RU2293033C2

RU2293033C2 - Vehicle carry-on power supply system

Info

Publication number: RU2293033C2
Application number: RU2005107527/11A
Authority: RU
Inventors: Валентин Иванович Богданов (RU); Валентин Иванович Богданов; Владимир Валентинович Богданов (RU); Владимир Валентинович Богданов
Original assignee: ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС)
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2007-02-10
Also published as: RU2005107527A

Abstract

FIELD: transport engineering; electrical engineering.

SUBSTANCE: proposed system contains voltage regulator with setting, summing amplifying and regulating elements, generator plant to which storage battery is connected through electric shunt. Noninverting and one of inverting inputs of summing element in voltage regulator are connected respectively, with outputs of setting and metering elements. The latter is element of voltage negative feedback. Output of summing element is connected through amplifying element to control input of regulating element whose output is connected with input of generator plant. Voltage regulator is furnished with additional metering element - element of current negative feedback, placed between output of electric shunt and other inverting input of summing element. Introduction of current negative feedback into vehicle voltage control circuit system provides nominal charging of storage battery after deep discharge at starting of heat engine and on other cases.

EFFECT: increased service life of storage battery, improved reliability of generator plant and power supply of vehicle.

4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электроснабжения транспортного средства.The present invention relates to the field of electrical engineering and can be used in vehicle power supply systems.

Известна бортовая система электроснабжения транспортного средства (Синельников А.Х. Электронные приборы для автомобилей - М.: Энергоатомиздат, 1986. - С 110, 111, 112), содержащая регулятор напряжения с задающим, суммирующим, усилительным, регулирующим, измерительным элементами, соединенными выходом задающего элемента с неинвертирующим входом суммирующего элемента, выходом суммирующего элемента, с входом усилительного элемента, выходом усилительного элемента с входом регулирующего элемента, генераторную установку - объект регулирования, входом соединенную с выходом регулирующего элемента, аккумуляторную батарею и электрический шунт соединенные последовательно и подключенные к выходу генераторной установки, измерительный элемент - элемент отрицательной обратной связи по напряжению входом, соединенным с входом аккумуляторной батареи, а выходом с инвертирующим входом суммирующего элемента.Known on-board power supply system of the vehicle (Sinelnikov A.Kh. Electronic devices for cars - M .: Energoatomizdat, 1986. - C 110, 111, 112), containing a voltage regulator with a master, summing, amplifying, regulating, measuring elements connected by an output a master element with a non-inverting input of the summing element, the output of the summing element, with the input of the amplifying element, the output of the amplifying element with the input of the regulatory element, the generator set is the object of regulation, the input m connected to the output of the regulating element, the battery and the electric shunt connected in series and connected to the output of the generator set, the measuring element is the negative voltage feedback element by the input connected to the battery input, and the output with the inverting input of the summing element.

В этой системе электроснабжения за счет подключения измерительного элемента к плюсовому выводу аккумуляторной батареи обеспечивается равенство регулируемого напряжения и напряжения на выводах аккумуляторной батареи и исключается ее перезаряд.In this power supply system, by connecting the measuring element to the positive terminal of the battery, equality of the regulated voltage and voltage at the terminals of the battery is ensured and its recharge is eliminated.

Недостатком этой системы электроснабжения является неизбежность появления бросков зарядных токов аккумуляторной батареи после ее стартерных режимов разряда при пусках двигателя транспортного средства.The disadvantage of this power supply system is the inevitability of the appearance of surges in the charging currents of the battery after its starting discharge modes when the vehicle engine starts.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой является бортовая система электроснабжения, в большой степени применяемая на транспортных средствах (Ютт В.В. Электрооборудование автомобилей - М.: Транспорт, 1989 - С 23. - Прототип). Она содержит регулятор напряжения с задающим, суммирующим, усилительным, регулирующим и измерительным элементами, соединенными выходом задающего элемента с неинвертирующим входом суммирующего элемента, выходом суммирующего элемента с входом усилительного элемента, выходом усилительного элемента с входом регулирующего элемента; генераторную установку - объект регулирования, входом соединенную с выходом регулирующего элемента; аккумуляторную батарею и электрический шунт, соединенные последовательно и подключенные к выходу генераторной установки; измерительный элемент - элемент отрицательной обратной связи по напряжению, входом соединенный с выходом генераторной установки, а выходом - с инвертирующим входом суммирующего элемента.The closest in technical essence to the proposed one is the on-board power supply system, to a large extent used on vehicles (Yutt V.V. Electrical equipment of cars - M .: Transport, 1989 - C 23. - Prototype). It contains a voltage regulator with a master, summing, amplifying, regulating and measuring elements connected by the output of the master element with a non-inverting input of the summing element, the output of the summing element with the input of the amplifying element, the output of the amplifying element with the input of the regulatory element; generator set - an object of regulation connected to the output of the regulatory element by an input; a battery and an electric shunt connected in series and connected to the output of the generator set; a measuring element is a negative voltage feedback element connected by an input to the output of the generator set, and by an output with an inverting input of the summing element.

