильтр электромагнитных помех, схему защиты и ограничения пускового тока, корректор коэффициента мощности, изолирующий квазирезонансный мостовой преобразователь напряжения с синхронным выпрямителем, схемы защиты и выходной фильтр электромагнитных помех, подключенный к выходу схемы защиты и ограничения пускового тока вспомогательный источник питания с гальванической изоляцией выходных напряжений и микроконтроллер с функциями управления и встроенного контроля, подключенный через схему последовательного интерфейса RS-485 к каналу информационного обмена устройства, по интерфейсу I2C к датчику температуры, по сигналам АЦП через измерительные схемы, а по сигналам управления непосредственно к изолирующему квазирезонансному мостовому преобразователю и к устройствам коммутации и индикации.By the totality of similar essential features, the closest to the proposed utility model is the network voltage converter KNS-1500-28.5-00 SKTB "SKiT", Russia with convection cooling, intended for operation as part of battery chargers and power supply of electronic equipment in harsh operating conditions and converting the input AC voltage to DC output voltage with galvanic isolation between input and output [see. website www.skitlab.ru]. The known device is designed for an output power of 1500 W and allows operation in the modes of stabilization of the output voltage and stabilization of the output current and contains a series-connected input mains filter of electromagnetic interference, a protection circuit and limiting the starting current, a power factor corrector, an isolating quasi-resonant bridge voltage converter with a synchronous rectifier, protection circuits and output EMI filter connected to the output of the inrush current protection and limiting circuit auxiliary power supply with galvanic isolation of the output voltages and a microcontroller with control and built-in monitoring functions connected through the RS-485 serial interface circuit to the device communication channel, via the interface I2C to a temperature sensor, according to ADC signals through measuring circuits, and according to control signals directly to an isolating quasi-resonant bridge converter and to switching and indication devices and.

Недостатком известного устройства является невозможность заряжать с его помощью аккумуляторные батареи от солнечных панелей (модулей) и от других первичных источников электроэнергии постоянного тока.The disadvantage of the known device is the impossibility of charging with its help storage batteries from solar panels (modules) and from other primary sources of direct current electricity.

Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача расширения функциональных возможностей известного устройства и создания конроллера заряда аккумуляторных батарей от различных первичных источников энергии постоянного тока, включая солнечные панели (модули), для в жестких условий эксплуатации.The claimed utility model was tasked with expanding the functionality of the known device and creating a controller for charging batteries from various primary DC energy sources, including solar panels (modules), for harsh operating conditions.

Поставленная задача решается тем, что предложен двухступенчатый контроллер заряда аккумуляторных батарей с расширенными функциональными возможностями, первая ступень которого содержит подключенный к внешнему первичному источнику питания постоянного тока через первый предохранитель последовательно соединенные фильтр электромагнитных помех и схему защиты и ограничения пускового тока, подключенную к вспомогательному источнику тока с гальванической изоляцией выходных напряжений, подключенных к аппаратуре первой и второй ступени заявленного устройства, вторая ступень которого подключена к выходу первой ступени через второй предохранитель и содержит изолирующий квазирезонансный мостовой преобразователь напряжения с синхронным выпрямителем, подключенный через схемы защиты и выходной фильтр электромагнитных помех к нагрузке и внешней аккумуляторной батарее. Вторая ступень заявленного устройства содержит также микроконтроллер с функциями управления и встроенного контроля, подключенный через схему последовательного интерфейса RS-485 к каналу информационного обмена заявленного устройства, по интерфейсу I2C к датчику температуры, по сигналам АЦП через измерительные схемы, а по сигналам управления непосредственно к изолирующему квазирезонансному мостовому преобразователю и к устройствам коммутации и индикации.The problem is solved by the fact that a two-stage battery charge controller with extended functionality is proposed, the first stage of which contains a series-connected electromagnetic interference filter and a starting current protection and limiting circuit connected to an auxiliary current source connected to an external primary DC power supply through the first fuse with galvanic isolation of the output voltages connected to the equipment of the first and second stage of the claimed device, the second stage of which is connected to the output of the first stage through the second fuse and contains an isolating quasi-resonant bridge voltage converter with a synchronous rectifier connected through protection circuits and an output filter of electromagnetic interference to the load and external storage battery. The second stage of the claimed device also contains a microcontroller with control and built-in control functions, connected through the RS-485 serial interface circuit to the communication channel of the declared device, via the I2C interface to the temperature sensor, according to the ADC signals through the measuring circuits, and according to the control signals directly to the isolating quasi-resonant bridge converter and to switching and indication devices.

