Зарядно-разрядный модуль (зрм)

Зарядно-разрядный модуль (ЗРМ) относится к области электротехники, в частности, к устройствам заряда и разряда аккумуляторных батарей с цифровым интерфейсом управления, защитой от неверных действий оператора и возникновения внештатных ситуаций, а так же с возможностью каскадирования модулей для увеличения суммарной выходной мощности.

ЗРМ содержит в своем составе микроконтроллер, цифровой интерфейс для объединения нескольких блоков и обмена информацией между ними, а так же для получения и передачи данных на удаленное устройство, блок ШИМ и блок согласования уровней тока и напряжения, обеспечивающий высокую точность стабилизации выходного тока и напряжения, блок разряда, обеспечивающий переменную нагрузку для разряда аккумуляторной батареи, а так же блоки защиты от перепадов напряжения, блок защиты от перегрузки и блок защиты от неверного подключения АКБ, исключающие повреждение блока в результате его неверной эксплуатации. Так же ЗРМ содержит блок человеко-машинного интерфейса, обеспечивающий подключение различных органов управления, в том числе аналоговых приборов, жидкокристаллического индикатора и кнопок управления.

Зарядно-разрядный модуль позволяет объединять несколько аналогичных модулей параллельно для повышения выходного тока или последовательно для повышения выходного напряжения, при этом все блоки обмениваются информацией через цифровой канал связи для распределения мощности между блоками и получения заданного суммарного тока или напряжения, обеспечивая индикацию суммарных рабочих параметров на один общий человеко-машинный интерфейс.

Полезная модель (ПМ) относится к области электротехники, в частности, к устройствам заряда и разряда аккумуляторных батарей (АКБ) с цифровым интерфейсом управления, защитой от неверных действий оператора и возникновения внештатных ситуаций, а так же с возможностью каскадирования модулей для увеличения суммарной выходной мощности.

Известно устройство [Патент Российской Федерации 2219638, H02J 7/10, 2003] для ускоренного заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащее схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, три блока усилителей, блок аккумуляторной батареи, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда и блоком индикации, блок датчика напряжения, блок питания, соединенный с выводами питающего напряжения ~220 В. Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: схема управления силовыми ключами, блок фильтров, схема управления по заданному алгоритму, блок датчика напряжения, блок питания.

Данное устройство способно осуществлять продолжительный разряд АКБ, однако величины зарядных и разрядных токов определяются емкостью конденсаторов, включенных в соответствующие цепи, что исключает возможность изменения зарядного или разрядного тока для различных типов АКБ. Для заряда АКБ большой номинальной емкости и напряжения, потребуется использование конденсаторов очень больших габаритных размеров и веса, что делает применение данного устройства практически нереализуемым. Другими недостатками данного устройства являются отсутствие стабилизации зарядного или разрядного тока при колебаниях сетевого напряжения и отсутствие гальванической развязки АКБ от питающей сети.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство «Станция автоматическая зарядно-разрядная» [Патент Российской Федерации 2327268, H02J 7/10, 2006], содержащее схему управления силовой частью, включающую блок фильтров, соединенный с выводами питающего напряжения, три блока усилителей, блок аккумуляторной батареи, и схему управления по заданному алгоритму, включающую блок управления, соединенный с блоком задания алгоритма заряда, блоком задания режима заряда и блоком индикации, блок датчика напряжения, блок питания, соединенный с выводами питающего напряжения, отличающаяся тем, что в схему управления силовой частью введены блок выпрямителя, соединенный с блоком фильтров, блок сетевого фильтра, соединенный с блоком сетевого выпрямителя, блок регулируемого источника зарядного тока, соединенный с блоком сетевого фильтра и с первым блоком усилителей, блок высокочастотного выпрямителя, соединенный с блоком регулируемого источника зарядного тока, блок фильтра, соединенный с блоком высокочастотного выпрямителя, блок ключа, соединенный со вторым блоком усилителей и с блоком фильтра, блок разряда конденсаторов, соединенный с точкой соединения блока фильтра и блока ключа, блок нагрузки, соединенный с блоком разряда конденсаторов, блок регулируемого источника разрядного тока, соединенный с блоком ключа, с третьим блоком усилителей и с точкой соединения блока ключа, блока разряда конденсаторов и блока фильтра, блок индуктора, соединенный с точкой соединения блока ключа и блока регулируемого источника разрядного тока, блок подключения аккумуляторных батарей, соединенный с блоком индуктора, блоком датчика напряжения и с блоком АКБ, а в схему управления по заданному алгоритму введены блок датчика тока, соединенный с блоком подключения аккумуляторных батарей, блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), соединенный с блоком датчика тока, блоком датчика напряжения и блоком управления, блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ), соединенный с блоком управления и с тремя блоками усилителей, блок звуковой сигнализации, соединенный с блоком управления и блок пульта управления, соединенный с блоком задания режима заряда.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются блоки: блок защиты от перепадов напряжения (блок фильтров у аналога), блок выпрямления входного напряжения (блок сетевого выпрямителя у аналога), блок вспомогательного питания (блок питания у аналога), блок выпрямления и стабилизации выходного напряжения (блок высокочастотного выпрямителя у аналога), блок согласования уровней тока и напряжения (блок датчика тока и блок датчика напряжения у аналога), блок микроконтроллера (однокристальный микропроцессор с блоком управления, блоком ШИМ, блоком задания алгоритма заряда, блоком АЦП и блоком задания режима заряда у аналога).

