Устройство для питания нагрузки

(5 Й) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗ(И 1Изобретение относится к электротехнике, а более конкоетно к автономным устройствам электропитания нагрузки, в которых генератор работаетсовместно с буферной аккумуляторнойбатареей(АБ), и может быть использовано на различного классса автоматических установках,Известны устройства для электропитания нагрузки, состоящие из генератора и буферной Аб, в которых конт"роль за процессом заряда и разрядаАб осуществляется с помощью оеверсивного счетчика амперчасов (, САЧфВ таких устройствах по показаниямСАЧ, находящегося в зарядно-разряднойцепи АБ, принимается решение о необходимости управления количествомэлектричества, поступающего в АБ отгенератора.В САЧ обычно вводят устройства,позволяющие учесть, что амперчасовая отдача Аб менее 100. В. резуль 2тате при одинаковом токе САЧ воспринимает пои заряде меньшее количество электричества, чем при разряде,Разница выбирается исходя из (ПД АБпо емкости31.ю Вследствие того, что характеристи"ки Аб изменяются под влиянием различных Фактооов (циклирование, температура, давление и др.), в некоторые САЧ для приведения в соответст" О вие его показаний и реального состояния заряженности АБ вводят коррекцию,например, по числу зарядно-разрядныхциклов .Известны также устройства, в ко-торых периодически производится контрольный заряд АБ до уоовня срабатывания датчика максимального напряжения при условии сброса САЧ ( в моментсрабатывания датчика) в Фиксированное состояние 51Однако учет в САЧ всего комплексаФакторов, влияющих на изменение емкостных характеристик АБ, а также397 В 2создание условий для постоянного автоматического приведения в соответствие показаний САЧ и реального уровня заряженности РБ является до настоящего времени практически нерешенной задачей.Наиболее близкил к поедлагаемомупо технической сущности является устройство для питания нагрузки, состоящее из генератора, буферной АБ, датчиков разрядного и зарядного токаРБ, реверсивного счетчика ампер-часовсоединенного с регулятором заряда,датчика окончания заряда АБ и корректора коэффициента передачи дат- Ичика тока.Счетчик ампер-часов производитинтегрирование тока в процессе заряда и разряда АБ. 8 момент достижениянекоторого Фиксированного состояниясчета, условно принятого за уоовеньполного заряда АБ и соответствующего моменту, когда воспринятое счетчиком восполненное количеотво электричества равно снятому в предшест Звующих разрядах, счетчик ампер-часоввыдает команду на регулятор для уменьшения зарядного тока АБ до заданной величины.С целью автоматического периоди- З 0ческого приведения в соответствиепоказаний САЧ и реального уровня заряженности АБ устройство имеет дварежима работы, получаемые за счетвозможности изменения коэффициентапередачи датчика зарядного тока и,соответственно, возможности варьирования момента достижения в САЧ фиксированного состояния счета,3 одном режиме с каждым разрядно 40зарядным циклом происходит увеличение количества электричества в ЛБ намомент выдачи команды счетчиком, ко-,торое в конечном итоге приводит ксрабатыванию датчика окончания эаряч фзда. По сигналу этого датчика устроиство переходит в другой режим, характеризующийся тем, что с каждым разрядно-зарядным циклом происходитуменьшение количества электричествав АБ на момент выдачи команлы счетчиком, Пооаолжительность паботыустройства во втором оежиме определяется длительностью выдачи сигналадатчиком окончания заряда; послепрекращения выдачи этого сигналавозобновляется первый режим работы.3 силу специфики работы этогоустройства для АБ характерны периоди 72 4ческие заряды, .приводящие к срабатыванию датчика окончания заряда. Приэтом датчик окончания заряда ( по сигналу которого производится сбросСАЧ в Фиксированное состояние счета и, таким образом, приводятся всоответствие показания САЧ и реальный уровень заряда АБ ) должен, естественно, реагировать на объективный параметр, характеризующий полный заряд АБ, в качестве которого вгерметичных АБ исйользуют пбвышение(до определенного уровня) давлениягаза внутри аккумуляторов 161.Однако режим с постоянным избыточным давлением приводит со временем к значительной потере емкостиАБ. Для АБ типа НКГ ( К )одной иэ причин этого является постоянное присутствие кислорода в газовой фазе ваккумуляторе, которое вызывает необратимые потери активной массы электродов.