Устройство для моделирования аккумуляторной батареи

Союз Советски кСоциалистическимиРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ734742па дедам нзвбрвтений н открытийДата опубликования описания 20.05.80(72) Авторы изобретения С, К. Земан, А. В, Кобзев и Ю, М. Шпак Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханикипри Томском институте автоматизированных систем управленияи адиоэлект оники(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИИзобретение относится к автоматикеи вычислительной технике, в частностик аналоговым вычислительным машинамдля специальных электрических устройств,и может быть использовано для имитациивольтамперчасовых характеристик химических источников тока (ХИТ) при проведении комплексных испытаний системэлектропитания и электрооборудованияобьекта,Известно устройство для моделирования аккумулятора 1, содержащее инвертор, блок задания коэффициентов, функ.циональный преобразователь, блок деления, интегратор, сумматоры и контакты,позволяющее моделировать переходныепроцессы в аккумуляторе и зависимостьустановившегося значения ЭДС поляризации от величины и знака тока в аккумуляторе, Однако данное устройство непозволяет имитировать вольтамперчасовые характеристики ХИТ в реальноммасштабе напряжений и токов кроме того, при моделировании не учитываются 2изменения внутреннего сопротивленияи ЭДС поляризации в зависимости от текущего значения емкости и температурыокружаюшей среды моделируемой аккумуляторной батареи. Наличие перекпючаюшихся контактов необходимых дпямоделирования перехода аккумуляторнойбатареи из одного режима в другой, непозволяет использовать устройство примоделировании буферного режима работыХИТ,Наиболее близким по техническойсущности к предложенному является устройство, содержащее усилитель мошнос 5 9ти выход которого подключен к нагрузочному элементу, а один из входовчерез усилитель напряжения к вьюсодусумматора, измерительный элемент,подключенный к выходу нагрузочногоэлемента, дополнительный усилитель напряжения, вход которого обьединен совходом счетчика и усилителя мощности.и подключен к выходу измерительноготыт напряжения соединен с первым аходомблока задания начальных условий, второй аход которого через первый функциональньщ преобразователь подключенк выходу счетчика блок задания начальных условий через второй функциональный преобразователь соединен с первымвходом сумматора 12,Описанное устройство предназначенодля имитации одного режима работы ХИТрежима разряда, что существенно сужаетего функциональные возможности. Крометого, устройство не обеспечивает достаточной точности моделирования аккумуляторной батареи.Цель изобретения повышение точностимоделирования.Поставленная цель достигается тем,что в устройство, содержашее первыйфункциональный преобразователь, первыйвход которого соединен с выходом счетчика сумматор; блок задания начальныхусловий и нагрузочный элемент, введены регулятор напряжения, накопительныйэлемент, датчики напряжения, фильтр,датчик тока, блок задания температурных коэффициентов, усилитель постоянного тока, второй функциональный преобразователь и стабилизатор напряжения.Первый аход стабилизатора являетсяаходом устройства, второй ьход стабилизатора напрянсения через второй ф.к-циональпый преобразователь подключенк выходу первого датчика напряжения,Вход первого датчика напряжения черезнакопительный элемент соединен с вы-ходом стабилизатора напряжения и спервым входом регулятора напряжения,выход которого через фильтр, подключенко аходам датчика тока нагрузочногоэлемента и второго датчика напряжения. Выход второго датчика напряжениясоединен с первым входом сумматора,выход которого подключен ко второмувходу регулятора напряжения, Второйвход сумматора соединен с выходомпервого функционального преобразователя, второй и третий аходы которогоподключены соответственно к выходамблока задания температурных коэффициентов н усилителя постоянного тока. Входусилителя соединен с первым входомсчетчика и с выходом датчика тока,второй аход счетчика подключен к выходу блока задания начальных условий.Регулятор напряжения содержит пороговые элементы, фазосдвигающиеэлементы, задающий генератор, цепочку из последовательно соединенных выпрямительных мостов, переключатели. Каждый переключатель подключен параллельно плечу соответствуюшего выпрямительного моста, в диагональ каждого из которых включена первичная обмотка соответствующего трансформатора, Вторичные обмотки трансформаторов соединенны последовательно, средний вывод цепочки из последовательно соединенныхвторичных обмоток трансформаторов подключен к выходу регулятора напряжения.