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: отсутствие блока защит от перегрузок, отсутствие блока защиты от неверного подключения аккумуляторной батареи, наличие уже установленного блока индикации и блока звуковой сигнализации вместо блока человеко-машинного интерфейса и блока интерфейса SPI, а так же отсутствие блока цифрового интерфейса. Кроме того, блок ШИМ включен в состав однокристального микропроцессора, что не позволяет обеспечить высокую скорость стабилизации тока или напряжения, что в свою очередь препятствует объединению блоков для увеличения выходного тока или напряжения.

Задача, на решение которой направлена ПМ, состояла в создании зарядно-разрядного модуля, обеспечивающего различные варианты организации человеко-машинного интерфейса, как с непосредственным подключением аналоговых приборов и кнопок управления или подключением жидкокристаллического индикатора, так и с удаленным управлением по цифровому интерфейсу связи, при этом обеспечивающего объединение нескольких блоков для увеличения выходной мощности с возможностью обмена данными между собой для равномерного распределения выходной мощности между несколькими блоками.

Технический результат достигается тем, что ЗРМ содержит блок защиты от перегрузок, блок защиты от неверного подключения АКБ, блок человеко-машинного интерфейса, блок интерфейса SPI, отдельный высокоскоростной блок ШИМ, блок цифрового интерфейса, а так же блок разряда в виде активной (переменной нагрузки), позволяющей при объединении выходных клемм нескольких зарядно-разрядных модулей распределять энергию разряда между этими блоками.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом (фиг.), где:

1) блок защиты от перепадов напряжения;

2) блок выпрямления входного напряжения;

3) блок вспомогательного питания;

4) блок управления силовыми ключами;

5) блок силовых ключей;

6) блок гальванической изоляции;

7) блок измерителя входного тока;

8) блок силового трансформатора;

9) блок ШИМ;

10) блок защиты от перегрузки;

11) блок выпрямления и стабилизации выходного напряжения;

12) блок микроконтроллера;

13) блок согласования уровней тока и напряжения;

14) блок человеко-машинного интерфейса;

15) блок интерфейса SPI;

16) блок цифрового интерфейса;

17) блок разряда;

18) блок защиты от неверного подключения АКБ.