Новым в предложенной полезной модели является то, что в первую ступень предложенного двухступенчатого контроллера заряда аккумуляторных батарей введен двухканальный повышающий преобразователь с интерливингом, включенный между схемой защиты и ограничения пускового тока первой ступени заявленного устройства и предохранителем изолирующего квазирезонансного мостового преобразователя второй ступени с синхронным выпрямителем, и второй микроконтроллер с функциями управления и встроенного контроля, подключенный по сигналам управления непосредственно, а по сигналам АЦП через измерительные схемы к двухканальному повышающему преобразователю напряжения с интерливингом, по выходу последовательного интерфейса к первому микроконтроллеру через схему гальванической развязки, по интерфейсу I2C ко второму датчику температуры, а по выходу сигналов управления к подогревателю, соединенному с выходом схемы защиты и ограничения пускового тока.New in the proposed utility model is that in the first stage of the proposed two-stage battery charge controller, a two-channel step-up converter with interleaving is introduced, connected between the protection circuit and limiting the inrush current of the first stage of the claimed device and the fuse of the isolating quasi-resonant bridge converter of the second stage with a synchronous rectifier, and a second microcontroller with control and built-in monitoring functions, connected directly via control signals, and via ADC signals via measuring circuits to a two-channel step-up voltage converter with interleaving, via a serial interface output to the first microcontroller via a galvanic isolation circuit, via an I2C interface to a second temperature sensor, and on the output of control signals to the heater connected to the output of the protection circuit and limiting the starting current.

Технический результат заявленной полезной модели состоит в расширении функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности заряда различных типов аккумуляторных батарей от различных первичных источников электропитания постоянного тока в широком диапазоне питающих напряжений, включая солнечные панели, и программной реализации расширенного списка режимов работы: стабилизации напряжения, стабилизации тока, стабилизации мощности и отслеживания точки максимальной мощности в жестких условиях эксплуатации.The technical result of the claimed utility model is to expand the functionality of the device by providing the ability to charge various types of storage batteries from various primary DC power sources in a wide range of supply voltages, including solar panels, and software implementation of an extended list of operating modes: voltage stabilization, current stabilization , power stabilization and tracking of the maximum power point in harsh operating conditions.

На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленного устройства.The figure shows a functional block diagram of the claimed device.

