RU220383U1 - Устройство для коммутации сильноточных нагрузок в цепях низкого напряжения - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники. Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение тепловых потерь при коммутации токов более 150А. Устройство для коммутации сильноточных нагрузок в цепях низкого напряжения постоянного тока содержит в своем составе взаимосвязанные между собой: четырехслойную печатную плату силового ключа с толщиной медного слоя 105 мкм и двухслойную печатную плату контроллера с толщиной медного слоя 35 мкм. Четырехслойная печатная плата силового ключа содержит: силовой коммутирующий элемент; измеритель тока, протекающего через реле; устройство управления коммутирующим элементом с функцией защиты от перегрузки, короткого замыкания и перегрева. Двухслойная печатная плата контроллера содержит микроконтроллер; схему измерителя температуры; CAN-трансивер. 2 з.п. ф-ы.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Полезная модель относится к области вычислительной техники, в частности, к устройству для коммутации сильноточных нагрузок в цепях низкого напряжения постоянного тока.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Наиболее близким аналогом является источник информации US 2017302081 A1, опубл. 19.10.2017. В данном решении раскрывается коммутационное устройство, содержащее источник питания и устройство переключения, причем устройство переключения включает в себя блок переключения, при этом блок переключения включает в себя интерфейс источника для подключения источника питания, интерфейс нагрузки для подключения нагрузки и интерфейс сети для подключения сети, при этом устройство переключения включает в себя контроллер для управления блоком переключения в зависимости от состояния источника питания.

Предлагаемое техническое решение отличается от известного уровня техники тем, что оно обеспечивает минимизацию внутреннего сопротивления за счет конструктивного исполнения устройства. Предлагаемое техническое решение позволило снизить тепловые потери при коммутации токов более 150А.

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Задачей заявленной полезной модели является разработка устройства для коммутации сильноточных нагрузок в цепях низкого напряжения постоянного тока.

Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение тепловых потерь при коммутации токов более 150А.

Заявленный технический результат достигается посредством устройства для коммутации сильноточных нагрузок в цепях низкого напряжения постоянного тока, содержащего в своем составе взаимосвязанные между собой:

четырехслойную печатную плату силового ключа с толщиной медного слоя 105 мкм, содержащую:

силовой коммутирующий элемент;

измеритель тока, протекающего через реле;

устройство управления коммутирующим элементом с функцией защиты от перегрузки, короткого замыкания и перегрева;

двухслойную печатную плату контроллера с толщиной медного слоя 35 мкм, содержащую:

микроконтроллер;

схему измерителя температуры;

CAN-трансивер.

В частном варианте реализации описываемого решения, силовой коммутирующий элемент - это двунаправленный ключ из 16 полевых транзисторов.

В другом частном варианте реализации описываемого решения, измеритель тока - это операционный усилитель для контроля падения тока на реле.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

В приведенном ниже подробном описании реализации полезной модели приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящей полезной модели. Однако квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящую полезную модель, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы излишне не затруднять понимание особенностей настоящей полезной модели.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что полезная модель не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящей полезной модели, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.

Настоящее техническое решение предназначено для коммутации сильноточных нагрузок в цепях низкого напряжения постоянного тока.

Устройство для коммутации сильноточных нагрузок (200А номинальный долговременный режим, 300А 30 мин при 25°С - кратковременная допустимая перегрузка) в цепях низкого напряжения постоянного тока реализовано для применения в аккумуляторных батареях и электрических средствах передвижения в том числе для людей с ограниченными возможностями и др.

Устройство реализовано в комплексе из двух печатных плат (платы соединены между собой на конструктивно-функциональном уровне).

1. Четырехслойная печатная плата силового ключа с толщиной медного слоя 105 мкм имеет в своем составе:

силовой коммутирующий элемент (в частном случае используется двунаправленный ключ из 16 полевых транзисторов);

измеритель тока, протекающего через реле (в частном случае применен операционный усилитель для контроля падения тока на реле);

устройство управления коммутирующим элементом с функцией защиты от перегрузки, короткого замыкания и перегрева (изолированный драйвер двунаправленного ключа, в рамках которого обеспечивается гальваническая развязка сигнальных цепей управления силовыми ключами; в состав драйвера входят изолированный преобразователь напряжения и схема управления силовым ключом на основе оптопары).

2. Двухслойная печатная плата контроллера с толщиной медного слоя 35 мкм, содержащая в своем составе:

микроконтроллер (CAN-протокол, измерение тока, измерение температуры, управление силовым ключом, реализация функций защиты);

схему измерителя температуры (защита от перегрева);

CAN-трансивер (реализация CAN-интерфейса).

Печатная плата контроллера устанавливается на плату силового ключа и соединяется с ней посредством цангового разъема, тем самым реализуя единое устройство для коммутации сильноточных нагрузок в цепях низкого напряжения.

