RU2165669C1

RU2165669C1 - Charger-discharger

Info

Publication number: RU2165669C1
Application number: RU99127500/09A
Authority: RU
Inventors: В.В. Савенков; А.К. Тищенко; Г.Д. Лившин
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Космос Энво"
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2001-04-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; off-line power supplies using storage batteries as power accumulators. SUBSTANCE: device has first and second filter capacitors, first and second transistors and diodes; drain and cathode of first transistor and diode are connected to first lead of first filter capacitor, source and anode, to first lead of choke coil, and to drain and cathode of second transistor and diode whose source and anode are connected to second leads of first and second filter capacitors and to common conductor of circuit. Device is built around metal-insulator- semiconductor transistors. Additionally introduced in device are transistor and diode whose source and cathode are connected to second lead of choke coil, drain of additional transistor is connected to first lead of second filter capacitor, and anode of additional diode, to common conductor of circuit; leads of first filter capacitor are designed for connecting storage battery and those of second one, for connecting power supply and load. EFFECT: enlarged functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к системам электропитания (СЭП) автономных объектов, использующих в качестве накопителей энергии аккумуляторные батареи. The invention relates to electrical engineering, namely, to power supply systems (BOT) of autonomous objects using storage batteries as energy storage devices.

Для построения СЭП со стабилизированной шиной электропитания автономных объектов с использованием аккумуляторной батареи, конечное разрядное напряжение которой выше, чем напряжение шины, с целью обеспечения высоких значений КПД и снижения габаритов и массы, зарядно-разрядное устройство целесообразно выполнять с использованием однотактных схем непосредственного преобразования энергии с промежуточным накоплением энергии в дросселе. In order to build a SES with a stabilized power supply bus for autonomous objects using a rechargeable battery, the final discharge voltage of which is higher than the bus voltage, in order to ensure high values of efficiency and reduce overall dimensions and weight, it is advisable to perform a charge-discharge device using single-cycle direct energy conversion circuits with intermediate energy storage in the inductor.

При эксплуатации аккумуляторной батареи для увеличения срока ее службы необходимо периодически проводить восстановительные циклы заряда-разряда, в том числе разряд до нулевого значения напряжения батареи. В этом случае батарея отключается от шин и ее разряд осуществляется поэлементно на индивидуальную активную нагрузку для каждого элемента батареи. Для отключения батареи от шин на время разряда до нуля и проведения последующего заряда батареи до рабочего уровня напряжения необходимо введение в схему дополнительного устройства. When operating the battery, to increase its service life, it is necessary to periodically conduct recovery cycles of charge-discharge, including discharge to zero voltage of the battery. In this case, the battery is disconnected from the tires and its discharge is carried out element by element to the individual active load for each battery cell. To disconnect the battery from the tires for the duration of the discharge to zero and conduct the subsequent battery charge to the operating voltage level, an additional device must be introduced into the circuit.

Наиболее близким к заявляемому зарядно-разрядному устройству является устройство (1), содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй транзисторы, первый и второй диоды, при этом сток первого транзистора и катод первого диода подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, исток первого транзистора и анод первого диода соединены с первым выводом дросселя, стоком второго транзистора и катодом второго диода, исток второго транзистора и анод первого диода подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы. Closest to the claimed charge-discharge device is a device (1) containing the first and second filter capacitors, first and second transistors, first and second diodes, wherein the drain of the first transistor and the cathode of the first diode are connected to the first terminal of the first filter capacitor, the source of the first the transistor and the anode of the first diode are connected to the first terminal of the inductor, the drain of the second transistor and the cathode of the second diode, the source of the second transistor and the anode of the first diode are connected to the second terminals of the first and second condens Ator filter circuit and GND.

Однако такое зарядно-разрядное устройство предназначено для работы в системе, где напряжение аккумуляторной батареи должно быть всегда ниже напряжения шины. However, such a charge-discharge device is designed to operate in a system where the battery voltage must always be lower than the bus voltage.

Задачей, на решение которой направлено создание заявленного изобретения, является расширение функциональных возможностей зарядно-разрядного устройства для обеспечения работы аккумуляторной батареи, конечное разрядное напряжение которой выше, чем напряжение шины, проведения восстановительных циклов, включающих глубокий поэлементный разряд отключенной от шин батареи на индивидуальную активную нагрузку и повышение КПД. The task to which the creation of the claimed invention is directed is to expand the functionality of the charge-discharge device to ensure the operation of the battery, the final discharge voltage of which is higher than the voltage of the bus, conducting restoration cycles, including a deep element-by-cell discharge of an individual active load disconnected from the busbars and increased efficiency.