Таким образом, при длительной работе устройства имеет место снижение эффективности и ресурса АБ.Кроме того, недостатком этогоустройства является заложенное впринцип его действия отличие показаний САЧ от реального уровня заряженности АБ (в периоды, когда нетсигналов от датчика окончания за-.ряда на вход сброса "САЧ в Фиксированное состояние счета). Отсутствие достоверной текущей информациио состоянии АБ не позволяет планировать режимы включения нагрузки,соответствующие максимальным в данный момент возможностям АБ (по глубине разряда).Недостатком является также некоторое уменьшение средней располагаемой АБ емкости при наличии сигналадатчика окончания заряда (при работеустройства во втором режиме).Цель изобретения -. повышение эффективности использования АБ при еемногократном циклировании путемуменьшения количества зарядов АБ, при -водящих к газовыделению внутри аккумуляторов и путем увеличения степенисоответствия текущих показаний СИЧреальному уровню заряда АБ,Указанная цель достигается тем,что в,устройство, содержащее генератор постоянного тока, буферную аккумуляторную батарею, в цепь которой.включены датчики зарядного и разрядного тока, выходы которых соединены9782 5со счетными входами реверсивного счетчика ампер-часов, соединенного с регулятором заряда, и датчик предельного заряда АБ, выход которого подключен к входу сброса счетчика ам- % пер-часов в фиксированное состояние счета, причем датчик зарядного тока выполнен с перестраиваемым коэффициентом передачи, введены упреждающий датчик полного заряда АБ ( напри мер, это датчик напряжения, настроенный таким образом, что его срабатывание происходит перед началом газо- образования в конце заряда АБ) и три логические. схемы И, прицем один вход И первой схемы И связан с упомянутым датчиком, второй вход - с выходом САЧ, а выход схемы И соединен с входом регулятора заряда, прямой вход второй схемы И соединен с выходом Ю датчика предельного заряда АБ (например, этот датчик давления), инвертирующий - с выходом САЧ, а вы- . ход этой схемы соединен с управляющим на увеличение коэффициента пе редачи входом датчика зарядного тока, прямой вход третьей схемы И соединен с выходом САЧ, инвертирующий вход - с выходом управляющего дат" чика полного заряда АБ, а выход этой зО схемы соединен с управляющим на уменьшение коэффициента передачи входом датчика зарядного тока.На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства для питания нагрузки.Устройство состоит, из генератора 1, подключенного через регулятор 2 заряда к аккуммуляторной батарее 3, датчика 4 разрядного тока аккумуля - 4 в торной батареи и датчика 5 зарядного тока аккумуляторной батареи, выходы которых соединены со счетными входами реверсивного счетчика 6 ампер-цасов, логической схемы И 7,43 входы которой соединены с выходом счетчика 6 и с выходом упоеждающего датчика 8 полного заряда, а выход ее соединен с регулятором 2 заряда, логицеской схемы И 9, прямой вход которой соединен с выходом датчика 10 предельного заряда, инвертирующий - с выходом счетчика 6, а выход ее - с управляющим на увеличение коэффициента передачи входом датчиИ ка 5, логической схемы И 11, прямой вход которой соединен с выходом счетчика 6, инвертирующий - с выходом датчика 8, а выход ее - с управляющим 72 6на уменьшение коэффициента передачивходом датчика 5.Устройство работает следующим образом,Генератор 1 осуществляет питаниенагрузки постоянным током, при этомкак мощность, вырабатываемая генератором, так и мощность, потребяемаянагрузкой, изменяются циклически каким-либо образом во времени, При превышении потребляемой мощности надвырабатываемой нагрузка используетэнергию, накопленную в батарее 3, врезультате чего последняя разряжается, Датчик 4 преобразует величинуразрядного тока во входной сигналсчетчика 6, который производит счетразрядной емкости.При превышении вырабатываемой мощности над потребляемой происходитзаряд батареи 3 Датчик 5 преобразует величину зарядного тока во входной сигнал счетчика 6, который производит счет зарядной емкости. Приэтом датчик 5 выполнен с дискретноперестраиваемым коэффициентом передачи тока,Если в процессе циклирования АБ зарегистрированное счетчиком 6 восполненное количество электричества станет равно снятому в предыдущем разряде ( достигнуто некоторое фиксиоованное состояние счета, условно принятое за уровень полного заряда АБ), счетчик 6на время до момента начала очередного разряда батареи 3) выдает сигнал, предназначенный дЛя ограничения регулятором .2 зарядного тока АБ.