Заявленное устройство состоит из первой 1 и второй 2 ступени, первая из которых 1 содержит последовательно соединенные предохранитель 3, подключенный к шине 4 входного питающего напряжения от первичных источников энергии постоянного тока (на чертеже не показаны), входной фильтр электромагнитных помех 5, схему защиты и ограничения пускового тока 6, двухканальный повышающий преобразователь напряжения 7 с интерливингом, а также вспомогательный источник тока 8 с гальванической изоляцией выходных напряжений, подключенный по шине 9 к аппаратуре первой ступени 1 и по шине 10 к аппаратуре второй ступени 2 заявленного устройства, и подогреватель 11. Выходы сигналов о работе двухканального повышающего преобразователя напряжения 7 с интерливингом через измерительные схемы 12 подключены к входам АЦП, а входы сигналов управления подключены непосредственно к соответствующим выходам микроконтроллера 13 с функциями управления и встроенного контроля за работой первой ступени 1 устройства. Микроконтроллер 13 по выходу управляющего сигнала подключен к нагревателю 11, а по интерфейсу I2C к датчику температуры 14. Промежуточное постоянное напряжение с выхода повышающего преобразователя 7 с интерливингом первой ступени 1 заявленного устройства через предохранитель 15 подается на вход изолирующего квазирезонансного мостового преобразователя 16 с синхронным выпрямителем (на чертеже не показан) и далее через схемы защиты 17 и выходной фильтр электромагнитных помех 18 на выход 19 второй ступени заявленного устройства, к которому подключается нагрузка и/или аккумуляторная батарея (на чертеже не показаны). Сигналы о работе изолирующего квазирезонансного преобразователя 16 через измерительные схемы 20, а управляющие сигналы непосредственно поступают с соответствующих контактов микроконтроллера 21, подключенного по последовательному каналу связи UART через схему гальванической развязки 22 к выходу микроконтроллера 13 первой ступени заявленного устройства 1 и через схему 23 последовательного интерфейса RS-485 к выходу 24 канала информационного обмена второй ступени 2 заявленного устройства. Датчик температуры 25 по интерфейсу I2C подключен к соответствующим входам микроконтроллера 21, входы разовых команд которого подключены к устройству коммутации 26, а выходы сигналов управления подключены к устройству индикации 27.The claimed device consists of the first 1 and the second 2 stages, the first of which 1 contains a series-connected fuse 3, connected to the bus 4 of the input supply voltage from the primary DC power sources (not shown in the drawing), an input filter of electromagnetic interference 5, a protection circuit and starting current limiting 6, a two-channel step-up voltage converter 7 with interleaving, as well as an auxiliary current source 8 with galvanic isolation of output voltages, connected via bus 9 to the equipment of the first stage 1 and via bus 10 to the equipment of the second stage 2 of the claimed device, and a heater 11. The outputs of the signals about the operation of the two-channel step-up voltage converter 7 with interleaving through the measuring circuits 12 are connected to the ADC inputs, and the control signal inputs are connected directly to the corresponding outputs of the microcontroller 13 with control functions and built-in control over the operation of the first stage 1 of the device. Microcontroller 13 at the output of the control signal is connected to the heater 11, and via the I2C interface to the temperature sensor 14. The intermediate constant voltage from the output of the step-up converter 7 with interleaving of the first stage 1 of the claimed device is fed through the fuse 15 to the input of the isolating quasi-resonant bridge converter 16 with a synchronous rectifier ( not shown in the drawing) and then through the protection circuits 17 and the output filter of electromagnetic interference 18 to the output 19 of the second stage of the claimed device, to which the load and / or the storage battery (not shown) is connected. The signals about the operation of the isolating quasi-resonant converter 16 through the measuring circuits 20, and the control signals are directly received from the corresponding contacts of the microcontroller 21 connected via the UART serial communication channel through the galvanic isolation circuit 22 to the output of the microcontroller 13 of the first stage of the claimed device 1 and through the circuit 23 of the RS serial interface -485 to the output 24 of the channel of information exchange of the second stage 2 of the claimed device. The temperature sensor 25 is connected via the I2C interface to the corresponding inputs of the microcontroller 21, the inputs of one-time commands of which are connected to the switching device 26, and the outputs of the control signals are connected to the display device 27.

Заявленное устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.

Напряжение питания от первичных источников электроэнергии постоянного тока по шине 4 через защитный предохранитель 3 первой ступени 1 устройства подается на входной LC-фильтр электромагнитных помех 5, защищающий внутренние цепи устройства от внешних помех и сокращающий уровень шумов, создаваемых импульсными преобразователями устройства в цепях питающей сети и нагрузки. Далее напряжение поступает на схему защиты и ограничения пускового тока 6. Схема защиты обеспечивает защиту устройства от включения в сеть с неправильной полярностью, а также защищает элементы схемы от попадания на них повышенного напряжения в случае недопустимого увеличения напряжения питающей сети, а также предотвращает некорректную работу устройства при пониженном напряжении питающей сети. Схема ограничения пускового тока необходима при заряде рабочих емкостей устройства в момент его включения, когда ток может многократно превысить нормальный рабочий ток и привести к выходу из строя как элементов схемы устройства, так и питающего оборудования. Схема представляет собой активное сопротивление, включенное последовательно с емкостной нагрузкой, которое после установления на емкостях нормального напряжения шунтируется для уменьшения тепловыделения и увеличения коэффициента полезного действия (КПД) устройства.The supply voltage from the primary DC power sources via the bus 4 through the protective fuse 3 of the first stage 1 of the device is fed to the input LC-filter of electromagnetic interference 5, which protects the internal circuits of the device from external interference and reduces the noise level created by the pulse converters of the device in the supply network circuits and load. Further, the voltage goes to the protection circuit and limiting the starting current 6. The protection circuit protects the device from being connected to the network with incorrect polarity, and also protects the circuit elements from overvoltage in the event of an unacceptable increase in the supply voltage, and also prevents incorrect operation of the device at undervoltage of the supply network. The inrush current limiting circuit is necessary when charging the working capacities of the device at the moment of its switching on, when the current can many times exceed the normal operating current and lead to the failure of both the circuit elements of the device and the supply equipment. The circuit is an active resistance connected in series with a capacitive load, which, after establishing normal voltage across the capacitors, is shunted to reduce heat generation and increase the efficiency of the device.