Задача решается тем, что зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй транзисторы, первый и второй диоды, при этом сток первого транзистора и катод первого диода подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, исток первого транзистора и анод первого диода соединены с первым выводом дросселя, стоком второго транзистора и катодом второго диода, исток второго транзистора и анод первого диода подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, выполнено на МДП-транзисторах, при этом в устройство введены дополнительные транзистор и диод, исток и катод которых 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. The problem is solved in that the charge-discharge device containing the first and second filter capacitors, first and second transistors, first and second diodes, while the drain of the first transistor and the cathode of the first diode are connected to the first output of the first filter capacitor, the source of the first transistor and the anode of the first the diode is connected to the first output of the inductor, the drain of the second transistor and the cathode of the second diode, the source of the second transistor and the anode of the first diode are connected to the second terminals of the first and second filter capacitors and a common wire the circuit is made on MIS transistors, while an additional transistor and a diode are introduced into the device, the source and cathode of which are connected to the second output of the inductor, the drain of the additional transistor is connected to the first output of the second filter capacitor, and the anode of the additional diode is connected to the common wire of the circuit, moreover, the conclusions of the first filter capacitor are used to connect the battery, and the conclusions of the second filter capacitor are used to connect the power source and load.

На фиг. 1 представлена схема зарядно-разрядного устройства, на фиг. 2 - эпюры напряжений на затворах транзисторов в различных режимах работы. In FIG. 1 is a diagram of a charge-discharge device; FIG. 2 - voltage diagrams of transistor gates in various operating modes.

Устройство содержит три однотактных непосредственных преобразователя, работающих попеременно и использующих общий дроссель - два зарядных, один из которых, повышающий, предназначен для заряда батареи при U_АБ > U_нагр, другой, понижающий, используется для отключения батареи от шин при проведении глубокого разряда батареи и для последующего ее заряда "с нуля" при напряжении U_АБ < U_нагр и разрядный, и состоит из первого конденсатора фильтра 1, транзистора разрядного преобразователя 2, транзистора 3 и диода 4 зарядного повышающего преобразователя, диода 5 разрядного преобразователя, дросселя 6, диода 7 и транзистора 8 зарядного понижающего преобразователя, второго конденсатора фильтра 9. Устройство содержит соединенные с выводами первого конденсатора фильтра клеммы 10, 11 для подключения аккумуляторной батареи 14 и клеммы 12, 13, соединенные с выводами второго конденсатора фильтра, для подключения нагрузки 15 и источника постоянного напряжения 16.The device contains three one-cycle direct converters operating alternately and using a common inductor - two chargers, one of which is a boost, designed to charge the battery at U _AB > U _load , the other, step-down, is used to disconnect the battery from the tires during deep battery discharge and for its subsequent charge "from scratch" at a voltage of U _AB <U, the _load and discharge, and consists of a first filter capacitor 1, a transistor of a discharge converter 2, a transistor 3 and a diode 4 of a charging boost converter For, the diode 5 of the discharge converter, the inductor 6, the diode 7 and the transistor 8 of the charging step-down converter, the second filter capacitor 9. The device contains terminals 10, 11 connected to the terminals of the first filter capacitor for connecting the battery 14 and terminals 12, 13 connected to the terminals the second filter capacitor, for connecting the load 15 and the constant voltage source 16.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Силовые транзисторы 2, 3 преобразователей работают в режиме ШИМ с коэффициентом заполнения импульсов не более 0,5 соответственно в режимах разряда и заряда при U_АБ > U_нагр или находятся в закрытом состоянии в зависимости от режимов работы системы.Power transistors 2, 3 of the converters operate in PWM mode with a pulse duty ratio of not more than 0.5, respectively, in discharge and charge modes at U _AB > U _heats or are in a closed state, depending on the operating modes of the system.

Транзистор 2, диод 5, дроссель 6 образуют понижающий ШИМ-преобразователь, обеспечивающий разряд батареи на нагрузку с одновременной стабилизацией выходного напряжения. При этом транзистор 3 постоянно закрыт, во время открытого состояния транзистора 2 происходит накопление энергии в дросселе 6 - ток разряда батареи протекает через открытый транзистор 2, дроссель 6 в нагрузку 15, и последующая ее отдача во время закрытого состояния транзистора 2 в нагрузку 15 по цепи: диод 5, дроссель 6. Transistor 2, diode 5, inductor 6 form a PWM down-converter that provides battery discharge to the load while stabilizing the output voltage. In this case, the transistor 3 is constantly closed, during the open state of the transistor 2, energy is accumulated in the inductor 6 - the battery discharge current flows through the open transistor 2, the inductor 6 to the load 15, and its subsequent discharge during the closed state of the transistor 2 to the load 15 through the circuit : diode 5, inductor 6.

Транзистор 3, диод 6, дроссель 6 образуют повышающий ШИМ-преобразователь, позволяющий заряжать батарею при U_АБ > U_нагр. При этом транзистор 2 постоянно закрыт, во время открытого состояния транзистора 3 происходит накопление энергии в дросселе 6 и последующая ее отдача в аккумуляторную батарею во время закрытого состояния транзистора 3 по цепи: дроссель 6, диод 4.Transistor 3, diode 6, inductor 6 form a boost PWM converter that allows you to charge the battery when U _AB > U _load . In this case, the transistor 2 is constantly closed, during the open state of the transistor 3, energy is accumulated in the inductor 6 and its subsequent transfer to the battery during the closed state of the transistor 3 in the circuit: inductor 6, diode 4.

