ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для заряда аккумуляторных батарей (АБ) от сети переменного тока. Зарядное устройство (ЗУ) содержит входной выпрямитель, подключенный к сети переменного тока, к выходу которого подключен фильтрующий элемент; токочувствительный элемент, соединенный с одним из выходов входного выпрямителя; устройство управления, с входом которого связан токочувствительный элемент, и преобразователь. Преобразователь содержит прямоходовой и обратноходовой трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно друг с другом, а вторичная обмотка каждого из них подключена к АБ через выходной выпрямитель. Обратноходовой трансформатор имеет обмотку обратной связи, связанную с устройством управления. Кроме того, преобразователь содержит два ключевых элемента и два рекуперационных диода, соединенных между собой в однотактный инвертор. Один из ключевых элементов соединен с токочувствительным элементом и с первичной обмоткой обратноходового трансформатора, а другой - с входным выпрямителем и с первичной обмоткой прямоходового трансформатора. Оба ключевых элемента связаны с выходом устройства управления. Техническим результатом является повышение стабильности среднего зарядного тока и напряжения изоляции между сетью и выходом зарядного устройства. 2 ил.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области электротехники, в частности к области преобразовательной техники, и может быть использовано для стабилизации тока в устройствах, нагрузкой которых является противо-ЭДС с малым сопротивлением, а более конкретно - в зарядных устройствах (ЗУ) для заряда аккумуляторных батарей (АБ) от сети переменного тока.

Зарядные устройства выполняются по известным схемам источников вторичного электропитания (ИВЭП) [1] и включают в себя входной выпрямитель, входной фильтрующий элемент, преобразователь, устройство управления, и токочувствительный элемент (на схеме явно не показан) для обратной связи по току. Преобразователь может быть выполнен по любой известной схеме, однако при заряде аккумуляторной батареи важно поддерживать постоянное среднее значение зарядного тока, а также обеспечить гальваническую развязку АБ от сети, то есть обеспечить высокое напряжение изоляции между сетью и АБ. Аккумуляторная батарея, являясь нагрузкой зарядного устройства, представляет собой противо-ЭДС с малым внутренним сопротивлением. С такой нагрузкой работоспособны преобразователи, у которых накопление и передача энергии в нагрузку разделены во времени, либо выходной ток ограничен на определенном уровне. 

Известен, например, однотактный обратноходовой преобразователь, работающий на противо-ЭДС с малым сопротивлением [2]. Он содержит двухобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена через ключевой элемент к источнику питания, а вторичная обмотка через диод подключена к нагрузке. Преобразователь содержит также фильтрующий элемент, включенный параллельно нагрузке. Передача энергии в нагрузку происходит при выключении ключа. Для этого преобразователя характерно наличие на выходе импульсного тока с крутым фронтом (характерно для любого обратноходового преобразователя), что, в свою очередь, приводит к импульсу перенапряжения при выключении ключа, поэтому возникает необходимость в защите от перенапряжения такого обратноходового преобразователя с одним ключом. Необходимость обеспечить высокое напряжение изоляции между сетью и выходом в зарядном устройстве, содержащем такой преобразователь, приводит к ухудшению магнитной связи между обмотками, что влечет за собой увеличение энергии накапливаемой в индуктивности рассеяния и приводит, в конечном счете, либо к потерям мощности, либо к усложнению схемы самого преобразователя. Для поддержания неизменного среднего значения зарядного тока необходимо вводить обратную связь по току, что усложняет схему при обеспечении высокого напряжения изоляции между питающей сетью и выходом. Кроме того, из-за наличия пауз в выходном токе габаритная мощность ключевого элемента, трансформатора и выходного фильтрующего элемента оказывается завышенной.

Известен также двухтактный мостовой преобразователь с дросселем в цепи переменного тока [3]. Он содержит мост из четырех ключевых элементов, встречно параллельно каждому, из которых подключен диод. Одна диагональ моста подключена к источнику питания, а вторая к последовательно включенной индуктивности и первичной обмотке трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора через двухполупериодный выпрямитель подключена к нагрузке. В таком преобразователе выходной ток имеет треугольную форму с плавным нарастанием и спадом. Отсутствие крутых фронтов и пауз в выходном токе позволяет добиться постоянного среднего значения зарядного тока без общей обратной связи по току. Однако существующая возможность замагничивания трансформатора при работе на противо-ЭДС с малым сопротивлением может приводить к выходу из строя преобразователя. Наличие сквозных токов через ключевые элементы приводит к потерям мощности и ухудшает надежность преобразователя. Эти недостатки ограничивают применение двухтактной схемы преобразователя в простых зарядных устройствах малой мощности. Суммарная габаритная мощность ключевых элементов в этой схеме также завышена, так как используется четыре ключевых элемента.