Первый вход регулятора напряжения соединен с диагональю первого выпрямительного моста, управляющие аходы переключатапей которого подключены к первомувыходу задающего генератора, второйвыход которого соединен с первыми аходами фазосдвигаюших элементов, Выходыфазосдвигающих элементов подключенык управляющим в,ходам двух перекпючателей соответствуюшего выпрямительного моста, вторые входы фазосдвигаюшихэлементов попарно подкпючены к первыми вторым выходам соответствующих пороговых элементов, входы которых объединены и являются вторым входм регулятора напряжения. Третий выход задакшего генератора соединен с управляющими входами двух выходных переключателей, каждый из которых подключен параллельно соответствуюшим выпрямительнымэлементам, последовательно соединенныммежду собой и соединенным с крайнимивыводами цепочки из последовательносоединенных вторичных обмоток трансформаторов. На чертеже приведена функциональнаясхема устройства,Устройство содержит датчик тока 1,подсоединенный своим выходом ко входам усилителя 2 постоянного тока исчетчика 3 (количествч электрическойэнергии имитируемой аккумуляторнойбатареи), выходы которых подключенык управляющим аходам функциональногопреобразователя 4, усилитель мощности,выполненный в виде последовательносоединенньцс стабилизатора 5, накопительного элемента 6, датчика напряжения 7на его выходе, быстродействующего регулятора напряжения 8 с промежуточнымвысокочастотным преобразованием напопностью управляемых зпементах,фильтр 9, второй датчик напряжения 10,нагрузочный элемент 11. Выход датчика напряжения 7 через функциональный5 73преобразователь 12 подключен к управяюшему входу стабилизатора 5, а вы.ход второго датчика напряжения 10 черезсумматор 13, ко второму входу которого подсоединен выход функциональногопреобразователя 4, подсоединен к управляющему входу регулятора напряжения 8.К одному из управляющих входов функционального преобразователя 4 подключенвыход блока 14 задания температурныхкоэффициентов, а ко второму ьходу счетчика 3 - выход блока 15 задания начальных условий, являющегося задатчикомвремени имитации,Быстродействующий регулятор напряжения 8 содержит о+ 1 параллельновключенных выпрямнтельных мостов 16,переключатели 17-1 - 17-4, фазосдвигающие элементы 18-1 - 18= О, пороговые элементы 19-1 - 19 = г, задающий генератор 20, трансформаторы 21,выпрямительные элементы 22, выходныепереключатели 23.Устройство работает следующим обрезом С датчика 7 напряжение обратнойсвязи через преобразователь 12, гдеоно сравнивается с задающим напряжением, поступает на управляющий ьходстабилизатора 5. При имитации вольтамперчасовых характеристик в режимезаряда аккумулятора, когда энергияпотребляется из цепи нагрузочного элемента 11, ЭДС первичных обмоток трансформаторов превышает величину напряжения на выходе стабилизатора 5, который,осуществляя стабилизацию напряжения наемкостном накопительном элементе 6,обесг.ечивает рекуперацию энергии изцепи нагрузочного элемента 11 в сеть.При имитации вольтамперчасовыххарактеристик в режиме разряда, когдаэнергия потребляется из сети в цепьнагрузочного элемента 11, противо-ЭДСцепи нагрузки ниже суммарной ЭЙС вторичных обмоток согласующих трансформаторов, определяемой величиной напряжения на выходе стабилизатора 5, и энергия, поступающая в нагрузку, потребляется из сети.Напряжение управления Оу регулятора напряжения формируется следующимобразом. Напряжение, пропорциональноевеличине тока нагрузки, с датчика тока1 поступает на усилитель 2 постоянноготока и на счетчик 3. С выхода усилителя 2 напряжение, пропорциональное току. нагрузки, подается на функциональныйпреобразователь 4. С выхода счетчика 4742 6 3 на преобразователь.4 поступает ваввЯкение, пропорциональное количествуэлектрической энергии имитируемой аккумуляторной батареи. Блок 15, соединенный со счетчиком 3 у позволяет изменять масштаб времени имитации, за которое реальный ХИТ либо отдает, либонакопит номинальную величину электрической энергии. С блока 14 напряжение,пропорциональное температуре окружаю 5 10 щей среды имитируемой аккумуляторнойбатареи, поступает на ьход функционального преобразователя 4. На выходепреобразователя 4 формируется напря жение, являющееся функцией тока нагруъ.ки, текущего значения количества электрической энергии и температуры окружающей среды имитируемой аккумуляторной батареи, которое поступает на сумма тор 13, где сравнивается с напряжениемобратной связи, поступающим с датчиканапряжения 10, и подается на управляюший вход быстродействующего регу"лятора напряжения 8.25 Регулирование величины выходногонапряжения Осуществляется следующимобразом. При отсутствии напряженияуправления Оконтакты всех переключателей замыкаются синфазно, и на эле менте 11 формируется неискаженное,максимальное по величине напряжение,равное сумме напряжений всех вторичныхобмоток согласующих трансформаторов,При подаче напряжения О, превышающего по величине первый задаваемый пороговым элементом 19-1 уровень, появляется потенциал на входе фазосдвигающих элементов 18-1 и 18-1,что привс- дит к сдвигу выходньос импульсов элемента 18-1 в сторону задержки и в сторонуопережения выходных импульсов