Патент на изобретение №2306652

(54) ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам электроснабжения автономных объектов, в частности космических аппаратов. Технический результат – повышение надежности работы зарядно-разрядного устройства путем обеспечения защиты цепей источника питания и аккумуляторной батареи от коротких замыканий в отдельных ячейках. Зарядно-разрядное устройство содержит первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы, дроссель, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения источника питания и нагрузки, а выводы второго конденсатора фильтра для подключения аккумуляторной батареи, при этом устройство выполнено на «n» однотипных силовых ячейках, содержащих каждая также первый и второй МДП-транзисторы, первый и второй конденсаторы фильтра, дроссель, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения источника питания и нагрузки, а выводы второго конденсатора фильтра для подключения аккумуляторной батареи, в каждой из ячеек в цепи выводов первого и второго конденсаторов фильтра включены дополнительно третий и четвертый МДП-транзисторы того же типа проводимости и два датчика тока с пороговым устройством, выход первого порогового устройства соединен с входом третьего МДП-транзистора, а выход второго соединен со входом четвертого МДП-транзистора. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам электроснабжения автономных объектов, например космических аппаратов, используемых в качестве накопителей энергии аккумуляторные батареи. К таким СЭС предъявляются очень жесткие требования по надежности и ресурсу, в частности, одним из требований является обеспечение работоспособности СЭС при единичном отказе любого электроэлемента или обрыве провода.

Эта задача обычно решается введением избыточности путем выполнения силового регулирующего элемента в виде «n» параллельно включенных маломощных устройств, выполненных на однотактных схемах непосредственного преобразовании энергии с промежуточным накоплением энергии в дросселе. Современные достижения в области МДП-транзисторов и диодов Шоттки позволяют получить кпд преобразования 0,95-0,97 при минимальных массах и габаритах, а параллельное включение «n» маломощных устройств позволяет обеспечить требуемую установленную мощность зарядно-разрядного устройства (патент РФ №2165669, H02J 7/10).

Наиболее близким к заявляемому зарядно-разрядному устройству является зарядно-разрядное устройство, выполненное на однотипных ячейках, содержащих первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы и диоды, сток и катод первых из которых подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, их исток и анод соединены с первым выводом дросселя и стоком и катодом вторых транзистора и диода, анод которых подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы второй вывод дросселя соединен с первым выводом второго конденсатора, причем выводы первого конденсатора предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора – для подключения источника питания и нагрузки (П.Четти, Проектирование ключевых источников электропитания, Москва, Энергоатомиздат, 1990, стр.202-211).

Однако такое зарядно-разрядное устройство не обладает необходимой надежностью из-за невозможности резервирования всех силовых электроэлементов и конденсаторов фильтра по причине резкого увеличения массы и снижения кпд преобразования. Использование же для целей защиты цепей от коротких замыканий плавких вставок затруднительно по причине их низких рабочих напряжений (не более 36 В) в условиях глубокого вакуума и невесомости и недостаточных значений разрывного тока для коммутации мощностей порядка 500-1000 Вт.

Задачей, на решение которой направлено создание настоящего изобретения, является повышение надежности работы зарядно-разрядного устройства путем обеспечения защиты цепей источника питания и аккумуляторной батареи от коротких замыканий в отдельных ячейках.

Поставленная задача решается тем, что зарядно-разрядное устройство содержит первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы, сток первого из которых подсоединен к первому выводу первого конденсатора фильтра, а исток соединен с первым выводом дросселя и стоком второго транзистора, исток которого подсоединен ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, второй вывод дросселя соединен с первым выводом второго конденсатора, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения источника питания и нагрузки, а выводы второго конденсатора фильтра для подключения аккумуляторной батареи, причем устройство выполнено на “n” однотипных силовых ячейках, содержащих первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы, сток первого из которых подсоединен к первому выводу первого конденсатора фильтра, а исток соединен с первым выводом дросселя и стоком второго транзистора, исток которого подсоединен ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, второй вывод дросселя соединен с первым выводом второго конденсатора, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения источника питания и нагрузки, а выводы второго конденсатора фильтра для подключения аккумуляторной батареи, в каждой из ячеек в цепи выводов первого и второго конденсаторов фильтра включены дополнительно третий и четвертый МДП-транзисторы того же типа проводимости и два датчика тока с пороговым устройством, выход первого порогового устройства соединен с входом третьего МДП-транзистора, а выход второго соединен со входом четвертого МДП-транзистора.