В бортовой системе электроснабжения прототипа при заряженной аккумуляторной батарее регулируемое напряжение мало отличается по величине от напряжения на аккумуляторной батарее за счет равенства падения напряжений на проводниках, соединяющих аккумуляторную батарею и регулятор напряжения с генераторной установкой.In the on-board power supply system of the prototype with a charged battery, the regulated voltage differs little in magnitude from the voltage on the battery due to the equality of the voltage drop across the conductors connecting the battery and the voltage regulator to the generator set.

Недостатком бортовой системы электроснабжения прототипа является невозможность устранения бросков зарядных токов аккумуляторной батареи после ее стартерных режимов разряда при пусках двигателя транспортного средства.The disadvantage of the on-board power supply system of the prototype is the inability to eliminate surges of the charging currents of the battery after its starting discharge modes when the vehicle engine starts.

В этой системе электроснабжения электрический шунт используется для контроля тока заряда и разряда аккумуляторной батареи при ее установке вне капота автомобиля.In this power supply system, an electric shunt is used to control the charge current and discharge of the battery when it is installed outside the hood of the car.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение срока службы аккумуляторной батареи за счет устранения в переходные периоды времени больших зарядных токов после стартерных режимов ее разряда и повышение надежности работы генераторной установки за счет исключения аварийных режимов при коротких замыканиях в аккумуляторной батареи.The aim of the invention is to increase the service life of the battery by eliminating during charging periods of large charging currents after the starter modes of its discharge and increasing the reliability of the generator set by eliminating emergency conditions during short circuits in the battery.

Поставленная цель достигается тем, что бортовая система электроснабжения транспортного средства, содержащая регулятор напряжения с задающим, суммирующим, усилительным, регулирующим и измерительным элементами, соединенными выходом задающего элемента с неинвертирующим входом суммирующего элемента, выходом суммирующего элемента с входом усилительного элемента, выходом усилительного элемента с входом регулирующего элемента; генераторную установку, входом соединенную с выходом регулирующего элемента, а выходом соединенную с входом измерительного элемента - элемента отрицательной обратной связи по напряжению, выход измерительного элемента соединен с одним из инвертирующих входов суммирующего элемента; аккумуляторную батарею и электрический шунт, соединенные последовательно и подключенные к выходу генераторной установки, снабжена дополнительным измерительным элементом - элементом контура отрицательной обратной связи по току, включенным входом к выходу электрического шунта и выходом к другому инвертирующему входу суммирующего элемента.This goal is achieved by the fact that the on-board power supply system of the vehicle, comprising a voltage regulator with a master, summing, amplifying, regulating and measuring elements connected by the output of the master element with a non-inverting input of the summing element, the output of the summing element with the input of the amplifying element, the output of the amplifying element with the input regulatory element; a generator set, connected to the output of the regulating element by an input, and connected to the input of the measuring element by the negative voltage feedback element, the output of the measuring element is connected to one of the inverting inputs of the summing element; the battery and the electric shunt, connected in series and connected to the output of the generator set, is equipped with an additional measuring element - a negative current feedback loop element, an input connected to the output of the electric shunt and an output to another inverting input of the summing element.

На фиг.1 представлена функциональная блок-схема бортовой системы электроснабжения транспортного средства.Figure 1 presents the functional block diagram of the on-board power supply system of the vehicle.

Бортовая система электроснабжения транспортного средства содержит регулятор напряжения с задающим 1, суммирующим 2, усилительным 3 и регулирующим 4 элементами, генераторную установку 5, с которой через электрический шунт 6 связана аккумуляторная батарея 7, соединенные выходом предыдущего функционального элемента с входом последующего; измерительный элемент 8 - элемент отрицательной обратной связи по напряжению, соединенный входом с выходом генераторной установки 5, а выходом с одним из инвертирующих входов суммирующего элемента 2; дополнительный измерительный элемент 9 - элемент контура отрицательной обратной связи по току, входом включенный с выходом электрического шунта 6, а выходом с другим инвертирующим входом суммирующего элемента.The vehicle’s on-board power supply system contains a voltage regulator with a master 1, summing 2, amplifying 3 and regulating 4 elements, a generator set 5, to which a battery 7 is connected via an electric shunt 6, connected by the output of the previous functional element to the input of the subsequent one; measuring element 8 is a negative voltage feedback element connected by an input to the output of the generator set 5, and an output with one of the inverting inputs of the summing element 2; an additional measuring element 9 is an element of the circuit of negative current feedback, the input included with the output of the electric shunt 6, and the output with another inverting input of the summing element.

Бортовая система электроснабжения транспортного средства работает следующим образом.The on-board power supply system of the vehicle is as follows.

