устройство для заряда батарей аккумуляторов

Формула изобретения

Устройство для заряда батарей аккумуляторов, содержащее выпрямитель и N устройств, каждое из которых содержит стабилизатор напряжения, выполненный по схеме источника опорного напряжения с напряжением "запрещенной зоны" и содержит дифференциальный усилитель, выполненный на двух транзисторах, операционный усилитель, подстроечный потенциометр, задающий уровень выходного напряжения, регулировочный потенциометр, причем выходы дифференциального усилителя соединены со входами операционного усилителя, выход операционного усилителя соединен с подстроечным потенциометром, а входы дифференциального усилителя соединены друг с другом и подключены к второму выводу построечного потенциометра и через резистор - к "минусу" аккумулятора, регулировочный потенциометр включен между эмиттерами транзисторов дифференциального усилителя, причем питание дифференциального усилителя осуществляется с выхода операционного усилителя, отличающееся тем, что в каждое из N устройств дополнительно введены два компаратора, делитель напряжения, схема ИЛИ, диод, силовой ключ и ограничивающее сопротивление, причем выход делителя напряжения соединен с инвертирующим входом первого компаратора, вход делителя напряжения соединен с точкой соединения баз транзисторов дифференциального усилителя, неинвертирующий вход первого компаратора соединен с эмиттером первого транзистора дифференциального усилителя, выход первого компаратора подключен к первому входу схемы ИЛИ, выход операционного усилителя подсоединен к инвертирующему входу второго компаратора, неинвертирующий вход второго компаратора соединен с "плюсом" аккумулятора и анодом диода, выход второго компаратора связан со вторым входом схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом управления силового ключа, который включен между "минусом" аккумулятора и ограничивающим сопротивлением, второй вывод которого соединен с катодом диода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электроники и электротехники и может быть использовано в электротехнической промышленности для заряда группы батарей электрических аккумуляторов.

Известны устройства [1, 2] для заряда группы батарей аккумуляторов, содержащие источник питания, электронные устройства для оценки заряженности батареи до определенного уровня напряжения.

Недостатком такого рода устройств является отсутствие поэлементного заряда аккумуляторов, входящих в батарею. Из-за этого отдельные аккумуляторы могут оказаться перезаряженными, а другие недозаряженными. В результате чего снижается срок службы батарей.

Известно также устройство [3], в котором предусмотрен поэлементный заряд каждого аккумулятора в отдельности. Устройство состоит из источника, ограничителей напряжения по числу аккумуляторов в батарее, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных диодов.

Недостатками такого устройства являются несоответствие температурного коэффициента напряжения двух последовательно включенных диодов температурному коэффициенту ЭДС аккумулятора, что будет приводить к перезаряду в одном температурном диапазоне и недозаряду в другом, кроме того, для проведения заряда батареи ее необходимо разбирать на отдельные аккумуляторы, а затем, после проведения заряда, снова соединить последовательно аккумуляторы батареи. Другим недостатком устройства является то, что при температуре электролита свыше 40^oC не производится отключение элемента, а это приводит к повышенной коррозии и снижению срока службы.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [4], имеющее температурный коэффициент напряжения, соответствующий температурному коэффициенту ЭДС батарей. Недостатками данного устройства являются отсутствие поэлементного заряда аккумуляторов и отключение зарядного тока при превышении температуры электролита 40^oC. Эти причины приводят к снижению срока службы батарей аккумуляторов.

Изобретение направлено на повышение срока службы батарей аккумуляторов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство для заряда батарей аккумуляторов дополнительно введены (N-1) устройств, каждое из которых дополнительно содержит два компаратора, делитель напряжения, схему "ИЛИ", диод, силовой ключ и ограничивающее сопротивление, причем выход делителя напряжения соединен с инвертирующим входом первого компаратора, вход делителя напряжения подключен к точке соединения баз транзисторов дифференциального усилителя, неинвертирующий вход первого компаратора соединен с эмиттером первого транзистора дифференциального усилителя, выход первого компаратора подключен к первому входу схемы "ИЛИ", выход операционного усилителя подсоединен к инвертирующему входу второго компаратора, неинвертирующий вход второго компаратора соединен с "плюсом", аккумулятора и анодом диода, выход второго компаратора связан со вторым входом схемы "ИЛИ", выход которой соединен с входом управления силового ключа, который включен между "минусом" аккумулятора и сопротивлением, второй вывод которого соединен с катодом диода.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается введением в схему новых узлов: двух компараторов, делителя напряжения, схемы "ИЛИ", диода, силового ключа, ограничивающего сопротивления, а также связями между ранее применяемыми и вновь введенными элементами. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "новизна".

Способность заявляемого устройства отключать ток заряда от аккумулятора при достижении напряжения на аккумуляторе соответствующего его ЭДС, а также возможность поэлементного (раздельно по каждому аккумулятору в составе батареи) анализа степени заряженности во всем температурном диапазоне, а также отключение зарядного тока через данный аккумулятор при достижении температуры электролита в нем 40^oC позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На чертеже показана функциональная схема устройства.

