SHVED ANDREJ ALEKSANDROVICH (RU)
| US5734258A | 1998-03-31 | |||
| RU2476978C2 | 2013-02-27 | |||
| RU163394U1 | 2016-07-20 | |||
| SU1791899A1 |
| Ф О Р М У Л А 1. Устройство для накопления электрической энергии, содержащее интерфейсные силовые выводы, перезаряжаемый источник тока, первый полумост, второй полумост, дроссель с датчиком тока дросселя и блок управления, причем каждый полумост имеет вход управления, плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод, выполненный с возможностью подключения к плюсовому либо минусовому выводу по сигналу на входе управления, первый полумост плюсовым и минусовым выводами параллельно соединен с перезаряжаемым источником тока, минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, переключаемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с переключаемым выводом второго полумоста, плюсовой и минусовой выводы которого являются интерфейсными силовыми выводами, отличающееся тем, что блок управления имеет задающий вход и содержит первый триггер Шмитта, выход которого связан с входом управления первого полумоста, второй триггер Шмитта, выход которого связан с входом управления второго полумоста и сумматор, выход которого связан с входами первого и второго триггеров Шмитта, первый вход сумматора связан с выходом датчика тока дросселя, а второй вход сумматора является задающим входом блока управления. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый полумост выполнен с возможностью подключения переключаемого выхода к плюсовому выводу по сигналу Н на входе управления, и подключения к минусовому выводу по сигналу L на входе управления, первый триггер Шмитта имеет пороговые уровни Ui и U2 переключения выхода в состояния Н и L соответственно, второй триггер Шмитта имеет пороговые уровни U3 и U4 переключения выхода в состояния Н и L соответственно. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что пороговые уровни триггеров Шмитта удовлетворяют неравенствам: U4 < U1 < U2 , (1) U4 < U3 < U2 , (2) при условии, что выходной сигнал датчика тока дросселя принят положительным, если ток дросселя протекает в направлении от переключаемого вывода первого полумоста к переключаемому выводу второго полумоста. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что пороговые уровни триггеров Шмитта удовлетворяют неравенствам: U4 > U, > U2 , (3) U4 > U3 > U2 , (4) при условии, что выходной сигнал датчика тока дросселя принят положительным, если ток дросселя протекает в направлении от переключаемого вывода второго полумоста к переключаемому выводу первого полумоста. 5. Устройство по п. 1 отличающееся тем, что перезаряжаемый источник тока выполнен в виде батареи электрохимических конденсаторов. 6. Устройство по п. 1 отличающееся тем, что перезаряжаемый источник тока выполнен в виде аккумуляторной батареи. |
ЭНЕРГИИ
Изобретение относится к области электротехники, а именно, к автономным системам электроснабжения, и может быть использовано преимущественно на транспортных машинах.
Известно микрогибридное устройство для автомобиля (Micro-hybrid device for motor vehicle / Masson et al. // U.S. Pat. Jfe 7,952,223 B2 - May 31, 2011), в котором используется перезаряжаемый источник тока в виде батареи электрохимических конденсаторов (именуемой также "ультраконденсатор"), подключенный к бортовой сети автомобиля через двунаправленный преобразователь постоянного тока с блоком управления, имеющим задающий вход, причем по сигналу на задающем входе может осуществляться регулирование величины тока заряда/разряда перезаряжаемого источника тока, что позволяет накапливать и отдавать электрическую энергию и соответствует назначению заявляемой полезной модели. Однако в описании данного изобретения не раскрыта схема двунаправленного преобразователя постоянного тока.
Известна система электроснабжения автомобиля (Automotive electrical system configuration / O'Gorman et al. // U.S. Pat. JSTs 8,159,083 B2 - Apr. 17, 2012), в которой используются устройства для накопления электрической энергии. Каждое такое устройство состоит из перезаряжаемого источника тока и двунаправленного понижающе- повышающего преобразователя, который содержит блок управления, дроссель, первый полумост и второй полумост. Каждый полумост имеет плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод, выполненный с возможностью подключения к плюсовому выводу, либо к минусовому выводу. Минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, переключаемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с переключаемым выводом второго полумоста, плюсовые и минусовые выводы первого и второго полумостов являются силовыми выводами двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя. Каждый полумост содержит два последовательно соединенных электронных ключа, выполненных на основе транзисторов, затворы которых связаны с блоком управления. Первый полумост плюсовым и минусовым выводами параллельно соединен с перезаряжаемым источником тока, а второй - с бортовой сетью автомобиля. В качестве перезаряжаемого источника тока может использоваться ультраконденсатор, либо аккумуляторная батарея.