В процессе работы устройства в зависимости от наличия или отсутствия .сигналов на выходах счетчика 6 и датчиков 8 и 10 возможны следующие ситуации.Имеются сигналы на выходе САЧ и упреждающего датчика 8 полного заряда, сигнал на выходе датчика 10 отсутствует. Эта ситуация означает что фиксированное состояние счета САЧ практически соответствует уровню полного заряда АБ. На выходе схемы И 7 появляется сигнал, который подается на регулятор 2. Последний уменьшает зарядный ток АБ до заданной величины например, не вызывающий дальнейший заряд батареи 3, но обеспечивающий удержание ее в заряженном состоянии). Для этой ситуа 7 9782 ции характерно, что регистрируемое счетчиком 6 на зарядном цикле количество электричества соответствует реально воспринимаемому батареей 3 и нет необходимости перестаивать коэф- ю фициент передачи тока в датчике 5; По этому на выходах схем И 9 и 11 в такой ситуации сигналов, предназначенных для изменения коэффициента передачи датчика 5, нет ( ввиду того, что 16 на инвертирующих входах схем И 9 и 11 есть сигналы) .Имеется сигнал на выходе САЧ, сигналы на выходах датчиков. 8 и 1 О отсутствуют. Ситуация ознакачет, что в 1 З процессе циклирования ЯБ изменились ее характеристики ( или изменились режимы циклирования) и реально она воспринимает меньше количества электричества, чем регистрируется счет чиком 6, и на момент срабатывания САЧ фактический уровень заряженности АБ меньше показаний счетчика. В этом случае сигнала на выходе схемы И 7 нет, и регулятор 2 не ограничивает И ток заряда батарей 3 (т.е. ЛБ йродол" жает заряжаться, пока не сработает датчик 8; счетчик 6 при этом сохраняет Фиксированное состояние счета).Кроме того, создаются условия для 1 ф срабатывания схемы И 11 ( на прямом входе имеется сигнал от счетчика 6, на инвертирующем нет сигнала от датчика 8), и с ее выхода сигнал поступает на управляющий на уменьшение коэффициента передачи вход датчика 5. В результате коэффициент передачи ступенчато изменяется на ближайшее меньшее значение, при котором за счет уменьшения регистрируемой счет-чиком зарядной емкости (по отношению к реальной)батарее 3 будет сообщаться (на последующих зарядах) большее количествоэлектричества до момента появления сигнала на выходе САЧ,Бсли после некоторого количества разрядно-зарядных циклов опять будет иметь место ситуация, когда появляется сигнал на выходе САЧ, а сигналов на выходах датчиков 8 и 10 нет (т.е. или опять изменились характеристики ЯБ, или новое значение коэфФициента передачи недостаточно малое) произойдет изменение коэффициента передачи датчика 5 на очередное меньшее значение и т.д. Т.е. будет происходить адаптация скорости счета зарядной емкости счетчиком 6 к измене" нию характеристик батареи 3, что обе 72 8спечивает соответствие показания САЧ реальному уровню заряженности АБ.Имеются сигналы на выходах датчиков 8 и 10, сигнала на выходе САЧ нет. Ситуация означает, что в процессе циклирования АБ так. изменились ее характеристики, что реально она воспринимает больше количества электричества, чем регистрируется счетчиком 6.В этом случае по сигналу датчика 10 предельного заряда происходит сброс счетчика 6 в фиксированное состояние счета, срабатывает схема И 7 в результате чего регулятор 2 ограничивает ток заряда батареи 3.Кроме того, в момент появления сигнала на выходе датчика 10 создаются условия для сбрасывания схемы И 9 ( на прямом входе имеется сигнал от датчика 10, на инвертирующем отсутствует сигнал от счетчика 6) и с ее выхода сигнал поступает на управляющий на увеличение кожффициента передачи вход датчика 5, В результате коэффициент передачи ступенчато изменяется на ближайшее большее значение, при котором за счет увеличения регистрируемой счетчиком зарядной емкости (по отношению к реальной) батарее 3 будет сообщаться (на последующих зарядах) меньшее количество электричества до момента появления сигнала на выходе САЧ.