После запуска двигателя транспортного средства на выходе генераторной установки 5 появляется постоянное напряжение, которое питает элементы регулятора напряжения: задающий 1, суммирующий 2, усилительный 3 и регулирующий 4. Измерительный элемент 8 измеряет величину напряжения на выходе генераторной установки 5 и подает на один из инвертирующих входов суммирующего элемента 2, в котором измеренное напряжение сравнивается с напряжением задающего элемента 1. Разностное напряжение с выхода суммирующего элемента 2 подается на вход усилительного элемента 3, а с его выхода - на вход регулирующего элемента 4 и далее с выхода регулирующего элемента 4 - на вход - обмотку возбуждения генераторной установки 5. Если разностное напряжение на выходе суммирующего элемента 2 не равно нулю, то регулирующий элемент 4 воздействует на вход - обмотку возбуждения генераторной установки 5 так, чтобы на выходе суммирующего элемента 2 разностное напряжение было равно нулю, а напряжение на выходе генераторной установки 5 осталось величиной постоянной независимо от изменения оборотов двигателя и внешней токовой нагрузки.After starting the vehicle engine, a constant voltage appears at the output of the generating set 5, which feeds the elements of the voltage regulator: master 1, summing 2, amplifying 3 and regulating 4. The measuring element 8 measures the voltage at the output of the generating set 5 and feeds it to one of the inverting inputs summing element 2, in which the measured voltage is compared with the voltage of the driving element 1. The differential voltage from the output of the summing element 2 is fed to the input of the amplifier element 3, and from its output - to the input of the regulating element 4 and then from the output of the regulating element 4 - to the input - the excitation winding of the generator set 5. If the differential voltage at the output of the summing element 2 is not equal to zero, then the regulating element 4 acts on the input - the excitation winding of the generating set 5 so that the difference voltage at the output of the summing element 2 is zero, and the voltage at the output of the generating set 5 remains constant regardless of the change in engine speed and external t kovoy load.

Запуск двигателя транспортного средства сопряжен со стартерным режимом разряда аккумуляторной батареи, а после пуска двигателя стабилизированное напряжение генераторной установки неизбежно вызывает большой бросок зарядного тока аккумуляторной батареи 7, которая с помощью электрического шунта 6 подключена к выходу генераторной установки 5. Устранение броска зарядного тока аккумуляторной батареи 7 осуществляется с помощью дополнительного измерительного элемента 9 - элемента отрицательной обратной связи по току. Этот элемент измеряет напряжение между плюсовыми выводами генераторной установки 5 и аккумуляторной батареи 7, т.е. падение напряжения, пропорциональное зарядному току, и подает на другой инвертирующий вход суммирующего элемента 2, в котором измеренное напряжение измерительного элемента 9, а также измеренное напряжение измерительного элемента 8 сравниваются с напряжением задающего элемента 1. Если разностное напряжение на выходе суммирующего элемента 2 не равно нулю, то регулирующий элемент 4 воздействует на вход (обмотку возбуждения) генераторной установки 5 так, чтобы на выходе суммирующего элемента 2 разностное напряжение было равно нулю. Действие обратной связи по току через измерительный элемент 9 противоположно действию обратной связи по напряжению через измерительный элемент 8 на выходное напряжение генераторной установки 5. Обратная связь по току исчезает, после того как зарядный ток и регулируемое напряжение станут величинами номинальными за счет возрастания э.д.с. аккумуляторной батареи при ее заряде. Таким образом, устранение в переходный период времени броска зарядного тока глубоко разряженной стартерным режимом аккумуляторной батареи обеспечивается кратковременным уменьшением регулируемого напряжения, упреждающим действием жесткой обратной связи по току.Starting the vehicle’s engine is associated with the starter mode of discharging the battery, and after starting the engine, the stabilized voltage of the generator set inevitably causes a large surge of the charging current of the battery 7, which is connected to the output of the generating set using an electric shunt 6. Elimination of the inrush of the charging current of the battery 7 carried out using an additional measuring element 9 - element of negative current feedback. This element measures the voltage between the positive terminals of the generator set 5 and the battery 7, i.e. the voltage drop is proportional to the charging current and feeds to another inverting input of the summing element 2, in which the measured voltage of the measuring element 9, as well as the measured voltage of the measuring element 8 are compared with the voltage of the setting element 1. If the differential voltage at the output of the summing element 2 is not equal to zero , then the regulating element 4 acts on the input (excitation winding) of the generator set 5 so that the difference voltage at the output of the summing element 2 is equal to zero. The action of the current feedback through the measuring element 9 is opposite to the action of the voltage feedback through the measuring element 8 on the output voltage of the generator set 5. The current feedback disappears after the charging current and the regulated voltage become nominal due to an increase in the emf. from. battery when charging. Thus, the elimination of the inrush of the charging current during the transition period of the battery deeply discharged by the starter mode is ensured by a short-term decrease in the regulated voltage, by the anticipatory action of the rigid current feedback.

Предлагаемая бортовая система электроснабжения транспортного средства в отличие от прототипа позволяет увеличить срок службы аккумуляторной батареи, повысить надежность работы генераторной установки и устранить аварийный режим ее в случаях непредвиденных коротких замыканий внутри аккумуляторной батареи. Физическое обоснование этого заключается в следующем.The proposed on-board power supply system of the vehicle, unlike the prototype, allows to increase the service life of the battery, increase the reliability of the generator set and eliminate its emergency mode in cases of unforeseen short circuits inside the battery. The physical justification for this is as follows.