Данные устройства обеспечивают регулирование величины тока заряда/разряда перезаряжаемого источника тока, что позволяет накапливать и отдавать электрическую энергию и соответствует назначению заявляемой полезной модели, однако в их описании не раскрыта схема блока управления двунаправленного понижающе- повышающего преобразователя.
Принцип действия блока управления у большинства двунаправленных понижающе-повышающих преобразователей (см. например: Control circuit and method for maintaining high efficiency in a buck-boost switching regulator / Dwelley et al. // U.S. Pat. N_> 6,166,527 - Dec. 26, 2000) основан на анализе величин напряжения на его силовых выводах, по результатам которого выбирается режим работы (понижающий, повышающий или понижающе-повышающий). Понижающе-повышающий режим работы возникает, когда величины входного и выходного напряжений на силовых выводах преобразователя приблизительно одинаковы, и на основе их анализа невозможно сделать однозначный выбор между понижающим и повышающим режимами работы. Понижающе-повышающий режим работы вызывает избыточные коммутации электронных ключей преобразователя, что ведет к дополнительным потерям энергии. Устройство для накопления электрической энергии должно обеспечивать минимальные потери энергии, поэтому возникновение в нем понижающе-повышающего режима работы нежелательно.
Известен блок управления двунаправленного понижающе- повышающего преобразователя (Hysteretic controlled buck-boost converter / Qiu et al. // U.S. Pat. Jfs 8,330,435 B2 - Dec. 11, 2012), содержащий: первый вход, на который подается напряжение с выхода датчика тока дросселя; второй вход, на который подается напряжение ошибки; множество плавающих сигналов, каждый из которых смещен относительно напряжения ошибки на определенную величину.
Блок управления осуществляет выбор режима работы преобразователя на основе сравнения величины тока дросселя с плавающими сигналами, что позволяет исключить понижающе- повышающий режим работы и тем самым уменьшить потери энергии. Недостатком данного блока управления является сложность его схемы, связанная с необходимостью формирования множества плавающих сигналов.
В качестве прототипа выбрано наиболее близкое по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению устройство для накопления электрической энергии на основе двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя (Bidirectional buck-boost converter / Esser // U.S. Pat. N2 5,734,258 - Mar. 31, 1998). Данное устройство содержит интерфейсные силовые выводы, перезаряжаемый источник тока, первый полумост, второй полумост, дроссель с датчиком тока дросселя и блок управления, причем каждый полумост имеет входы управления, плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод, выполненный с возможностью подключения к плюсовому либо минусовому выводу по сигналам на входах управления; первый полумост плюсовым и минусовым выводами параллельно соединен с перезаряжаемым источником тока, минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, переключаемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с переключаемым выводом второго полумоста, плюсовой и минусовой выводы которого являются интерфейсными силовыми выводами. Каждый полумост содержит два последовательно соединенных электронных ключа, выполненных на основе транзисторов, затворы которых являются входами управления полумоста; каждый электронный ключ шунтирован обратно включенным диодом. В качестве перезаряжаемого источника тока используется батарея электрохимических конденсаторов.
В описании прототипа не раскрыта схема блока управления двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя, но представлен способ управления. Данный способ предусматривает выбор режима работы преобразователя в зависимости от соотношения величин напряжений на интерфейсных силовых выводах и на выводах перезаряжаемого источника тока:
- в тех случаях, когда указанные величины напряжений отличаются значительно, выбирается повышающий либо понижающий режим, характеризующиеся тем, что переключаемый вывод одного из полумостов постоянно подключен к его плюсовому выводу, а переключаемый вывод другого полумоста периодически переключается между его плюсовым и минусовым выводами;
- в тех случаях, когда указанные величины напряжений отличаются незначительно, выбирается понижающе-повышающий режим, характеризующийся тем, что переключаемые выводы обоих полумостов периодически переключается между их плюсовым и минусовым выводами.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
- понижающе-повышающий режим ведет к дополнительным потерям энергии из-за периодического переключения обоих полумостов; - необходимость выбора режима работы в зависимости от соотношения величин напряжений на интерфейсных силовых выводах и на выводах перезаряжаемого источника тока приводит к усложнению блока управления преобразователя.
Заявленное устройство предназначено для подключения интерфейсными силовыми выводами к электрической сети постоянного тока и регулирования потока электрической энергии через интерфейсные силовые выводы в целях её накопления и возврата для питания перемежающихся нагрузок большой мощности.