При повторении этой ситуациивследствие нового изменения характеристик АБ или недостаточно большого значения коэффициента передачи произойдет изменение коэффициента передачи датчика 5 на очередное большее значение и т.д. Т.е. будет также про" исходить адаптация скорости счета зарядной емкости счетчиком 6 к изменению характеристик батареи 3, что обеспечивает соответствие показаний САЧ реальному уровню заряженности АБ, и, кроме того, прекращение заряда АБ будет в последующих циклах происходить на уровнях заряженности, предшествующих газовыделению внутри аккумуляторов АБ (т,е, будет происходить "уход" от газовыделения в конце заояда).Прй соответствующем выборе дискретности уровней коэффициента передачи датчика 5 поддерживается практически полное соответствие между показаниями САЧ и уровнем заряженности АБ при любых возможных изме9 97827 нениях характеристик АБ. Это позволяет проводить планирование режилов включения нагрузки, соответствующих максимальным в данный ломент воз" можностям АБ по глубине разряда, и э таким образом более эффективно использовать, АБ.Поддержание средней располагаемой емкости АБ на более высоком уровне (по сравнению с прототипом) за счет 16 исключения режима, в котором на время выдачи сигнала датчиком окончания заряда происходит уменьшение распо" лагаемой АБ емкости, позволяет или использовать при тех же характерис ф тиках нагрузки АБ с меньшей номинальной емкостью, или обеспечить питание нагрузки в течение более длительного времени.Уменьшение количества зарядов АБ 20 до уровня срабатывания датчика предельного заряда ( которые будут происходить лишь при изменениях характеристик АБ, вызывающих определенное несоответствие в регистриоуемой счет- фф чикОм и воспринимаемой АБ емкостяхуменьшит потери емкости АБ, вызываемые газовыделением внутри аккумуляторов батареи при оконцании ее заряда и сохраняет ее ресурс. ЗфРасчет, проведенный с использованием математической модели АБ типа НКГК, показал, цто при дискретности коэффициента передачи датчика зарядного тока, равной 0,05 (диапазон козициента передачи от 1,00 до 1,40) поддерживается текущее соответствие между показаниями САЧ и реальным состоянием АБ с точностью 33, средний уровень располагаемой емкости в АБ по сравнению с прототипом увеличивается на 153, а количество зарядов АБ до уровня срабатывания датчика предельного заряда уменьшается не менее, цем в 2 раза.43 Формула изобретения Устройство для питания нагрузки,содержащее генератор постоянного токатипа солнечной батареи, буферную ак 2 10кумуляторную батарею, в цепь которойвключены датчики зарядного и разрядного тока, выходы которых соединены .со счетными входами реверсивногосчетчика ампер-часов, соединенного срегулятором заряда, и датчик предельного заряда аккумуляторной батареи, выход которого подключен квходу сброса сцетчика ампер-часов вФиксированное состояние счета, причемдатцик зарядного тока выполнен с перестраиваемым коэффициентом передачи,о т л и ц а ю щ е е с я тем, цто,с целью повышения эффективности использования аккумуляторной батареипри ее многократном циклировании, внего введены упреждающий датчик пол"ного заряда аккумуляторной батареии три логические схемы И, причем входы первой схемы И соответственно соединены с выходом сцетцика ампер-часов и с выходом упреждающего датчика полного заряда, а выход ее соединен с управляющим входом регуляторазаряда, прямой вход второй схемы Исоединен с выходом датчика предель"ного заряда, ее инвертирующий входс выходом счетчика ампер-часов, авыход - с управляющим на увеличениекоэффициента передачи входом датчика зарядного тока; прямой вход третьей схемы И соединен с выходом счетчика ампер-цасов, ее инвертируащийвход с выходом упреждающего датчикаполного заряда, а выход - с управляющим на уменьшение коэффициента передачи входом датчика зарядного тока,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Патент СПА И 3740636,кл. 320-2, 19732. Патент СОА У 3421067,кл. 320-14, 1968.3 Вайнел Дж. Аккумуляторные батареи. Госэнергоиздат, 1960, с.314.4. Патент ФРГ Мф 1513700,кл. 21 с 51/02, 1969.5. Авторское свидетельство СССРМ 472421, кл., Н 02 1 7/34, 19736. Авторское свидетельство СССРМ 661683 кл. Н 02 3 7/34, 1976."Патент", г, Ужгород, ул илиал ктная,9234/71 Тираж 669 ПодписноВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Л, Раушская наб., д. 4/