Прототипом заявляемого зарядного устройства является источник питания для заряда аккумуляторов [4]. Он содержит входной выпрямитель, вход которого подключен к сети переменного тока, входной фильтрующий элемент, включенный параллельно выходу входного выпрямителя, токочувствительный элемент, преобразователь и устройство управления. Преобразователь в этом известном источнике питания содержит обратноходовой трансформатор, ключевой элемент, выходной выпрямитель и выходной фильтрующий элемент. Ключевой элемент соединен последовательно с токочувствительным элементом и первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого через выходной выпрямитель соединена с аккумуляторной батареей. Параллельно АБ подключен выходной фильтрующий элемент. Трансформатор имеет дополнительную обмотку обратной связи, соединенную с устройством управления. Токочувствительный элемент соединен с одним из входов устройства управления. Выход устройства управления связан с ключевым элементом. Передача энергии в таком источнике питания происходит при выключении ключевого элемента. Постоянство среднего значения выходного тока здесь достигнуто за счет применения инвариантной стабилизации.

Для обратноходового преобразователя характерно, как было сказано выше, наличие на выходе импульсного тока с крутым фронтом, что приводит к импульсу перенапряжения при выключении ключа. Это приводит к потерям мощности на ключевом элементе и выходном фильтрующем элементе. При выходной мощности 80-200 ватт потери становятся слишком велики, и применение схемы прототипа оказывается неэффективным. Кроме того, при обеспечении высокого напряжения изоляции между входом и выходом потери увеличиваются. Из-за наличия пауз в выходном токе и импульса перенапряжения на ключевом элементе, габаритная мощность последнего значительно завышена. Габаритная мощность трансформатора также завышена.

Таким образом, известные схемы преобразователей, в том числе и прототип, при питании от сети переменного тока обладают завышенной габаритной мощностью и не позволяют одновременно добиться постоянного среднего значения выходного тока на нагрузке с малым сопротивлением и высокого напряжения изоляции выхода ЗУ от сети при выходной мощности, например 80-200 ватт. Разрешение этой проблемы ведет к усложнению схемы зарядного устройства.

Задачей изобретения является создание зарядного устройства для аккумуляторных батарей, позволяющего поддерживать постоянным по величине средний зарядный ток и обеспечить высокое напряжение изоляции между питающей сетью и выходом при одновременном уменьшении габаритной мощности элементов схемы.

Задача решена следующим образом. Зарядное устройство для аккумуляторной батареи включает также, как и известный источник питания, входной выпрямитель, вход которого подключен к сети переменного тока, входной фильтрующий элемент, подключенный параллельно выходу входного выпрямителя, устройство управления, токочувствительный элемент, соединенный со входом устройства управления и преобразователь, выполненный на основе обратноходового трансформатора, ключевого элемента и выходного выпрямителя, причем ключевой элемент соединен последовательно с токочувствительным элементом, который подключен к одному из выходов входного выпрямителя, и первичной обмоткой обратноходового трансформатора. Выход устройства управления связан с этим ключевым элементом. Вторичная обмотка трансформатора соединена через выходной выпрямитель с аккумуляторной батареей, к тому же трансформатор имеет дополнительную обмотку обратной связи, подключенную к устройству управления. Но в отличие от этого известного источника питания в заявляемом зарядном устройстве преобразователь дополнительно содержит прямоходовой трансформатор и еще один ключевой элемент, соединенный последовательно с первичной обмоткой этого прямоходового трансформатора и другим выходом входного выпрямителя. Кроме того, преобразователь дополнительно содержит два рекуперационных диода, которые соединены с ключевыми элементами и образуют с ними двухключевой однотактный инвертор. Дополнительный ключевой элемент, также как и первый, связан с выходом устройства управления, что обеспечивает их одновременное срабатывание. Вторичная обмотка прямоходового трансформатора через дополнительный выпрямитель подключена к аккумуляторной батарее. Таким образом, отличительные признаки заявляемого зарядного устройства, подтверждающие его новизну, заключаются в следующем:

- преобразователь дополнительно содержит прямоходовой трансформатор, а также дополнительный выходной выпрямитель;

- вторичная обмотка прямоходового трансформатора подключена через дополнительный выходной выпрямитель к аккумуляторной батарее;

- преобразователь дополнительно содержит еще один ключевой элемент и два рекуперационных диода;

- дополнительный ключевой элемент соединен последовательно с другим выходом входного выпрямителя и с первичной обмоткой прямоходового трансформатора; 

- рекуперационные диоды соединены с ключевыми элементами в двухключевой однотактный инвертор;

- дополнительный ключевой элемент, как и первый ключевой элемент, связан с выходом устройства управления.