Задача заявленного устройства заключается в уменьшении потерь энергии и упрощении устройства.
Технический результат состоит в минимизации количества переключений при работе устройства и количества элементов и связей.
Технический результат достигается тем, что в заявленном устройстве для накопления электрической энергии, содержащем интерфейсные силовые выводы, перезаряжаемый источник тока, первый полумост, второй полумост, дроссель с датчиком тока дросселя и блок управления, причем каждый полумост имеет вход управления, плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод, выполненный с возможностью подключения к плюсовому либо минусовому выводу по сигналу на входе управления, первый полумост плюсовым и минусовым выводами параллельно соединен с перезаряжаемым источником тока, минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, переключаемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с переключаемым выводом второго полумоста, плюсовой и минусовой выводы которого являются интерфейсными силовыми выводами, согласно изобретения, блок управления имеет задающий вход и содержит первый триггер Шмитта, выход которого связан с входом управления первого полумоста, второй триггер Шмитта, выход которого связан с входом управления второго полумоста и сумматор, выход которого связан с входами первого и второго триггеров Шмитта, первый вход сумматора связан с выходом датчика тока дросселя, а второй вход сумматора является задающим входом блока управления.
Каждый полумост выполнен с возможностью подключения переключаемого выхода к плюсовому выводу по сигналу Н на входе управления, и к минусовому выводу по сигналу L на входе управления, первый триггер Шмитта имеет пороговые уровни Ui и U 2 переключения выхода в состояния Н и L соответственно, второй триггер Шмитта имеет пороговые уровни U3 и U4 переключения выхода в состояния Н и L соответственно.
Пороговые уровни триггеров Шмитта удовлетворяют неравенствам:
U 4 < U 3 < U 2 , (2)
при условии, что выходной сигнал датчика тока дросселя принят положительным, если ток дросселя протекает в направлении от переключаемого вывода первого полумоста к переключаемому выводу второго полумоста.
Пороговые уровни триггеров Шмитта удовлетворяют неравенствам:
U 4 > U ! > U 2 , (3)
U 4 > U 3 > U 2 , (4)
при условии, что выходной сигнал датчика тока дросселя принят положительным, если ток дросселя протекает в направлении от переключаемого вывода второго полумоста к переключаемому выводу первого полумоста.
Неравенства (1,2) или (3,4) описывают эквивалентные варианты осуществления заявляемого устройства (выбор неравенств зависит от направления тока дросселя, условно принятого положительным). Перезаряжаемый источник тока может быть выполнен в виде батареи электрохимических конденсаторов.
Перезаряжаемый источник тока может быть выполнен в виде аккумуляторной батареи.
Ниже описано влияние существенных признаков заявляемого устройства на достижение технического результата.
Совокупность существенных признаков заявленного устройства: "первый полумост, второй полумост, дроссель и блок управления; каждый полумост имеет вход управления, плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод, выполненный с возможностью подключения к плюсовому либо минусовому выводу по сигналу на входе управления; минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, переключаемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с переключаемым выводом второго полумоста" описывает двунаправленный понижающе-повышающий преобразователь.
Существенные признаки заявленного устройства: "блок управления имеет задающий вход и содержит первый триггер Шмитта, выход которого связан с входом управления первого полумоста, второй триггер Шмитта, выход которого связан с входом управления второго полумоста и сумматор, выход которого связан с входами первого и второго триггеров Шмитта, первый вход сумматора связан с выходом датчика тока дросселя, а второй вход сумматора является задающим входом блока управления" обеспечивают возможность регулирования тока, протекающего через дроссель двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя в соответствии с поставленной задачей: уменьшение потерь электрической энергии.
Возможность регулирования тока, протекающего через дроссель двунаправленного понижающе-повышающего преобразователя, в совокупности с признаками: "параллельное соединение первого полумоста с перезаряжаемым источником тока; плюсовой и минусовой выводы второго полумоста являются интерфейсными силовыми выводами" обеспечивает работу заявленного устройства в соответствии с назначением и достигаемым техническим результатом: регулирование потока электрической энергии через интерфейсные силовые выводы в целях её накопления и возврата для питания перемежающихся нагрузок большой мощности с минимизацией количества переключений и количества элементов и связей.