Физико-химические процессы в свинцово-кислотном аккумуляторе протекают в соответствии с токообразующей реакцией:Physico-chemical processes in a lead-acid battery proceed in accordance with the current-forming reaction:

Правой части уравнения реакции соответствуют продукты разряда, а левой части - продукты заряда аккумуляторной батареи. Помимо основной токообразующей реакции в аккумуляторе протекают побочные реакции - электролиз воды и связанное с ним газовыделение. Э.д.с. одного аккумулятора определяется как разность равновесных потенциалов положительного и отрицательного электродов при отсутствии разрядного тока. Напряжение аккумуляторной батареи отличается от ее э.д.с. на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении и э.д.с. электродной поляризации. Электродная поляризация определяется разностью потенциалов электрода под действием тока и исходного равновесного потенциала. Поляризация является одним из основных факторов, вызывающих электрические потери в аккумуляторах. Она зависит от скорости токообразующей реакции, т.е. плотности тока на электродах. Электродная поляризация обуславливается концентрационными изменениями в растворе вблизи поверхности электрода - концентрационная поляризация, экранизирующим действием на активную поверхность пластин аккумулятора сульфата свинца - пассивация электродов, затратами энергии на образование кристаллов при восстановлении окисных электродов и на поддержание электродной реакции на границе раздела электрод/электролит - кристаллизационная и активационная поляризация. В разряд-зарядных режимах работы аккумуляторной батареи поляризация вызывает переходный процесс напряжений и токов во времени до их установившихся значений. Время этого процесса не превышает 10 секунд. Внутреннее сопротивление аккумулятора R₀ складывается из сопротивления электролита R_эл, сепараторов R_c, активной массы R_м и элементов электродов R_м, т.е.The right side of the reaction equation corresponds to the discharge products, and the left side corresponds to the charge products of the battery. In addition to the main current-forming reaction, side reactions occur in the accumulator — electrolysis of water and associated gas evolution. E.s. one battery is defined as the difference in equilibrium potentials of the positive and negative electrodes in the absence of discharge current. Battery voltage differs from its emf by the value of the voltage drop at the internal resistance and emf electrode polarization. Electrode polarization is determined by the potential difference of the electrode under the action of current and the initial equilibrium potential. Polarization is one of the main factors causing electrical losses in batteries. It depends on the rate of the current-forming reaction, i.e. current density at the electrodes. Electrode polarization is caused by concentration changes in the solution near the electrode surface - concentration polarization, the screening effect on the active surface of the lead sulfate accumulator plates - passivation of the electrodes, energy consumption for the formation of crystals during the reduction of oxide electrodes and to maintain the electrode reaction at the electrode / electrolyte - crystallization and activation polarization. In discharge-charge modes of operation of the battery, polarization causes a transient process of voltages and currents in time to their steady-state values. The time of this process does not exceed 10 seconds. The internal resistance of the battery R _{0 is the} sum of the resistance of the electrolyte R _el , separators R _c , active mass R _m and electrode elements R _m , i.e.

R₀=R_эл + R_c + R_м + R_э.R ₀ = R _el + R _c + R _m + R _e .

Аккумуляторную батарею при работе ее совместно с генераторной установкой можно представить приближенно электрической схемой замещения (фиг.2), которая отражает основные физико-химические процессы в аккумуляторной батарее и элементы схемы замещения генераторной установки. На фиг.2 резистор R_г - внутреннее сопротивление генераторной установки, резистор R_o - внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи, параллельно соединенные резистор R_п и конденсатор С_п замещают поляризацию электродов и ее реактивное действие в процессах коммутации аккумуляторной батареи с генераторной установкой. В установившемся режиме конденсатор С_п заряжен до величины э.д.с. поляризации, т.е. Е_п=R_пI и по второму закону Кирхгофа выполняются равенства зарядного режимаThe battery when working in conjunction with the generator set can be represented approximately by an electrical equivalent circuit (FIG. 2), which reflects the basic physicochemical processes in the battery and elements of the equivalent circuit of the generator set. In Fig.2, the resistor R _g is the internal resistance of the generator set, the resistor R _o is the internal resistance of the battery, the resistor R _p and the capacitor C _p connected in parallel replace the polarization of the electrodes and its reactive effect in the processes of switching the battery with the generator set. In the steady state, the capacitor C _p is charged to the value of the emf polarization, i.e. E _p = R _p I and according to the second Kirchhoff law, the equalities of the charging regime are satisfied

U_г=Е_г-R_гI,U _g = E _g -R _g I,

U_АК=Е_АК+E_п+R_oI,U _AK = E _AK + E _p + R _o I,

U_г-U_АК=R_шI,U _g -U _AK = R _W I,

где R_шI - падение напряжения на электрическом шунте R_ш.where R _W I - the voltage drop on the electric shunt R _W

На практике величину напряжения на выводах генераторной установки U_г с помощью регулятора напряжения устанавливают такой, чтобы U_г-U_АК→0 для заряженной аккумуляторной батареи. При этом зарядный ток мал и малые величины R_о и E_п.In practice, the voltage at the terminals of the generator set U _g using the voltage regulator is set so that U _g -U _AK → 0 for a charged battery. In this case, the charging current is small and small values of R _o and E _p .