Устройство для заряда батарей аккумуляторов состоит из выпрямителя 1 и N устройств 2, подключенных параллельно аккумуляторам, входящим в состав батареи. Каждое из устройств 2 состоит из дифференциального усилителя 7, выполненного на двух биполярных транзисторах 8 и 9, операционного усилителя 4, подстроечного потенциометра 14, резистора 15, регулировочного потенциометра 13, в цепи эмиттера первого транзистора имеется сопротивление 12, сопротивления 10 и 11 являются нагрузкой дифференциального усилителя 7, в устройстве 2 дополнительно введены два компаратора 5 и 6, делитель 3 напряжения, схема "ИЛИ" 16, диод 18, силовой ключ 17, ограничивающее сопротивление 19, аккумуляторы 20, входящие в состав батареи 21 аккумуляторов.

Выходы дифференциального усилителя 7 соединены со входами операционного усилителя 4, выход операционного усилителя 4 соединен с подстроечным потенциометром 14, а входы дифференциального усилителя 7 соединены друг с другом и подключены к второму выводу подстроечного потенциометра 14 и через резистор 15 к "минусу" аккумулятора 20, входящего в состав батареи 21, регулировочный резистор 13 включен между эмиттерами транзисторов 8 и 9 дифференциального усилителя 7, эмиттер первого транзистора 8 через сопротивление 12 подключен к "минусу" аккумулятора. Базы транзисторов 8 и 9 дифференциального усилителя 7 подключены к входу делителя 3 напряжения, выход которого подсоединен к инвертирующему входу первого компаратора 5, второй неинвертирующий вход компаратора 5 связан с эмиттером транзистора 8 дифференциального усилителя 7, выход первого компаратора 5 подключен к первому входу схемы "ИЛИ" 16. С выхода операционного усилителя 4 осуществляется питание дифференциального усилителя 7 и подается напряжение на инвертирующий вход второго компаратора 6, неинвертирующий вход второго компаратора 6 соединен с "плюсом" аккумулятора 20 и анодом диода 18, выход второго компаратора 6 соединен с вторым входом схемы "ИЛИ" 16, выход схемы "ИЛИ" 16 соединен с входом управления силового ключа 17, который включен между "минусом" аккумулятора 20 ограничивающим сопротивлением 19, второй вывод которого подключен к катоду диода 18. Аккумуляторы 20 включены последовательно и образуют батарею 21 аккумуляторов.

Устройство работает следующим образом. Напряжение источника опорного напряжения с "шириной запрещенной зоны" регулируется с помощью подстроечного сопротивления 14, а его температурный коэффициент напряжения - регулировочным потенциометром 13. Сам дифференциальный усилитель 7 заливается кислотостойким компаундом и располагается внутри аккумулятора 20, за счет этого осуществляется непосредственный тепловой контакт с электролитом. Подстроечным сопротивлением 14 устанавливается напряжение на выходе операционного усилителя 4, равное ЭДС аккумулятора 20 при 100% заряженности. Если напряжение аккумулятора превышает ЭДС, то второй компаратор 6 изменяет состояние своего выхода и на его выходе устанавливается напряжение, соответствующее логической единице. При этом на выходе схемы "ИЛИ" 16 появится уровень логической единицы и ключ 17 откроется. При этом зарядный ток, ранее заряжавший аккумулятор 20, потечет через диод 18, ограничивающее сопротивление 19 и открывшийся ключ 17. Напряжение аккумулятора 20 определяется его ЭДС и напряжением поляризации. При отключение зарядного тока напряжение поляризации уменьшается, но при уменьшении суммы напряжения поляризации и ЭДС батареи компаратор 6 опять отключит ключ 17 через схему "ИЛИ" 16, в результате чего ток заряда опять пойдет через аккумулятор 20. В результате последовательных приближений аккумулятор зарядится до 100% уровня заряженности.

Кроме того, первый компаратор 5 срабатывает при температуре 40^oC и в этом случае зарядный ток идет также по цепи диод 18, ограничивающее сопротивление 19, ключ 17. Напряжение, снимаемое с сопротивления 12, линейно зависит от температуры 4,5



где K - постоянная Бельцмана;

T - абсолютная температура;

e - заряд электрона.

Напряжение на выходе делителя 3 напряжения почти не зависит от температуры, так как с помощью регулировочного сопротивления 13 температурный коэффициент напряжения устанавливается равным температурному коэффициенту ЭДС батареи (TK_ЭДС 10^-4K^-1). Как только напряжение, снимаемое с сопротивления 12, превысит напряжение, снимаемое с выхода делителя 3 напряжения, срабатывает первый компаратор 5 и напряжение логической единицы поступает с его выхода на первый вход схемы "ИЛИ" 16. Сопротивления делителя подобраны таким образом, что это происходит при температуре 40^oC. Ток, ранее заряжавший аккумулятор 20, при этом пойдет по цепи диод 18, ограничивающее сопротивление 19, ключ 17. В результате чего разогрев аккумулятора 20 прекращается.

Таким образом, предлагаемое устройство полностью исключает перезаряд аккумуляторов батареи при ее заряде. Анализ состояния батареи проводится раздельно по каждому аккумулятору и при этом нет необходимости в разборке батареи.

В целом предлагаемое устройство позволяет исключить перезаряд каждого из аккумуляторов батареи и их разогрев выше 40^oC. Это приведет к повышению срока службы батарей.