RU2306652C2

RU2306652C2 - Charging-discharging device

Info

Publication number: RU2306652C2
Application number: RU2005137604/09A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Константинович Тищенко (RU); Анатолий Константинович Тищенко; Геннадий Давыдович Лившин (RU); Геннадий Давыдович Лившин; Феликс Сергеевич Власов (RU); Феликс Сергеевич Власов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Орбита"; Федеральное Государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт "Аргон"
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-09-20
Also published as: RU2005137604A

Abstract

FIELD: electric engineering, in particular, electric supply systems for autonomous objects, in particular, spacecrafts.

SUBSTANCE: charging-discharging device contains first and second filter capacitors, first and second metal-dielectric-semiconductor transistors, throttle, while clamps of first filter capacitor are meant for connection of power supply and load, and clamps of second filter capacitor for connection of accumulator battery, while device is made on "n" one-type force cells, each containing also first and second metal-dielectric-semiconductor transistors, first and second filter capacitors, throttle, while clamps of first filter capacitor are meant for connection of power supply and load, and clamps of second capacitor of filter for connection of accumulator battery, in each cell in a chain of clamps of first and second filter capacitors, third and fourth metal-dielectric-semiconductor transistors are additionally coupled having same conductivity type and two current sensors with threshold device, output of first threshold device is connected to input of third metal-dielectric-semiconductor transistor, and output of second one is connected to input of fourth metal-dielectric-semiconductor transistor.

EFFECT: increased reliability of operation of charging-discharging device due to ensured protection of power supply circuits and accumulator battery from short circuits in individual cells.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам электроснабжения автономных объектов, например космических аппаратов, используемых в качестве накопителей энергии аккумуляторные батареи. К таким СЭС предъявляются очень жесткие требования по надежности и ресурсу, в частности, одним из требований является обеспечение работоспособности СЭС при единичном отказе любого электроэлемента или обрыве провода.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to power supply systems of autonomous objects, for example spacecraft, used as energy storage batteries. Such SES has very strict requirements for reliability and resource, in particular, one of the requirements is to ensure the health of the SES in the event of a single failure of any electric element or wire break.

Эта задача обычно решается введением избыточности путем выполнения силового регулирующего элемента в виде «n» параллельно включенных маломощных устройств, выполненных на однотактных схемах непосредственного преобразовании энергии с промежуточным накоплением энергии в дросселе. Современные достижения в области МДП-транзисторов и диодов Шоттки позволяют получить кпд преобразования 0,95-0,97 при минимальных массах и габаритах, а параллельное включение «n» маломощных устройств позволяет обеспечить требуемую установленную мощность зарядно-разрядного устройства (патент РФ №2165669, H02J 7/10).This problem is usually solved by introducing redundancy by performing a power regulating element in the form of "n" parallel connected low-power devices made on single-cycle circuits for direct energy conversion with intermediate energy storage in the inductor. Modern advances in the field of MOS transistors and Schottky diodes make it possible to obtain a conversion efficiency of 0.95-0.97 with minimum masses and dimensions, and the parallel inclusion of “n” low-power devices can provide the required installed power of a charge-discharge device (RF patent No. 2165669, H02J 7/10).

Наиболее близким к заявляемому зарядно-разрядному устройству является зарядно-разрядное устройство, выполненное на однотипных ячейках, содержащих первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы и диоды, сток и катод первых из которых подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, их исток и анод соединены с первым выводом дросселя и стоком и катодом вторых транзистора и диода, анод которых подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы второй вывод дросселя соединен с первым выводом второго конденсатора, причем выводы первого конденсатора предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора - для подключения источника питания и нагрузки (П.Четти, Проектирование ключевых источников электропитания, Москва, Энергоатомиздат, 1990, стр.202-211).Closest to the claimed charge-discharge device is a charge-discharge device made on the same cells containing the first and second filter capacitors, the first and second MOS transistors and diodes, the drain and cathode of the first of which are connected to the first output of the first filter capacitor, their the source and the anode are connected to the first terminal of the inductor and the drain and cathode of the second transistor and diode, the anode of which is connected to the second terminals of the first and second filter capacitors and the common circuit wire of the second output terminal A is connected to the first terminal of the second capacitor, the terminals of the first capacitor being used to connect the battery, and the terminals of the second capacitor being used to connect the power source and load (P. Chetti, Designing key power sources, Moscow, Energoatomizdat, 1990, pp. 202-211 )