Стартерный режим разряда аккумуляторной батареи приводит к значительному уменьшению ее электрической емкости - до 30% от исходной, уменьшению в 2-3 раза величины сопротивления поляризации, а также к увеличению внутреннего сопротивления и уменьшению напряжения на батарее до 7,2 В. Эти факторы после запуска двигателя, когда аккумуляторная батарея подключается к стабилизированному напряжению генераторной установки, приводят к большому броску зарядного тока, равномуThe starter discharge mode of the battery leads to a significant decrease in its electric capacity - up to 30% from the original, a decrease of 2-3 times the value of polarization resistance, as well as to an increase in internal resistance and a decrease in voltage on the battery to 7.2 V. These factors after starting engine, when the battery is connected to the stabilized voltage of the generating set, lead to a large surge in charging current equal to

Величина тока заряда в переходный период достигает значений, равных 1÷1,5 C₂₀, где С₂₀ - емкость аккумуляторной батареи 20-ти часового режима разряда. Так, например, для аккумуляторной батареи 6СТ90 бросок зарядного тока составит от 90 до 130 А. Номинальный зарядный ток этой батареи составляет 9 А.The value of the charge current during the transition period reaches values equal to 1 ÷ 1.5 C ₂₀ , where C ₂₀ is the battery capacity of the 20-hour discharge mode. So, for example, for a 6ST90 rechargeable battery, the charge surge will range from 90 to 130 A. The nominal charging current of this battery is 9 A.

В бортовой системе электроснабжения транспортного средства ограничение большой токовой постоянной нагрузки незначительно проявляется лишь на оборотах ротора генераторной установки выше номинальных за счет реактивного сопротивления обмоток статора генератора.In the vehicle’s on-board power supply system, the limitation of a large current constant load slightly manifests itself only at the rotor speed of the generator set above the nominal ones due to the reactance of the generator stator windings.

Действие заряд-разрядных бросков токов во время запуска теплового двигателя вызывает электродную поляризацию и связанные с ней процессы: коробление электродов из-за неравномерности электрохимических реакций на поверхности электродов, осыпание активной массы от кратковременного воздействия интенсивного газовыделения и местного нагрева электролита в приэлектродном слое. Эти процессы уменьшают срок службы аккумуляторной батареи.The action of charge-discharge current surges during the start of a heat engine causes electrode polarization and related processes: distortion of the electrodes due to uneven electrochemical reactions on the surface of the electrodes, shedding of the active mass from short-term exposure to intense gas evolution and local heating of the electrolyte in the near-electrode layer. These processes reduce battery life.

Большой зарядный бросок тока является аварийным для генераторной установки, снижая надежность ее работы.A large charge inrush current is emergency for the generator set, reducing its reliability.

Исключение переходных зарядных бросков тока из разряд-зарядных режимов работы аккумуляторной батареи при запусках двигателя транспортного средства позволит уменьшить коробление электродов и осыпание активной массы, а значит, увеличить срок службы аккумуляторной батареи. Ограничение зарядного броска тока повысит надежность работы генераторной установки.The exclusion of transient charging inrush currents from the discharge-charging operating modes of the battery during vehicle engine starts will reduce the distortion of the electrodes and the shedding of the active mass, and thus increase the battery life. Limiting the charge inrush current will increase the reliability of the generator set.

Макетирование и испытание бортовой системы электроснабжения транспортного средства проводилось на базе бортовых систем электроснабжения, которые установлены на автомобилях семейства ВАЗ и ГАЗ. Бортовая система электроснабжения автомобилей семейства ГАЗ содержит генераторную установку - генератор Г - 226А, электрический шунт 75 ШМ-50 (75 мВ, 50 А), регулятор напряжения типа 121.3702. Принципиальная электрическая схема макетированной бортовой системы электроснабжения транспортного средства представлена на фиг.3. На схеме контур отрицательной обратной связи по току образован элементами: электрический шунт R_ш, делители напряжения R₈, R₉ и R₁₀, R₁₁, R₁₂, R₁₃, компаратор D_AI, согласующий усилитель на транзисторе VT₄, резисторы R₁₄, R₁₅, R₁₆ - определяют режим работы компаратора и согласующего усилителя. Электрический шунт R_ш включен между выводом 30 генератора Г-226 А и плюсовым выводом аккумуляторной баратеи АБ. Часть падения напряжения на шунте Rш с помощью делителя из резисторов R₈, R₉ со стороны аккумуляторной батареи и делителя из резисторов R₁₀, R₁₁, R₁₂, R₁₃ со стороны генератора подается соответственно на инвертирующий (вывод 4) и неинвентирующий (вывод 3) входы компаратора D_AI. Нагрузкой компаратора является согласующий усилитель на транзисторе VT₄, выход которого - резистор R₁₆ - подключен к суммирующему элементу промышленного регулятора напряжения типа 121.3702.Prototyping and testing of the vehicle’s onboard power supply system was carried out on the basis of the onboard power supply systems that are installed on the VAZ and GAZ family vehicles. The on-board power supply system of the GAZ family of cars contains a generator set - a G-226A generator, an electric shunt 75 ShM-50 (75 mV, 50 A), a voltage regulator of type 121.3702. Schematic diagram of the prototyped on-board power supply system of the vehicle is presented in figure 3. In the diagram, the negative current feedback loop is formed by the elements: electric shunt R _w , voltage dividers R ₈ , R ₉ and R ₁₀ , R ₁₁ , R ₁₂ , R ₁₃ , comparator D _AI , matching amplifier on transistor VT ₄ , resistors R ₁₄ , R ₁₅ , R ₁₆ - determine the mode of operation of the comparator and matching amplifier. An electric shunt R _{w is} connected between terminal 30 of the G-226 A generator and the positive terminal of the battery pack AB. Part of the voltage drop across the shunt Rш using the divider from the resistors R ₈ , R ₉ from the battery side and the divider from the resistors R ₁₀ , R ₁₁ , R ₁₂ , R ₁₃ from the generator side, respectively, is supplied to the inverting (terminal 4) and noninventing (terminal 3) the inputs of the comparator D _AI . The load of the comparator is a matching amplifier on a VT ₄ transistor, the output of which - resistor R ₁₆ - is connected to a summing element of an industrial voltage regulator type 121.3702.