Основу первой ступени устройства составляет предварительный повышающий преобразователь напряжения 7, который выполнен по известной двухканальной схеме с интерливингом (коммутацией) и служит для получения стабилизированного промежуточного напряжения величиной 77 В, несколько превышающего максимально допустимое напряжение питания устройства (72 В). Параллельная работа двух каналов повышающего преобразователя 7 позволяет располовинить тепловую мощность потерь при минимальном напряжении питания, а интерливинг позволяет понизить импульсные входные токи и уменьшить электромагнитные помехи. Напряжение на вход повышающего преобразователя 7 подается с выхода схемы защиты и ограничения пускового тока 6 и параллельно поступает также на вход вспомогательного источника тока 8, выполненного по обратноходовой схеме с гальванической развязкой и обеспечивающего электропитанием аппаратуру обеих ступеней 1 и 2 заявленного устройства. По шине 9 напряжения постоянного тока с выхода вспомогательного источника тока 8 подается на элементы первой ступени 1 устройства, а по шине 10- на элементы второй ступени 2 устройства. Для обеспечения работоспособности при температуре минус 50 градусов Цельсия в устройство введен подогреватель 11, управляемый с выхода микроконтроллером 13 по сигналам датчика температуры 14. Микроконтроллер 13 с измерительными схемами 12, подключенными к двухканальному повышающему преобразователю 7, обеспечивает автоматический контроль за его работой.The basis of the first stage of the device is a preliminary step-up voltage converter 7, which is made according to the well-known two-channel scheme with interleaving (switching) and serves to obtain a stabilized intermediate voltage of 77 V, slightly exceeding the maximum allowable supply voltage of the device (72 V). Parallel operation of two channels of the boost converter 7 allows to halve the thermal power of losses at a minimum supply voltage, and interleaving allows to reduce pulse input currents and reduce electromagnetic interference. The voltage to the input of the step-up converter 7 is supplied from the output of the protection and inrush current limiting circuit 6 and is also fed in parallel to the input of the auxiliary current source 8, made according to the flyback circuit with galvanic isolation and providing power to the equipment of both stages 1 and 2 of the claimed device. Through the bus 9, the DC voltage from the output of the auxiliary current source 8 is supplied to the elements of the first stage 1 of the device, and along the bus 10 - to the elements of the second stage 2 of the device. To ensure operability at a temperature of minus 50 degrees Celsius, a heater 11 is introduced into the device, controlled from the output by a microcontroller 13 according to signals from a temperature sensor 14. Microcontroller 13 with measuring circuits 12 connected to a two-channel boost converter 7 provides automatic control over its operation.