На чертеже представлена схема зарядно-разрядного устройства. Устройство содержит два однотактных преобразователя, один из которых – повышающий предназначен для разряда аккумуляторной батареи от источника постоянного напряжения, а второй – понижающий предназначен для заряда аккумуляторной батареи.

Устройство в каждой из «n» ячеек содержит первый 9 и второй 10 конденсаторы фильтра, первый 5 и второй 4 МДП-транзисторы, дроссель 6, дополнительные третий 8 и четвертый 7 МДП-транзисторы того же типа проводимости и два датчика тока 11, 12 с пороговым устройством 13, 14 соответственно каждый. К устройству подключены аккумуляторная батарея 1, источник постоянного напряжения 2 и нагрузка 3.

Устройство работает следующим образом. Транзисторы коммутаторов зарядного и разрядного токов 8 и 7 в исходном состоянии постоянно открыты сигналам от пороговых устройств 13 и 14, обеспечивая протекание тока в цепях источника постоянного напряжения 2 и аккумуляторной батареи 1 в двух направлениях. Транзисторы преобразователей 5 и 4 управляются ШИМ-сигналами. Коэффициент заполнения импульсов ШИМ-сигнала у зарядного преобразователя изменяется от 0 до 1 (ШИМ 1), а у разрядного от 0 до 0,5 (ШИМ 2).

В режиме разряда на нагрузку 3 транзистор 5 постоянно закрыт, а транзистор 4 управляется сигналом ШИМ 2, образуя при этом совместно с диодом транзистора 4 и дросселем 6 повышающий разрядный преобразователь.

При повышении токов силовой ячейки в цепях источника постоянного напряжения 2 или аккумуляторной батареи 1 значений, допустимых для рабочих токов (по причине короткого замыкания в транзисторах 5, 4 или конденсаторах 9, 10 одной из ячеек), пороговые устройства 13, 14 формируют запирающие сигналы транзисторам 8 и 7, которые соответственно разрывают цепь зарядного (транзистор 5) или разрядного (транзистор 4) каналов, тем самым исключая силовую ячейку из работы зарядно-разрядного устройства.

Фактически цепь датчик тока – пороговое устройство и транзисторный коммутатор является электронным предохранителем, защищающим цепь от превышений тока и тем самым повышающим надежность устройства. Предлагаемое техническое решение защиты зарядного и разрядного каналов от превышений тока предполагается к использованию в перспективных системах электроснабжения космических аппаратов с повышенным напряжением (40-120 В).

Формула изобретения

Зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы, сток первого из которых подсоединен к первому выводу первого конденсатора фильтра, а исток соединен с первым выводом дросселя и стоком второго транзистора, исток которого подсоединен ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, второй вывод дросселя соединен с первым выводом второго конденсатора, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения источника питания и нагрузки, а выводы второго конденсатора фильтра – для подключения аккумуляторной батареи, отличающееся тем, что оно выполнено на «n» однотипных силовых ячейках, содержащих первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы, сток первого из которых подсоединен к первому выводу первого конденсатора фильтра, а исток соединен с первым выводом дросселя и стоком второго транзистора, исток которого подсоединен ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, второй вывод дросселя соединен с первым выводом второго конденсатора, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения источника питания и нагрузки, а выводы второго конденсатора фильтра – для подключения аккумуляторной батареи, в каждой из ячеек в цепи выводов первого и второго конденсаторов фильтра включены дополнительно третий и четвертый МДП-транзисторы того же типа проводимости и два датчика тока с пороговым устройством, выход первого порогового устройства соединен с входом третьего МДП-транзистора, а выход второго соединен со входом четвертого МДП-транзистора.

РИСУНКИ