элемента .8-1. В этом случае па части временного интервала периода несущей частотызадающего генератора происходит синфаз 45ное замыкание переключателей 17-217-3 в первый полупериод и переключателей 17-4, 17-1-во второй период,что приводит к закорачиванию на этихинтервалах первичной обмотки 9 согласующего трансформатора, а выходйоенапряжение уменьшается на величинунапряжения, трансформируемого во вторичную цепь обмотками Ю и й з 55того трансформатора. Дальнейшее увеличение управляющего напряжения 0приведет к тому, что при определенномугле регулирования работающих фазосдвигавших элементов обмотка Ч, будет7347428 закорочена в течение всего периода, а затем она будет включаться в противофазе с остальными и ЭДС обмоток 9 Ч и Ж будет вычитаться из суммы ЭДС всех остальных обмоток. Дальнейшее 5 уведичения напряжения 0приведет к аналогичным операциям с остадьными регулируемыми инверторами,Таким образом, при наличии О регулируемых ячеек обеспечивается на вы О ходе 2 О зон регулирования выходного напряжения, которое в процессе регулирования проходит 2 Г+1 неискаженных уровней. Максимальные импульсные искажения на выходе не превышают величины напряжения вторичной обмотки одной ячейки. За счет этого, а также благодаря промежуточному высокочастотному преобразованию потока энергии, осущестьпяемому ячейками регулятора, при минимальных фильтрах обеспечивается высокое качество выходного напряжения и реализуется имитация аккумуляторной батареи в быстропротекающих динамических режимах.25 Таким образом, устройство позвопяет имитировать вольт-амперчасевые характеристики химических источников тока в зарядном, разрядном и буферном режимах работ с высокой точностью как в статиЧеских, так и динамических режимах. формула изобретения 35 1. Устройство для моделирования акку муляторной батареи, содержащее первый функциональный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом счет Ц чика, сумматор, блок задания начальных условий и нагрузочный элемент, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цедью иовышения точности, в устройство введены регулятор напряжения, накопительный эле-, 45 мент, датчики напряжения, фильтр, датчик тока, блок задания температурных коэффициентов, усилитеаь постоянного тока, втоРой функциональный преобразователь и стабилизатор напряжения, первый входб которого является входом устройства, второй вход стабилизатора напряжения через второй. функциональный преобразователь подключен к выходу первого датчика напряжения, вход которого через накопительный элемент соединен с выходом стабилизатора напряжения и с первым входом регулятора напряжения,выход которого через фидьтр подключенко входу датчика тока, нагрузочногоэлемента и второго здатчика напряжениявыход которого соединен с первым входом .сумматора, выход которого подключен ко второму ьходу регулятора напряжения, второй вход сумматора соединенс выходом первого функционального преобразователя, второй и третий входыкоторого подключены соответственно квыходам блока задания температурныхкоэффициентов и усилителя постоянноготока, вход которого соединен с первымвходом счетчика и с выходом датчикатока, второй ьход счетчика подключенк выходу блока задания начальных условий. 2, Устройство по п. 1, о т л и ч а ющ е е с я тем, что регулятор напряжения содержит пороговые элементы, фазосдвигающие элементы, задающий генератор, цепочку из последовательно соединенных выпрямитедьных мостов, переключатели, каждый из которых подключен параллельно плечу соответствующего выпрямитедьного моста, в диагональ каждого из которых включена первичная обмотка соответствующего трансформатора, вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно, средний вывод цепочки из посдедовательно соединенных вторичныхобмоток трансформаторов подключен к выходу регулятора напряжения, первый вход которого соединен с диагональю первого выпрямитедьного моста, управляющие входы переключателей которого подключены к первому выходу задающего генератора, второй выход которого соединен с первыми входами фазосдвигающих элементов, выходы которых подключены к управляющим входам двух переключателей соответствующего выпрямительного моста, вторые входы фазосдвигающих элементов попарно подключены к первым и вторым выходам соответствующих пороговых элементов, входы которых объединены и являются вторым входом регулятора напряжения, третий выход задающего генератора соединен с унравляюпами входами двух выходных переключателей, каждый из которых подключен параллельно соответствующим выпрямитепьным элементам, последовательно соединенным между собой и соединенным с крайними выводами цепочки из последоватепьно соединенных вторичных обмоток трансформаторов.9 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР734742 102 Авторское свидетельство СССРпо заявке М 2308431/18-24,кл. 6 06 С 7/63, 1976, по которойпринято положительное решение (прототип),