За счет введения в схему преобразователя зарядного устройства дополнительного прямоходового трансформатора устранена пауза и крутой фронт тока на выходе ЗУ. Для ограничения импульса перенапряжения на ключевых элементах использована схема двухключевого однотактного инвертора. При этом энергия, накапливаемая в индуктивностях рассеяния трансформаторов, не рассеивается на элементах схемы, а возвращается во входной фильтрующий элемент. Кроме того, за счет прямоходового трансформатора энергия в аккумуляторную батарею передается не только при выключении ключевых элементов, но и при включенном состоянии ключевых элементов, поэтому амплитуда тока в ключевых элементах меньше, чем в прототипе (а значит и их суммарная габаритная мощность тоже меньше). Причем суммарная габаритная мощность прямоходового и обратноходового трансформаторов в заявляемом зарядном устройстве уменьшена по сравнению с габаритной мощностью обратноходового трансформатора прототипа также за счет уменьшения амплитуды тока. Габаритная мощность выходного фильтрующего элемента снижена за счет уменьшения переменной составляющей выходного тока - отсутствуют паузы в выходном токе и уменьшена его амплитуда. 

На фиг.1 показана схема заявляемого зарядного устройства. На фиг.2 показаны диаграммы токов в характерных точках схемы зарядного устройства. Зарядное устройство на фиг.1 содержит входной выпрямитель 1, подключенный к сети переменного тока. Выпрямитель может быть выполнен по любой известной схеме, например однофазной мостовой. Зарядное устройство содержит также включенный параллельно выходу входного выпрямителя 1 входной, например емкостный, фильтрующий элемент 2, токочувствительный элемент 3, например резистор, соединенный с одним из выходов входного выпрямителя 1, два ключевых элемента 4, 5, соединенные последовательно с первичными обмотками 6, 7 прямоходового 8 и обратноходового 9 трансформаторов. Ключевой элемент 4 соединен с другим выходом входного выпрямителя 1, а ключевой элемент 5 - с токочувствительным элементом 3. Ключевые элементы могут быть выполнены в виде транзисторов. Два рекуперационных диода 10, 11 образуют совместно с ключевыми элементами 4 и 5 двухключевой однотактный инвертор. Первичные обмотки 6 и 7 прямоходового 8 и обратноходового 9 трансформаторов соединены последовательно, а их вторичные обмотки 12, 13 через выходные выпрямители 14, 15, выполненные, например, в виде диодов, подключены к аккумуляторной батарее 16. Параллельно аккумуляторной батарее подключен выходной емкостный фильтрующий элемент 17, который может отсутствовать, если нет необходимости в сглаживании выходного тока. Обратноходовой трансформатор 9 имеет дополнительную обмотку обратной связи 18, соединенную с устройством управления 19. Выход устройства управления 19 связан с ключевыми элементами 4 и 5. Токочувствительный элемент 3 соединен с входом устройства управления 19. Устройство управления может быть выполнено по любой схеме, обеспечивающей заданный алгоритм управления, в том числе также как в прототипе.

На диаграммах фиг.2 показана работа схемы фиг.1: I1 - ток через первичные обмотки 6, 7 трансформаторов 8, 9 и ключевые элементы 4, 5; I2п - ток через вторичную обмотку 12 прямоходового трансформатора 8, I20 - ток через вторичную обмотку 13 обратноходового трансформатора 9; I2 - выходной ток; t - текущее время; Т0 - момент включения ключевых элементов; Т1 - момент выключения ключевых элементов; Т2 - момент уменьшения выходного тока I 2 до нуля.