Работа устройства начинается с подачи питающего напряжения на блок защиты от перепадов напряжения (1). В этом блоке входное напряжение, поступающее на модуль, фильтруется и дальше подается на блок выпрямления входного напряжения (2), где переменное напряжение преобразуется в постоянное и подается на блок силовых ключей (5) и блок вспомогательного питания (3).

Бок вспомогательного питания (3) формирует гальванически изолированное от входных цепей питающее напряжение для управляющей части: блока микроконтроллера (12) и блока ШИМ (9), а так же формирует не изолированное питающее напряжение для блока управления силовыми ключами (4).

После того, как блок вспомогательного питания сформирует все необходимые напряжения для работы модуля, запускается блок микроконтроллера (12). Этот блок определяет основной алгоритм работы всего устройства. После запуска блок микроконтроллера опрашивает блок согласования уровней тока и напряжения (13), блок цифрового интерфейса (16) и блок человеко-машинного интерфейса (14) или дополнительный модуль расширения (например, модуль ZigBee), подключенный по интерфейсу SPI (15) для того, чтобы определить, какое количество устройств подключено параллельно, какие органы управления присутствуют и есть ли удаленное устройство управления. После диагностики и опроса всех систем микроконтроллер (12) ожидает команд задания режимов работы (заряда, разряда, уровня выходной мощности и т.д.) от оператора через блок человеко-машинного интерфейса или от удаленного устройства через блок цифрового интерфейса (16). После получения команды на запуск блок микроконтроллера (12), задает уровень выходного напряжения и выходного тока, а так же режим стабилизации (тока или напряжения) для блока ШИМ (9). В случае, если задана программа разряда, на блок ШИМ (9) выставляется команда останова, а на блок разряда (17) выдается уровень необходимого тока разряда. Параметры текущего тока заряда/разряда, а так же уровня выходного напряжения передаются на удаленное устройство через блок цифрового интерфейса (16) или/и блок человеко-машинного интерфейса (14).

При получении команды от блока микроконтроллера (12) блок ШИМ (9) подает управляющие импульсы через блок гальванической изоляции (6) на блок управления силовыми ключами (4).

Далее, с помощью блока силовых ключей (5) входное напряжение импульсами подается на блок силового трансформатора (8), где входное напряжение понижается и подается на блок выпрямления и стабилизации выходного напряжения (11).

Данные об уровне выходного тока и напряжения поступают на блок согласования уровней тока и напряжения (13). В этом блоке согласуются уровни выходного тока и напряжения в уровни, необходимые блоку микроконтроллера (12) и блоку ШИМ (9). Так же в блоке (13) реализована схема компенсации контура обратной связи.

В случае, если с блока защиты от неверного подключения (18) приходят данные о неправильном подключении клемм АКБ или блок защиты от перегрузки (10) с помощью блока измерителя входного тока (7) фиксирует перегрузку по току или напряжению, то команды запуска на блок ШИМ (9) или блок разряда (17) блокируются, после чего ошибку фиксирует блок микроконтроллера (12) и передает информацию о типе ошибке на блок человеко-машинного интерфейса (14) и/или блок цифрового интерфейса (16).

В настоящее время на предприятии ООО "КРОН" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность и соответствие всем заявленным характеристикам.

Зарядно-разрядный модуль (ЗРМ), содержащий блок микроконтроллера, передающий команды на блок ШИМ, подключенный к блоку управления силовыми ключами через блок гальванической изоляции, блок разряда, блок согласования уровней тока и напряжения, блок защиты от перепадов напряжения, блок выпрямления входного напряжения, подключенный к блоку вспомогательного питания и блоку силовых ключей, формирующему импульсы на блок силового трансформатора, подключенного к блоку выпрямления и стабилизации выходного напряжения, отличающийся тем, что содержит блок измерения входного тока, подключенный к блоку защиты от перегрузок, блок защиты от неверного подключения АКБ, блок человекомашинного интерфейса, блок цифрового интерфейса, подключенные к блоку ШИМ и блоку микроконтроллера.