Совокупность существенных признаков: «каждый полумост выполнен с возможностью подключения переключаемого выхода к плюсовому выводу по сигналу Н, либо к минусовому выводу по сигналу L на входе управления; первый триггер Шмитта имеет пороговые уровни Ui и U 2 переключения выхода в состояния Н и L соответственно; второй триггер Шмитта имеет пороговые уровни U 3 и U 4 переключения выхода в состояния Н и L соответственно; пороговые уровни триггеров Шмитта удовлетворяют неравенствам (1,2) при условии, что выходной сигнал датчика тока дросселя принят положительным, если ток дросселя протекает в направлении от переключаемого вывода первого полумоста к переключаемому выводу второго полумоста; пороговые уровни триггеров Шмитта удовлетворяют неравенствам (3,4) при условии, что выходной сигнал датчика тока дросселя принят положительным, если ток дросселя протекает в направлении от переключаемого вывода второго полумоста к переключаемому выводу первого полумоста» обеспечивает минимизацию количества переключений при работе заявленного устройства.
Минимизация количества переключений обусловлена тем, что работа в понижающе-повышающем режиме исключена, так как выполнение неравенств (1,2) и неравенств (3,4) обеспечивает однозначный выбор между понижающим и повышающим режимами. При одновременной подаче сигналов Н на логические входы управления обоих полумостов возрастание тока дросселя в точности соответствует понижающему режиму работы преобразователя, а убывание тока - повышающему режиму работы преобразователя.
Минимально возможная частота переключений соответствует максимально допустимому уровню пульсаций тока дросселя, который задается пороговыми уровнями Ui и U2 в понижающем режиме работы, либо пороговыми уровнями U3 и U4 в повышающем режиме работы.
Эти же признаки одновременно обеспечивают упрощение устройства, так как отсутствует необходимость в элементах и связях для анализа величин напряжений на выводах преобразователя.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами.
Фиг. 1 содержит блок-схему устройства.
Фиг. 2 содержит передаточную характеристику TSI(UE) первого триггера Шмитта и передаточную характеристику TS2(u s ) второго триггера Шмитта.
Фиг. 3 иллюстрирует работу устройства и содержит временные диаграммы:
- диаграмма сигнала ιι Σ (ι) на выходе сумматора;
- диаграмма сигнала TSi(t) на выходе первого триггера Шмитта;
- диаграмма сигнала TS2(t) на выходе второго триггера Шмитта.
Устройство для накопления электрической энергии содержит интерфейсные силовые выводы 1 и 2, перезаряжаемый источник тока З, первый полумост 4, второй полумост 5, дроссель 6 с датчиком 7 тока i дросселя и блок управления. Блок управления имеет задающий вход 8 и содержит первый триггер Шмитта 9, второй триггер Шмитта 10 и сумматор 11.
Каждый полумост 4 и 5 выполнен с возможностью подключения переключаемого выхода к плюсовому выводу по сигналу Н на входе управления, либо к минусовому выводу по сигналу L на входе управления. Полумосты 4 и 5 построены по общеизвестной схеме: каждый полумост содержит два последовательно соединенных электронных ключа, выполненных на основе полевых или IGBT транзисторов, затворы которых через драйверы и логические элементы связаны с входом управления полумоста; каждый транзистор шунтирован обратно включенным диодом. Первый полумост 4 плюсовым и минусовым выводами параллельно соединен с перезаряжаемым источником тока 3, минусовой вывод первого полумоста 4 соединен с минусовым выводом второго полумоста 5, переключаемый вывод первого полумоста 4 через дроссель 6 соединен с переключаемым выводом второго полумоста 5, плюсовой и минусовой выводы которого являются интерфейсными силовыми выводами 1 и 2.
Выход первого триггера Шмитта 9 связан с входом управления первого полумоста 4. Выход второго триггера Шмитта 10 связан с входом управления второго полумоста 5. Выход сумматора 11 связан с входами триггеров Шмитта 9 и 10. Первый вход сумматора 1 1 связан с выходом датчика 7 тока дросселя, а второй вход сумматора 1 1 является задающим входом 8 блока управления.
Перезаряжаемым источником тока 3 является любой двухполюсник, способный накапливать энергию при протекании зарядного тока и отдавать энергию при протекании разрядного тока, например, аккумуляторная батарея или батарея электрохимических конденсаторов (ультраконденсатор) .
Работа заявленного устройства рассматривается на примере использования ультраконденсатора.