Бортовая система электроснабжения без цепи обратной связи по току работает следующим образом. После запуска двигателя возбуждается генератор Г-226А. На его плюсовом выводе 30 появляется напряжение, которое подводится к регулятору напряжения 121.3702. Измеренное напряжение измерительным элементом - делитель напряжения из резистора R₁, R₃ и R₂ - сравнивается в суммирующем элементе с опорным напряжением задающего элемента. Опорным напряжением является напряжение стабилизации стабилитрона VD₁. Резисторы R₄, R₂ и стабилитрон VD₁ является задающими и суммирующими элементами. Если напряжение между выводом 15 и корпусом меньше номинального, то падение напряжения на плече R₁ и R₃ измерителя бортового напряжения окажется меньше напряжения стабилизации стабилитрона VD₁, и он закроется. Это приведет к запиранию транзистора VT₁ - усилительного элемента и к открытому состоянию транзисторов VT₂ и VT₃ - регулирующего элемента. Нагрузкой регулирующего элемента является обмотка возбуждения генератора Г-226А - объект регулирования. В обмотке возбуждения возникает ток, а напряжение на выводах генератора увеличится до величины, при которой падение напряжения на плече делителя R₁ и R₃ станет больше напряжения стабилизации стабилитрона VD₁. При этом стабилитрон пробивается, транзисторы VT₂ и VT₃ закрываются, ток в обмотке возбуждения генератора прекращается, а напряжение на выводах генератора уменьшается. Процесс регулирования напряжения в системе электроснабжения происходит по релейному закону.An on-board power supply system without a current feedback circuit operates as follows. After starting the engine, the G-226A generator is excited. On its positive terminal 30, a voltage appears, which is supplied to the voltage regulator 121.3702. The measured voltage by the measuring element - the voltage divider from the resistor R ₁ , R ₃ and R ₂ - is compared in the summing element with the reference voltage of the master element. The reference voltage is the stabilization voltage of the Zener diode VD ₁ . Resistors R ₄ , R ₂ and the Zener diode VD ₁ are the driving and summing elements. If the voltage between terminal 15 and the housing is less than the nominal, then the voltage drop across the arm R ₁ and R _{3 of the} on-board voltage meter will be less than the stabilization voltage of the zener diode VD ₁ , and it will close. This will lead to the blocking of the transistor VT ₁ - amplifying element and to the open state of the transistors VT ₂ and VT ₃ - regulatory element. The load of the regulatory element is the excitation winding of the G-226A generator - an object of regulation. Current arises in the field winding, and the voltage at the generator terminals increases to a value at which the voltage drop across the arm of the divider R ₁ and R ₃ becomes greater than the stabilization voltage of the zener diode VD ₁ . In this case, the zener diode breaks through, the transistors VT ₂ and VT ₃ are closed, the current in the excitation winding of the generator stops, and the voltage at the terminals of the generator decreases. The process of voltage regulation in the power supply system occurs according to the relay law.