Однако такое зарядно-разрядное устройство не обладает необходимой надежностью из-за невозможности резервирования всех силовых электроэлементов и конденсаторов фильтра по причине резкого увеличения массы и снижения кпд преобразования. Использование же для целей защиты цепей от коротких замыканий плавких вставок затруднительно по причине их низких рабочих напряжений (не более 36 В) в условиях глубокого вакуума и невесомости и недостаточных значений разрывного тока для коммутации мощностей порядка 500-1000 Вт.However, such a charge-discharge device does not have the necessary reliability due to the impossibility of backing up all power elements and filter capacitors due to a sharp increase in mass and a decrease in conversion efficiency. Using for the purpose of protecting circuits from short circuits fusible inserts is difficult due to their low operating voltages (not more than 36 V) under conditions of deep vacuum and zero gravity and insufficient breaking current for switching capacities of the order of 500-1000 W.

Задачей, на решение которой направлено создание настоящего изобретения, является повышение надежности работы зарядно-разрядного устройства путем обеспечения защиты цепей источника питания и аккумуляторной батареи от коротких замыканий в отдельных ячейках.The task to which the creation of the present invention is directed is to increase the reliability of the charge-discharge device by protecting the power supply circuit and the battery from short circuits in individual cells.

Поставленная задача решается тем, что зарядно-разрядное устройство содержит первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы, сток первого из которых подсоединен к первому выводу первого конденсатора фильтра, а исток соединен с первым выводом дросселя и стоком второго транзистора, исток которого подсоединен ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, второй вывод дросселя соединен с первым выводом второго конденсатора, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения источника питания и нагрузки, а выводы второго конденсатора фильтра для подключения аккумуляторной батареи, причем устройство выполнено на "n" однотипных силовых ячейках, содержащих первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы, сток первого из которых подсоединен к первому выводу первого конденсатора фильтра, а исток соединен с первым выводом дросселя и стоком второго транзистора, исток которого подсоединен ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, второй вывод дросселя соединен с первым выводом второго конденсатора, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения источника питания и нагрузки, а выводы второго конденсатора фильтра для подключения аккумуляторной батареи, в каждой из ячеек в цепи выводов первого и второго конденсаторов фильтра включены дополнительно третий и четвертый МДП-транзисторы того же типа проводимости и два датчика тока с пороговым устройством, выход первого порогового устройства соединен с входом третьего МДП-транзистора, а выход второго соединен со входом четвертого МДП-транзистора.The problem is solved in that the charge-discharge device contains the first and second filter capacitors, the first and second MOS transistors, the drain of the first of which is connected to the first output of the first filter capacitor, and the source is connected to the first output of the inductor and the drain of the second transistor, the source of which connected to the second terminals of the first and second filter capacitors and the common circuit wire, the second output of the inductor is connected to the first output of the second capacitor, and the conclusions of the first filter capacitor are for connecting the power source and the load, and the terminals of the second filter capacitor for connecting the battery, and the device is made on "n" of the same power cells containing the first and second filter capacitors, the first and second MOS transistors, the drain of the first of which is connected to the first output the first filter capacitor, and the source is connected to the first output of the inductor and the drain of the second transistor, the source of which is connected to the second terminals of the first and second filter capacitors and the common circuit wire, the second the output of the inductor is connected to the first output of the second capacitor, and the conclusions of the first filter capacitor are used to connect the power source and load, and the conclusions of the second filter capacitor to connect the battery, in each cell in the terminal circuit of the first and second filter capacitors are additionally connected the third and fourth TIRs transistors of the same type of conductivity and two current sensors with a threshold device, the output of the first threshold device is connected to the input of the third MOS transistor, and the output is second a connected to the input of the fourth MIS transistor.

На чертеже представлена схема зарядно-разрядного устройства. Устройство содержит два однотактных преобразователя, один из которых - повышающий предназначен для разряда аккумуляторной батареи от источника постоянного напряжения, а второй - понижающий предназначен для заряда аккумуляторной батареи.The drawing shows a diagram of a charge-discharge device. The device contains two one-cycle converters, one of which is a boost is designed to discharge the battery from a constant voltage source, and the second is a step-down designed to charge the battery.

Устройство в каждой из «n» ячеек содержит первый 9 и второй 10 конденсаторы фильтра, первый 5 и второй 4 МДП-транзисторы, дроссель 6, дополнительные третий 8 и четвертый 7 МДП-транзисторы того же типа проводимости и два датчика тока 11, 12 с пороговым устройством 13, 14 соответственно каждый. К устройству подключены аккумуляторная батарея 1, источник постоянного напряжения 2 и нагрузка 3.The device in each of the "n" cells contains the first 9 and second 10 filter capacitors, the first 5 and second 4 MOS transistors, a choke 6, an additional third 8 and fourth 7 MOS transistors of the same conductivity type and two current sensors 11, 12 s threshold device 13, 14, respectively, each. A battery 1, a constant voltage source 2, and a load 3 are connected to the device.