Условные допущения:
- ток i дросселя 6 принят положительным, если протекает в направлении от переключаемого вывода первого полумоста 4 к
переключаемому выводу второго полумоста 5 (положительное направление тока i на фиг. 1 указано стрелкой); - сигнал u(i) на выходе датчика 7 является линейной возрастающей функцией от тока i;
напряжения измеряются относительно точки соединения минусовых выводов первого и второго полумостов, если напряжение на плюсовом выводе первого полумоста превышает напряжение на плюсовом выводе второго полумоста, то режим работы считается понижающим, в противном случае - повышающим;
- состояния заявленного устройства обозначены как: НН, LH, HL, где первый символ соответствует состоянию выхода первого триггера Шмитта 9, а второй символ соответствует состоянию выхода второго триггера Шмитта 10.
Предположим, что устройство находится в состоянии НН, при этом положение ключей полумостов 4, 5 соответствует представленному на фиг. 1 : плюсовой вывод первого полумоста 4 подключен через дроссель 6 к плюсовому выводу второго полумоста 5. В состоянии НН ток i дросселя 6 в понижающем режиме возрастает, а в повышающем - убывает. Изменение тока i дросселя влечет за собой соответствующее изменение сигнала , = u ref + u(i) на выходе сумматора 11 и на входах триггеров Шмитта 9, 10. Передаточные характеристики TSi(u £ ), TS 2 (us) триггеров Шмитта 9, 10 (фиг. 2) определяют для сигнала ιι Σ окно U4 и 2 , за пределами которого невозможно состояние НН. В соответствии с характеристиками TSi(u s ), TS 2 (u s ), выход сигнала ιι Σ за пределы окна U4 U 2 вызывает переход в состояние LH в понижающем режиме, либо в состояние HL в повышающем режиме. Таким образом действует отрицательная обратная связь, которая удерживает величину сигнала ιι Σ в границах окна U 4 U2. Следовательно, изменяя сигнал u ref на задающем входе 8 можно изменять сигнал u(i), то есть, управлять током i дросселя.
Если задать отрицательный ток i дросселя, то ультраконденсатор 3 будет заряжаться; положительный ток i дросселя ведет к разряду ультраконденсатора 3.
Работа устройства поясняется далее на примере разряда ультраконденсатора 3 в соответствии с временными диаграммами (фиг. 3).
Непосредственно перед наступлением момента времени ti :
- ультраконденсатор 3 заряжен и напряжение на нем соответствует понижающему режиму;
- устройство находится в состоянии НН (TSi(t)=H, TS 2 (t)=H);
- ток i дросселя и сигнал ιι Σ (ι) возрастают.
В момент времени tj сигнал ιι Σ (ι) достигает значения U 2 - первый триггер Шмитта 9 переключается и сигнал TSj(t) переходит в состояние L.
В интервале времени tj 1 2 устройство находится в состоянии LH:
- переключаемый вывод первого полумоста 4 подключен к его минусовому выводу;
- ток i дросселя и сигнал ιι Σ (ι) убывают;
- в момент времени t 2 сигнал ιι Σ (ι) достигает значения Ui - первый триггер Шмитта 9 переключается и сигнал TSi(t) вновь переходит в состояние Н.
Циклы переключений в понижающем режиме повторяются до момента времени t 3 .
В интервале времени t 3 + 14 устройство находится в состоянии НН, но из-за разряда ультраконденсатора 3 напряжение на нем становится ниже, чем на плюсовом выводе второго полумоста 5, что соответствует переходу в повышающий режим:
- ток i дросселя и сигнал ιι Σ (ΐ) начинают снижаться;
- в момент времени t4 сигнал ιι Σ (χ) достигает значения U4 - второй триггер Шмитта 10 переключается и сигнал TS 2 (t) переходит в состояние L. В интервале времени U устройство находится в состояние HL:
- переключаемый вывод второго полумоста 5 подключен к его минусовому выводу; - ток i дросселя и сигнал ιι Σ (ΐ) возрастают;
- в момент времени t 5 сигнал ιι Σ (ί) достигает значения U 3 - второй триггер Шмитта 10 переключается и сигнал TS2(t) переходит в состояние Н.
Далее циклы переключений повторяются в повышающем режиме и разряд ультраконденсатора 3 продолжается.
Рассмотренный пример показывает, что заявляемое устройство обеспечивает однозначный выбор между понижающим и повышающим режимами работы без перехода в понижающе-повышающий режим. Максимально допустимый уровень пульсаций тока i дросселя 6 задается передаточными характеристиками TSi(u s ), TS2(u s ) триггеров Шмитта 9, 10. При этом обеспечивается минимально возможная частота переключений, что соответствует поставленной технической задаче уменьшения потерь энергии.
Блок управления содержит меньшее количество элементов и связей, чем у известных устройств, что обеспечивает упрощение конструкции заявляемого устройства.