Процесс регулирования бортового напряжения в системе электроснабжения с учетом влияния обратной связи по току происходит следующим образом. После запуска двигателя автомобиля стабилизированное напряжение генератора подводится к аккумуляторной батарее. При этом в цепи генератор - аккумуляторная батарея возникает бросок зарядного тока, обусловленный физико-химическими процессами стартерного режима разряда аккумуляторной батареи и ее заряда при постоянной величине бортового напряжения. Напряжение между выводом 30 генератора Г - 226А и плюсовым выводом аккумуляторной батареи, пропорциональное току заряда, измеряется элементами контура отрицательной обратной связи по току: электрический шунт R_ш, делители напряжения R₈, R₉ и R₁₀, R₁₁, R₁₂, R₁₃ компаратор D_AI. Сигнал с выхода компаратора (вывод 9) усиливается согласующим усилителем на транзисторе VT₄. Выход согласующего усилителя - резистор R₁₆ - подключен к аноду стабилитрона VD₁ и общей точке делителя R₁, R₃ и R₂, т.е. к входу суммирующего элемента регулятора. Открытым состоянием транзистора VT₄ частично или полностью, в зависимости от величины сопротивления резистора R₁₆, шунтируется резистор R₂ и изменяется потенциал анода стабилитрона VD₁. Падение напряжения на плече делителя R₁, R₃ становится больше напряжения стабилизации стабилитрона VD₁. Это приведет к пробою стабилитрона VD₁, отпиранию транзистора VT₁ и запиранию транзисторов VT₂, VT₃. Ток в обмотке возбуждения генератора прекратится, бортовое напряжение и зарядный ток уменьшатся. При уменьшении зарядного тока до значения, не превосходящего номинальный ток, обратная связь по току исчезает. В этот момент вступит в действие обратная связь по напряжению, и регулятор напряжения увеличит бортовое напряжение. Если зарядный ток при этом превысит номинальное его значение, то вступит в действие обратная связь по току. Этот процесс будет протекать во времени до тех пор, пока не увеличится э.д.с. аккумуляторной батареи до значения, при котором напряжение между выводом 30 генератора и плюсовым выводом аккумуляторной батареи не обеспечит срабатывание компаратора D_AI. Потенциал неинвентирующего входа (вывод 3) станет меньше или равным потенциалу инвертирующего входа (вывод 4). С помощью резистора - потенциометра R₁₁ и параллельно подключенного к нему резистора R₁₂ обеспечивается плавное изменение потенциала на неинвертирующем входе компаратора, т.е. глубина отрицательной обратной связи по току.The process of regulating the on-board voltage in the power supply system, taking into account the influence of current feedback, is as follows. After starting the car engine, the stabilized voltage of the generator is supplied to the battery. At the same time, a surge in the charging current occurs in the generator - battery circuit due to the physicochemical processes of the starter discharge mode of the battery and its charge at a constant on-board voltage. The voltage between terminal 30 of the G-226A generator and the positive terminal of the battery, proportional to the charge current, is measured by the elements of the negative current feedback loop: electric shunt R _w , voltage dividers R ₈ , R ₉ and R ₁₀ , R ₁₁ , R ₁₂ , R ₁₃ comparator D _AI . The signal from the output of the comparator (pin 9) is amplified by a matching amplifier on a VT ₄ transistor. The output of the matching amplifier - resistor R ₁₆ - is connected to the anode of the Zener diode VD ₁ and the common point of the divider R ₁ , R ₃ and R ₂ , i.e. to the input of the summing element of the regulator. The open state of the transistor VT ₄ partially or completely, depending on the resistance value of the resistor R ₁₆ , the resistor R _{2 is} shunted and the potential of the zener diode anode VD ₁ changes. The voltage drop across the arm of the divider R ₁ , R ₃ becomes greater than the stabilization voltage of the zener diode VD ₁ . This will lead to a breakdown of the zener diode VD ₁ , unlocking the transistor VT ₁ and locking transistors VT ₂ , VT ₃ . The current in the excitation winding of the generator will stop, the on-board voltage and charging current will decrease. When the charging current decreases to a value not exceeding the rated current, the current feedback disappears. At this point, voltage feedback will come into effect, and the voltage regulator will increase the on-board voltage. If the charging current exceeds its nominal value, then current feedback will come into effect. This process will proceed in time until the emf increases. the battery to a value at which the voltage between the terminal 30 of the generator and the positive terminal of the battery does not ensure the operation of the comparator D _AI . The potential of the non-inverting input (pin 3) will become less than or equal to the potential of the inverting input (pin 4). Using a resistor - potentiometer R ₁₁ and a resistor R ₁₂ connected in parallel to it, a smooth change in potential at the non-inverting input of the comparator is provided, i.e. depth of negative current feedback.

В бортовых системах электроснабжения, где используются регуляторы напряжения, построенные на транзисторах обратной полярности относительно рассмотренной системы электроснабжения с регулятором напряжения 121.3702, согласующий транзистор цепи обратной связи по току будет подключен иначе. Например, в бортовой системе электроснабжения с использованием регулятора типа ЭРН-4, или аналогичные ему 13.3702, 201.3702 и др., показанной на фиг.4, транзисторы VT₁, VT₂, VT₃ имеют обратную полярность и изменено подключение стабилитрона VD₂. Согласующий усилитель на транзисторе VT₄ (p-n-p типа) выходом подключен также к входу суммирующего элемента - общий узел подключения стабилитрона VD₂ и делителя R₁, R₂. Транзистор VT₄ включен так, что при его открывании шунтируется плечо делителя R₁. Процесс регулирования бортового напряжения в системе электроснабжения происходит аналогично процессу, описанному выше.In on-board power supply systems, where voltage regulators based on reverse polarity transistors are used relative to the considered power supply system with a voltage regulator 121.3702, the matching current feedback transistor will be connected differently. For example, in an on-board power supply system using an ERN-4 type regulator, or similar to it 13.3702, 201.3702, etc., shown in Fig. 4, transistors VT ₁ , VT ₂ , VT ₃ have reverse polarity and the connection of the zener diode VD _{2 is} changed. The matching amplifier on the transistor VT ₄ (pnp type) with an output is also connected to the input of the summing element - a common node for connecting the Zener diode VD ₂ and the divider R ₁ , R ₂ . The transistor VT _{4 is} turned on so that when it opens, the arm of the divider R _{1 is} shunted. The process of regulating the on-board voltage in the power supply system is similar to the process described above.

В общем случае измерительный элемент цепи отрицательной обратной связи по току может быть выполнен с другой физической природой, отличной от электрического шунта: электромеханическое реле, элемент Холла, p-n переход и др.In the general case, the measuring element of the negative current feedback circuit can be made with a different physical nature, different from the electric shunt: electromechanical relay, Hall element, p-n junction, etc.