В этих режимах работы транзистор 8 полностью открыт, обеспечивая протекание тока батареи в обоих направлениях. In these operating modes, the transistor 8 is fully open, ensuring the flow of battery current in both directions.

При проведении восстановительного цикла батарея разряжается посредством разрядного преобразователя до конечного разрядного напряжения, затем транзисторы 2, 3, 8 закрываются, тем самым обеспечивая отключение батареи от шин и к элементам батареи подключаются индивидуальные разрядные резисторы (на схеме не показаны) для разряда батареи до нулевого напряжения. После этого одновременно включаются в работу транзисторы 2, 8, при этом транзистор 8 работает в режиме ШИМ, обеспечивая заряд батареи, а транзистор 2 открывается на все время работы понижающего зарядного преобразователя, образованного элементами: транзистор 8, диод 7, дроссель 6, шунтируя своим переходом сток-исток диод 4 и обеспечивая тем самым меньшие потери при протекании тока заряда батареи. During the recovery cycle, the battery is discharged by a discharge converter to the final discharge voltage, then the transistors 2, 3, 8 are closed, thereby disconnecting the battery from the buses and individual discharge resistors (not shown) are connected to the battery cells to discharge the battery to zero voltage . After that, transistors 2, 8 are simultaneously turned on in operation, while transistor 8 operates in PWM mode, providing a battery charge, and transistor 2 opens for the entire duration of the step-down charging converter formed by the elements: transistor 8, diode 7, inductor 6, shunting with its transition drain-source diode 4 and thereby providing less loss when the current flow of the battery charge.

Во время открытого состояния транзистора 8 ток заряда батареи протекает через дроссель 6, открытый транзистор 2 и происходит накопление энергии в дросселе, затем, во время закрытого состояния транзистора 8, ток заряда протекает в батарею через диод 7, дроссель 6 и открытый транзистор 2. После достижения значения напряжения U_АБ = U_нагр происходит переключение режимов зарядных преобразователей: в режиме ШИМ начинает работать транзистор 3, транзистор 2 закрывается, а транзистор 8 переходит в проводящее состояние.During the open state of transistor 8, the battery charge current flows through the inductor 6, the open transistor 2 and energy is accumulated in the inductor, then, during the closed state of the transistor 8, the charge current flows into the battery through the diode 7, inductor 6 and the open transistor 2. After reaching the voltage value U _AB = U _heat , the modes of the charging converters are switched: in the PWM mode, transistor 3 starts working, transistor 2 closes, and transistor 8 goes into a conducting state.

Применение непосредственных преобразователей с накоплением энергии в дросселе и МДП-транзисторов позволяет увеличить КПД и снизить габариты и массу устройства по сравнению с трансформаторными схемами как полного, так и частичного преобразования энергии за счет меньшего числа ключевых элементов и отсутствия выпрямителей, более высоких динамических характеристик МДП-транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами и диодами, а также низких значений сопротивления канала сток-исток открытого МДП-транзистора, что обуславливает низкие статические потери в широком диапазоне выходных токов преобразователя. The use of direct converters with energy storage in the inductor and MOS transistors allows to increase the efficiency and reduce the dimensions and weight of the device compared to transformer circuits of both full and partial energy conversion due to fewer key elements and the absence of rectifiers, higher dynamic characteristics of the MIS transistors in comparison with bipolar transistors and diodes, as well as low values of the resistance of the drain-source channel of an open MOS transistor, which causes neither Kie static losses in a wide range of output currents of the inverter.

В настоящее время на предприятии ООО "Космос-ЭНВО" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность, надежность КПД. Currently, the company LLC "Cosmos-ENVO" made prototypes of the proposed device. Tests have confirmed their performance, reliability and efficiency.

Список литературы
1. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пеp. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 202-210.List of references
1. Chetti P. Designing key power sources: Per. from English - M .: Energoatomizdat, 1990, p. 202-210.

Claims

A charge-discharge device containing the first and second filter capacitors, the first and second transistors, the first and second diodes, while the drain of the first transistor and the cathode of the first diode are connected to the first output of the first filter capacitor, the source of the first transistor and the anode of the first diode are connected to the first output the choke, the drain of the second transistor and the cathode of the second diode, the source of the second transistor and the anode of the first diode are connected to the second terminals of the first and second filter capacitors and the common circuit wire, which differs that it is made on MOS transistors, while the device contains an additional transistor and a diode, the source and cathode of which are connected to the second output of the inductor, the drain of the additional transistor is connected to the first output of the second filter capacitor, and the anode of the additional diode is connected to the common circuit wire, and the conclusions of the first filter capacitor are used to connect the battery, and the conclusions of the second filter capacitor are used to connect the power source and load.