Переменное напряжение сети поступает на вход входного выпрямителя 1 и сглаживается фильтрующим элементом 2. Устройство управления 19 в момент Т0 включает ключевые элементы 4, 5. Ток через последовательно включенные первичные обмотки 6, 7 трансформаторов 8, 9 начинает нарастать. Причем напряжение U1 на первичной обмотке 6 прямоходового трансформатора 8 определяется соотношением витков w1 , w2 первичной 6 и вторичной 12 обмоток этого трансформатора и напряжением UАБ аккумуляторной батареи 16: , а скорость нарастания тока в первичных обмотках 6 и 7 определяется индуктивностью L 1 первичной обмотки 7 обратноходового трансформатора 9, напряжением на выходе входного выпрямителя 1 U0 и напряжением на первичной обмотке 6 прямоходового трансформатора Таким образом, ток I1 протекающий через токочувствительный элемент 3, равномерно нарастает, пока не достигнет заданного устройством управления 19 уровня. Одновременно с током I 1 первичной обмотки трансформатора 8 нарастает и ток I 2п вторичной обмотки 12, причем ток I2, заряжающий аккумуляторную батарею, равен току I2п. Обратноходовой трансформатор 9 накапливает энергию. В момент Т1, когда ток I1 через токочувствительный элемент 3 достигнет заданного уровня, устройство управления 19 выключит ключевые элементы 4, 5, ток I2п прекращается, а ток I20 через вторичную обмотку 13 обратноходового трансформатора 9 за счет накопленной в нем энергии поддерживает ток I2 , заряжающий аккумуляторную батарею 16. Причем, если соотношение витков w1, w2 первичной и вторичной обмоток у трансформаторов 8 и 9 одинаково, то ток I2, в момент переключения ключевых элементов будет иметь плавный переход. Незначительная энергия, накопленная в индуктивностях рассеяния трансформаторов 8, 9 и в индуктивности намагничивания прямоходового трансформатора 9 возвращается во входной фильтрующий элемент 2 через рекуперационные диоды 10, 11. Ток I20, а значит и ток I2, начинает равномерно спадать и, когда энергия, накопленная в обратноходовом трансформаторе 9, уменьшится до нуля (токи I20, I2, будут также равны нулю - момент Т2), напряжение на обмотке обратной связи 18 тоже уменьшится и устройство управления 19 вновь включит ключевые элементы 4, 5. Далее процесс повторяется. При этом за счет поддержания неизменной амплитуды тока I1, через первичные обмотки 6, 7 трансформаторов 8 и 9 достигается постоянство амплитуды (а значит и среднего значения, равного половине амплитуды) выходного тока I2. Выходной фильтрующий элемент 17 служит для сглаживания тока, заряжающего батарею.

Источники информации 

1. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992. - 224 с.: ил. //страницы 7, рисунок 1.1 г.

2. Высокочастотные транзисторные преобразователи/ Э.М.Ромаш, Ю.И.Драбович, Н.Н.Юрченко, П.Н.Шевченко. - М.: Радио и связь, 1988. - 288 с.: ил.//страница 135, рисунок 5.1 а.

3. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.: ил.// страница 159, рисунок 4.20.

4. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Издание 2-е. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 608 с.// страница 530.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Зарядное устройство для аккумуляторной батареи, включающее входной выпрямитель, вход которого подключен к сети переменного тока, фильтрующий элемент, подключенный к выходным зажимам входного выпрямителя, токочувствительный элемент, соединенный с одним из выходов входного выпрямителя, устройство управления и преобразователь, содержащий ключевой элемент, обратноходовой трансформатор, вторичная обмотка которого через выходной выпрямитель соединена с аккумуляторной батареей, при этом ключевой элемент соединен последовательно с токочувствительным элементом и последовательно с первичной обмоткой обратноходового трансформатора, а последний имеет дополнительную обмотку обратной связи, соединенную с устройством управления, выход которого связан с ключевым элементом, а один из входов - с токочувствительным элементом, отличающееся тем, что преобразователь дополнительно содержит прямоходовой трансформатор, первичная обмотка которого последовательно соединена с первичной обмоткой обратноходового трансформатора, а его вторичная обмотка через дополнительный выходной выпрямитель подключена к аккумуляторной батарее, кроме этого, преобразователь дополнительно содержит еще один ключевой элемент, соединенный последовательно с первичной обмоткой прямоходового трансформатора и соединенный с другим выходом входного выпрямителя, а также два рекуперационных диода, образующих совместно с ключевыми элементами двухключевой однотактный инвертор, при этом дополнительный ключевой элемент связан, так же как и первый, с выходом устройства управления.