В макетном образце бортовой системы электроснабжения транспортного средства цепь обратной связи по току выполнена из элементов с номиналами: R₈=1,5 кОм, R₉=560 Ом, R₁₀=1,5 кОм, R₁₁=470 Ом, R₁₂=30 Ом, R₁₃=560 Ом, R₁₄=5,1 кОм, R₁₅=5,1 кОм, R₁₆=32 Ом, компаратор D_AI - К554САЗ, транзистор VT₄ - КТ608 (n-p-n типа).In the prototype of the vehicle’s on-board power supply system, the current feedback circuit is made of elements with ratings: R ₈ = 1.5 kOhm, R ₉ = 560 Ohm, R ₁₀ = 1.5 kOhm, R ₁₁ = 470 Ohm, R ₁₂ = 30 Ohm, R ₁₃ = 560 Ohm, R ₁₄ = 5.1 kOhm, R ₁₅ = 5.1 kOhm, R ₁₆ = 32 Ohm, D _AI comparator - K554CAZ, VT ₄ transistor - KT608 (npn type).

Макетный образец бортовой системы электроснабжения автомобилей семейства ВАЗ, содержащей генераторную установку Г221, аккумуляторную батарею 6СТ-60, регулятор напряжения типа 121.3702, имел электрический шунт 75 мВ, 10А и контролирующие приборы - амперметр и вольтметр.A prototype of the on-board power supply system of the VAZ family of vehicles containing the G221 generator set, a 6ST-60 battery, a voltage regulator of type 121.3702, had an electric shunt of 75 mV, 10A and control devices - an ammeter and a voltmeter.

При испытаниях бортовой системы электроснабжения транспортного средства на автомобилях семейства ГАЗ и ВАЗ получены идентичные результаты. Полностью заряженные аккумуляторные батареи использовались после 1 года их эксплуатации, а бортовое напряжение регулятором напряжения устанавливалось 14,1 В. В зависимости от количества попыток запуска двигателя при отсутствии в системе регулирования цепи обратной связи по току броски зарядных токов для аккумуляторной батареи 6СТ-60 составили 60 А, а для аккумуляторной батареи 6СТ-75 - до 70 А. Время, за которое зарядный ток уменьшался от максимального значения до 3 значений номинального, составляло 4÷7 с. Бортовое напряжение изменялось от 10,8 В до 14,1 В.When testing the vehicle’s on-board power supply system on GAZ and VAZ family cars, identical results were obtained. Fully charged rechargeable batteries were used after 1 year of operation, and the on-board voltage was set by the voltage regulator to 14.1 V. Depending on the number of attempts to start the engine in the absence of a current feedback loop control system, the inrush currents for the 6ST-60 battery were 60 A, and for the 6ST-75 rechargeable battery - up to 70 A. The time for which the charging current decreased from the maximum value to 3 of the nominal value was 4–7 s. On-board voltage varied from 10.8 V to 14.1 V.

Подключение цепи отрицательной обратной связи по току позволило полностью исключить броски зарядных токов. Начальный зарядный ток устанавливался немного меньше номинального (4-5 А для 6 СТ-60 и 6-7 А для 6 СТ-75). Время, за которое регулируемое напряжение изменялось от минимального значения 10,4÷11,6 В до номинального 14,1 В, составляло: 2÷3 мин, если была одна попытка запуска двигателя длительностью 1÷2 с, или 5÷7 мин, если число попыток запуска двигателя было 3÷4. После установления номинального напряжения зарядный ток за непродолжительное время уменьшался до очень малых значений. Большая нагрузка генераторной установки (лампы дальнего света, нагреватели отопителя) никак не отразилась на работе бортовой системы электроснабжения транспортного средства.The connection of the negative current feedback circuit made it possible to completely exclude surges of charging currents. The initial charging current was set slightly less than the nominal (4-5 A for 6 ST-60 and 6-7 A for 6 ST-75). The time for which the regulated voltage varied from the minimum value of 10.4 ÷ 11.6 V to the nominal value of 14.1 V was: 2 ÷ 3 minutes, if there was one attempt to start the engine for 1 ÷ 2 s, or 5 ÷ 7 minutes, if the number of attempts to start the engine was 3 ÷ 4. After establishing the rated voltage, the charging current for a short time decreased to very small values. The heavy load of the generator set (high-beam lamps, heater heaters) did not affect the on-board power supply system of the vehicle.

Эксплуатация транспортных средств сопряжена с частыми (до 30 и более за смену) запусками двигателей. Исключение зарядных бросков токов во всех разрядно-зарядных режимах работы при пусках двигателей позволит увеличить срок службы аккумуляторных батарей, а работу генераторной установки сделать более надежной.The operation of vehicles involves frequent (up to 30 or more per shift) engine starts. The exclusion of charging inrush currents in all discharge-charging operating modes during engine starts will increase the battery life and make the generator set more reliable.

Claims

The vehicle’s on-board power supply system containing a voltage regulator with a master, measuring summing, amplifying and regulating elements, as well as a generator set, to which a battery is connected via an electric shunt, and the non-inverting one of the inverting inputs of the summing element in the voltage regulator are connected respectively to the outputs master and measuring elements, the last of which is an element of the negative voltage feedback loop, and the output of the summing element through the amplifying element is connected to the control input of the regulating element, the output of which is connected to the input of the generator set, characterized in that the voltage regulator is equipped with an additional measuring element - a negative current feedback loop element connected between the output of the electric shunt and another inverting input summing element.