Устройство работает следующим образом. Транзисторы коммутаторов зарядного и разрядного токов 8 и 7 в исходном состоянии постоянно открыты сигналам от пороговых устройств 13 и 14, обеспечивая протекание тока в цепях источника постоянного напряжения 2 и аккумуляторной батареи 1 в двух направлениях. Транзисторы преобразователей 5 и 4 управляются ШИМ-сигналами. Коэффициент заполнения импульсов ШИМ-сигнала у зарядного преобразователя изменяется от 0 до 1 (ШИМ 1), а у разрядного от 0 до 0,5 (ШИМ 2).The device operates as follows. The transistors of the switches of the charging and discharge currents 8 and 7 in the initial state are constantly open to the signals from the threshold devices 13 and 14, providing current flow in the circuits of the constant voltage source 2 and the battery 1 in two directions. Transistors of converters 5 and 4 are controlled by PWM signals. The pulse duty factor of the PWM signal at the charging converter varies from 0 to 1 (PWM 1), and at the discharge one from 0 to 0.5 (PWM 2).

В режиме разряда на нагрузку 3 транзистор 5 постоянно закрыт, а транзистор 4 управляется сигналом ШИМ 2, образуя при этом совместно с диодом транзистора 4 и дросселем 6 повышающий разрядный преобразователь.In the discharge mode to the load 3, the transistor 5 is constantly closed, and the transistor 4 is controlled by a PWM signal 2, thus forming, together with the diode of the transistor 4 and the inductor 6, a boost discharge converter.

При повышении токов силовой ячейки в цепях источника постоянного напряжения 2 или аккумуляторной батареи 1 значений, допустимых для рабочих токов (по причине короткого замыкания в транзисторах 5, 4 или конденсаторах 9, 10 одной из ячеек), пороговые устройства 13, 14 формируют запирающие сигналы транзисторам 8 и 7, которые соответственно разрывают цепь зарядного (транзистор 5) или разрядного (транзистор 4) каналов, тем самым исключая силовую ячейку из работы зарядно-разрядного устройства.When the currents of the power cell in the circuits of the DC voltage source 2 or battery 1 increase, the values allowable for working currents (due to a short circuit in transistors 5, 4 or capacitors 9, 10 of one of the cells), threshold devices 13, 14 generate blocking signals for transistors 8 and 7, which respectively break the circuit of the charging (transistor 5) or discharge (transistor 4) channels, thereby excluding the power cell from the work of the charging-discharge device.

Фактически цепь датчик тока - пороговое устройство и транзисторный коммутатор является электронным предохранителем, защищающим цепь от превышений тока и тем самым повышающим надежность устройства. Предлагаемое техническое решение защиты зарядного и разрядного каналов от превышений тока предполагается к использованию в перспективных системах электроснабжения космических аппаратов с повышенным напряжением (40-120 В).In fact, the current sensor circuit - the threshold device and the transistor switch is an electronic fuse that protects the circuit from overcurrents and thereby increases the reliability of the device. The proposed technical solution for protecting the charging and discharge channels from overcurrents is supposed to be used in advanced power supply systems for spacecraft with increased voltage (40-120 V).

Claims

A charge-discharge device containing the first and second filter capacitors, the first and second MOS transistors, the drain of the first of which is connected to the first terminal of the first filter capacitor, and the source is connected to the first terminal of the inductor and the drain of the second transistor, the source of which is connected to the second terminals of the first and the second filter capacitors and the common circuit wire, the second output of the inductor is connected to the first output of the second capacitor, and the conclusions of the first filter capacitor are designed to connect a power source load, and the terminals of the second filter capacitor for connecting the battery, characterized in that it is made on "n" of the same type of power cells containing the first and second filter capacitors, the first and second MOS transistors, the drain of the first of which is connected to the first output of the first filter capacitor, and the source is connected to the first terminal of the inductor and the drain of the second transistor, the source of which is connected to the second terminals of the first and second filter capacitors and the common circuit wire, the second terminal of the inductor is connected to the first output of the second capacitor, and the conclusions of the first filter capacitor are used to connect the power source and the load, and the conclusions of the second filter capacitor are used to connect the battery, in each cell in the terminal circuit of the first and second filter capacitors are additionally connected the third and fourth MOS transistors of of the same type of conductivity and two current sensors with a threshold device, the output of the first threshold device is connected to the input of the third MOS transistor, and the output of the second is connected to the input ertogo MISFET.