Повышенное стабилизированное промежуточное напряжение с выхода первой ступени 1 устройства подается через защитный предохранитель 15 на вход изолирующего преобразователя напряжения 16, выполненного по известной схеме квазирезонансного мостового преобразователя, являющегося основной частью второй ступени 2 устройства. Квазирезонансность позволяет уменьшить электромагнитное излучение и потери за счет мягкого (при нулевом напряжении) переключения силовых транзисторов. Указанный преобразователь 16 служит для гальванической развязки нагрузки от входных цепей электропитания. Силовой трансформатор мостового преобразователя 16 (на чертеже не показан) понижает напряжение и обеспечивает требуемую гальваническую развязку выходного напряжения для удовлетворения требованиям электрической безопасности устройства и подключаемой к нему аппаратуры. Пониженное силовым трансформатором напряжение переменного тока высокой частоты (100 кГц - для уменьшения габаритов силового трансформатора) выпрямляется синхронным выпрямителем и усредняется и сглаживается конденсатором (на чертеже не показаны). Синхронный выпрямитель позволяет уменьшить тепловыделение и повысить КПД за счет меньшего по сравнению с диодным падения напряжения на полупроводниковых элементах. Ключами моста и синхронным выпрямителем преобразователя 16 управляет контроллер ШИМ (на чертеже не показан) методом фазового сдвига, который измеряет и регулирует выходное напряжение путем сдвига фазы одной стойки моста относительно другой, изменяя таким образом соотношение времени подачи энергии и времени холостого хода. На время передачи энергии контроллер ШИМ включает один из ключей синхронного выпрямителя, подключая нагрузку к обмотке трансформатора. Благодаря предварительному повышающему преобразователю 7 в первой ступени 1 устройства мостовой преобразователь 16 всегда работает с высоким коэффициентом заполнения, что обеспечивает высокий КПД. Мостовой преобразователь 16 охвачен отрицательной обратной связью по току и напряжению. Обратную связь по току обеспечивает датчик тока - шунт (на чертеже не показан). С выхода изолирующего квазирезонансного мостового преобразователя 16 напряжение постоянного тока проходит через схемы защиты 17 от перенапряжений, обратного тока и короткого замыкания и выходной фильтр электромагнитных помех 18 на выход 19 устройства для подключения к нагрузке и аккумуляторным батареям.The increased stabilized intermediate voltage from the output of the first stage 1 of the device is fed through a protective fuse 15 to the input of an isolating voltage converter 16, made according to the known scheme of a quasi-resonant bridge converter, which is the main part of the second stage 2 of the device. Quasi-resonance allows to reduce electromagnetic radiation and losses due to soft (at zero voltage) switching of power transistors. The specified converter 16 serves for galvanic isolation of the load from the input power supply circuits. The power transformer of the bridge converter 16 (not shown in the drawing) lowers the voltage and provides the required galvanic isolation of the output voltage to meet the electrical safety requirements of the device and the equipment connected to it. The high frequency AC voltage reduced by the power transformer (100 kHz - to reduce the size of the power transformer) is rectified by a synchronous rectifier and averaged and smoothed by a capacitor (not shown in the drawing). A synchronous rectifier can reduce heat generation and increase efficiency due to a lower voltage drop across semiconductor elements compared to a diode rectifier. The bridge keys and the synchronous rectifier of the converter 16 are controlled by a PWM controller (not shown in the drawing) by the phase shift method, which measures and regulates the output voltage by shifting the phase of one bridge post relative to another, thus changing the ratio of the power supply time to the no-load time. During the transfer of energy, the PWM controller turns on one of the keys of the synchronous rectifier, connecting the load to the transformer winding. Due to the pre-boost converter 7 in the first stage 1 of the device, the bridge converter 16 always operates with a high duty cycle, which ensures high efficiency. The bridge converter 16 is covered by negative current and voltage feedback. Current feedback is provided by a current sensor - a shunt (not shown in the drawing). From the output of the isolating quasi-resonant bridge converter 16, the DC voltage passes through the protection circuits 17 against overvoltage, reverse current and short circuit and the output EMI filter 18 to the output 19 of the device for connecting to the load and batteries.