С электрической точки зрения силовая плата устройства представляет собой сборку двух соединенных истоками полевых транзисторов, объединенных затворами, которые управляются драйвером. Исток подключается к потенциалу земли, а стоки - в разрыв коммутируемой цепи.

Для достижения целевого тока коммутации в 300А применена печатная плата с толщиной токопроводящих слоев 105 мкм (максимально возможная технологически без существенного удорожания при производстве). Это позволило снизить внутреннее сопротивление и как следствие - тепловыделение. В итоге применение устройства при нормальных климатических условиях (температура окружающей среды не выше 25°С) возможно без использования радиатора и принудительного воздушного охлаждения.

При получении команды от внешнего контроллера (дискретного сигнала, или по цифровому интерфейсу) контроллер устройства вырабатывает управляющее напряжение на драйвере затвора, что приводит к «замыканию» реле. Затем, контроллер устройства осуществляет непрерывный мониторинг аналоговых величин, полученных с силовой платы – ее температуры и протекающего тока. При выходе данных параметров за заданный диапазон контроллер устройства выключает драйвер затвора, что приводит к «размыканию» реле. Это происходит автономно, без участия внешнего контроллера. По цифровому интерфейсу контроллер устройства передает данные об аварийном отключении устройства.

Встроенное программное обеспечение позволяет управлять реле согласно внешнему управляющему сигналу, отслеживая ток и отключая реле при превышении допустимого уровня. Также, возможно задание параметров функционирования устройства по цифровому интерфейсу (например, пороговые значения тока, падения напряжения и температуры).

Примеры реализации настоящего технического решения.

Устройство устанавливается в аккумуляторной батарее. На контроллер реле подается сигнал с системы BMS (CAN/GPIO). Устройство включает силовой ключ и измеряет ток и температуру. В случае превышения заранее установленных лимитов - устройство запускает таймер и в случае, если ситуация не изменилась - отключает силовой ключ.

Устройство обеспечивает подключение внешнего потребителя электроэнергии, как пример - электродвигателя или нагревателя, ток номинального потребления которого до 200А. При подаче на контроллер сигнала с внешней системы управления осуществляется коммутация силового ключа и обеспечивается подключение потребителя. В течение времени работы осуществляется постоянный контроль тока, протекающего через устройство, посредством операционного усилителя измерителя тока и температуры. При превышении пороговых значения контролируемых значений тока и температуры устройство в микроконтроллере запускается встроенный таймер при постоянном контроле значений тока и температуры. В случае превышения лимита времени, допустимого для работы на предельных значениях, осуществляется выдача управляющего сигнала микроконтроллера и драйвер силовых ключей обеспечивает их открытие вследствие чего потребитель (нагрузка) отключаются от источника электропитания. При этом в случае наступления аварийной ситуации, приведшей к необходимости отключения потребителя, микроконтроллер устройства в соответствии с протоколом передает информацию о событии во внешнюю систему управления.

Устройство используется для обеспечения встроенной защиты системы электропитания при превышении тока потребления или температуры и является быстродействующей альтернативой контактору. По сигналу от внешней системы управления устройство включает силовой ключ и измеряет ток и температуру. При превышении заранее установленных лимитов, в случае возникновения, к примеру, короткого замыкания, - устройство запускает таймер и продолжает отслеживать значение тока и температуры. По истечении времени срабатывания драйвер обеспечивает открытие силовых ключей и отключение нагрузки. При этом время срабатывания может задаваться, исходя из требований безопасности, а по быстродействию в десятки раз превышает контактор. При этом у силового транзисторного ключа отсутствует эффект «механического залипания», что обеспечивает большую электробезопасность системы в целом.

Настоящее техническое решение обеспечивает бесшумную коммутацию постоянного тока до 300А в обоих направлениях, как дискретным сигналом, так и по цифровому интерфейсу, а также осуществляет отключение питания при превышении допустимого тока, либо при перегреве.

Дополнительно обеспечивается минимизация внутреннего сопротивления, за счет конструктивного исполнения устройства в виде четырехслойной печатной платы с толщиной медного слоя 105 мкм.

Таким образом, настоящее техническое решение позволило снизить тепловые потери при коммутации токов более 150А, и как следствие - возможность применения без принудительного воздушного охлаждения.

В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Claims (3)

1. Устройство для коммутации сильноточных нагрузок в цепях низкого напряжения постоянного тока, содержащее в своем составе взаимосвязанные между собой: четырехслойную печатную плату силового ключа с толщиной медного слоя 105 мкм, содержащую: силовой коммутирующий элемент; измеритель тока, протекающего через реле; устройство управления коммутирующим элементом с функцией защиты от перегрузки, короткого замыкания и перегрева; двухслойную печатную плату контроллера с толщиной медного слоя 35 мкм, содержащую: микроконтроллер; схему измерителя температуры; CAN-трансивер.

2. Устройство по п.1, в котором силовой коммутирующий элемент - это двунаправленный ключ из 16 полевых транзисторов.

3. Устройство по п.1, в котором измеритель тока - это операционный усилитель для контроля падения тока на реле.