Управление работой аппаратуры второй ступени 2 устройства осуществляет микроконтроллер 21, подключенный к изолирующему преобразователю 16 через измерительные схемы 20 и непосредственно. Микроконтроллер 21 поддерживает 4 режима работы устройства: стабилизацию напряжения, стабилизацию тока, стабилизацию мощности и режим отслеживания точки максимальной мощности МРРТ (при питании от солнечных модулей). В режиме МРРТ поддерживается максимальный уровень входной мощности путем коррекции параметров выходной мощности устройства. Микроконтроллер 21 по последовательному интерфейсу UART через схему гальванической развязки 22 получает информацию от микроконтроллера 13 первой ступени 1 о величинах входного напряжения, тока, температуры, битов состояния контроллеров ШИМ, управляющих работой повышающего преобразователя 7 первой ступени 1 устройства. Микроконтроллер 21 подключен также к датчику температуры 25, устройству коммутации 26, устройству индикации 27 и к схеме 23 последовательного интерфейса RS-485, подключенной к выходу 24 канала последовательного информационного обмена устройства. Через указанный канал осуществляется передача данных о состоянии устройства и параметрах, необходимых для его конфигурирования с удаленной точки доступа. Индикация параметров и режимов работы устройства осуществляется с помощью встроенного в переднюю панель устройства индикации 27. Управление режимами индикации осуществляется с помощью кнопок устройства коммутации 26.The operation of the equipment of the second stage 2 of the device is controlled by the microcontroller 21, which is connected to the isolating converter 16 through the measuring circuits 20 and directly. Microcontroller 21 supports 4 modes of device operation: voltage stabilization, current stabilization, power stabilization and MPPT maximum power point tracking mode (when powered by solar modules). In the MPPT mode, the maximum input power level is maintained by correcting the parameters of the device's output power. The microcontroller 21 via the UART serial interface through the galvanic isolation circuit 22 receives information from the microcontroller 13 of the first stage 1 about the values of the input voltage, current, temperature, status bits of the PWM controllers that control the operation of the step-up converter 7 of the first stage 1 of the device. The microcontroller 21 is also connected to the temperature sensor 25, the switching device 26, the display device 27 and to the circuit 23 of the RS-485 serial interface connected to the output 24 of the serial communication channel of the device. The specified channel is used to transmit data about the device status and parameters required for its configuration from a remote access point. The indication of the parameters and operating modes of the device is carried out using the display device 27 built into the front panel. The display modes are controlled using the buttons of the switching device 26.

Принятые сокращения:Accepted abbreviations:

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;ADC - analog-to-digital converter;

РЭА - радио-электронная аппаратура;REA - radio-electronic equipment;

КПД - коэффициент полезного действия;Efficiency - coefficient of efficiency;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция;PWM - pulse width modulation;

МРРТ -maximum power point tracking - отслеживание точки максимальной мощности;MRPT -maximum power point tracking - tracking the point of maximum power;

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

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

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

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

Claims

A two-stage battery charge controller with extended functionality, the first stage of which contains a series-connected EMI filter and an inrush current protection and limitation circuit connected to an external primary DC power supply through the first fuse, connected to an auxiliary current source with galvanic isolation of the output voltages connected to the equipment of the first and second stage of the claimed device, the second stage of which is connected to the voltage output of the first stage through the second fuse and contains an isolating quasi-resonant bridge voltage converter with a synchronous rectifier connected through protection circuits and an output filter of electromagnetic interference to the load and an external battery, the second stage of the claimed device also contains a microcontroller with control functions and built-in control over the operation of the second stage, connected through a serial circuit an external RS-485 interface to the information exchange channel of the declared device, via the I2C interface to the first temperature sensor, via the ADC signals through the measuring circuits, and via the control signals directly to the isolating quasi-resonant bridge converter and to the switching and indication devices, characterized in that the first stage of the claimed device introduced a two-channel step-up converter with interleaving, connected between the protection circuit and limiting the inrush current of the first stage of the claimed device and the fuse of the isolating quasi-resonant bridge converter of the second stage with a synchronous rectifier, and a second microcontroller with control functions and built-in control over the operation of the first stage connected by control signals directly, and according to ADC signals through measuring circuits to a two-channel step-up voltage converter with interleaving, through the output of the serial interface to the first microcontroller through cx it is galvanically isolated, via the I2C interface to the second temperature sensor, via the output of control signals to the heater connected to the output of the protection and starting current limiting circuit.