Электрическая схема для обеспечения работы зарядных устройств в параллельном режиме

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТЫ ЗАРЯДНЫХ УСТРОЙСТВ В ПАРАЛЛЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ Изобретение относится к электрической схеме для обеспечения работы зарядных устройств для аккумуляторных батарей в параллельном режиме, отличающейся тем, что каждое зарядное устройство (Ch1, Ch2, , Chn) для аккумуляторных батарей содержит последовательно с линией тока по меньшей мере один электролитический конденсатор (C1, C2, , Cn), индуктивность (L1,L2, , Ln) и по меньшей мере одно полупроводниковое средство (D1, D2, , Dn), открытое в направлении зарядного тока, причем выводы зарядных устройств для аккумуляторных батарей соединены параллельно друг с другом, и для каждого зарядного устройства (Ch1, Ch2, , Chn) для аккумуляторных батарей сумма мгновенных напряжений на электролитическом конденсаторе(C1, C2, , Cn) и на индуктивности (L1, L2, , Ln) достигает мгновенного напряжения на выводах аккумуляторной батареи, по меньшей мере, в течение зарядного периода, и в течение этого зарядного периода или его части ток разрядки электролитического конденсатора (C1, C2, , Cn) течет в аккумуляторной батарее (В), подлежащей зарядке. 017454 Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к электрической схеме для обеспечения работы зарядных устройств для аккумуляторных батарей в параллельном режиме, каждое из которых выполнено для работы с соответствующей заданной зарядной мощностью и питается от сетевого источника переменного тока, причем каждое из зарядных устройств для аккумуляторных батарей содержит соответствующие пары выводов постоянного тока для соединения с аккумуляторной батареей, подлежащей зарядке, и между парами выводов может быть измерена периодическая последовательность пульсирующего напряжения постоянного тока, причем импульсы данной последовательности образуются в соответствии с импульсами питающего переменного тока, а максимальные значения пульсирующего напряжения постоянного тока больше номинального напряжения на выводах аккумуляторной батареи, подлежащей зарядке. Предшествующий уровень техники Для потребителей, использующих большое количество аккумуляторных батарей, возникает сложность из-за необходимости использования зарядных устройств для аккумуляторных батарей, выполненных таким образом, что зарядная мощность должна соответствовать зарядной емкости используемых аккумуляторных батарей. Производители зарядных устройств для аккумуляторных батарей продают зарядные устройства с различными номинальными мощностями. Требуемая потребителями общая зарядная мощность часто изменяется, и не существует практического решения, обеспечивающего повышение доступной зарядной мощности путем параллельного соединения доступных зарядных устройств для аккумуляторных батарей, либо такие решения имеют несколько ограничений. Причину такой сложности объединения мощности нескольких отдельных зарядных устройств легко понять, так как традиционные зарядные устройства для аккумуляторных батарей выполняются как источники напряжения постоянного тока, а напряжение на выводах изменяется с нагрузкой в узком диапазоне. Мощность, которую можно получить от зарядного устройства для аккумуляторных батарей, по существу, определяется разностью напряжения между номинальным выходным напряжением аккумуляторной батареи и фактическим напряжением на выводах аккумуляторной батареи при зарядке. Если напряжение аккумуляторной батареи выше номинального выходного напряжения схемы зарядного устройства, то зарядный ток быстро уменьшается, а в обратном случае зарядный ток быстро увеличивается. Если для зарядки аккумуляторной батареи необходима мощность, например, 10 кВт и эта мощность обеспечивается параллельным соединением трех зарядных устройств номинальной мощностью 5, 3 и 2 кВт соответственно, то необходимо обеспечить одинаковые вольтамперные характеристики всех параллельно соединенных зарядных устройств. При перегрузке любого из зарядных устройств и невозможности обеспечения этим устройством установленного для него тока другие зарядные устройства также будут перегружены и прекратят работу или выйдут из строя. Зарядные устройства, выполненные как источники тока, могут быть соединены параллельно лишь временно при дополнительном использовании соответствующих схем управления и контроля, которые создают серьезное ограничение для гибкого использования зарядных устройств, а из-за необходимости сложного управления увеличивают инвестиционные расходы. В патенте США 7135836 описан пример указанного выше типа параллельного соединения зарядных устройств для аккумуляторных батарей, в котором используется главный блок управления для контроля соответствующих зарядных устройств, которые регулируются главным блоком управления в соответствии с измеренными зарядными параметрами. В этой электрической схеме все используемые схемы зарядных устройств имеют одинаковую номинальную мощность и исполнение, а выводы зарядных устройств соединяются параллельно с помощью управляемых ключей только на промежутки времени, определяемые блоком управления, а не постоянно, что можно было ожидать на основе описания их параллельной работы. Известны другие схемы зарядных устройств для аккумуляторных батарей, которые имеют внутреннее исполнение, которое не может быть отнесено к типу зарядных устройств, выполненных как источники напряжения. В схемах зарядных устройств для аккумуляторных батарей, описанных в международной публикации WO 01/06614, мгновенное зарядное напряжение обеспечивалось векторной суммой энергий заряженного конденсатора и находящейся под напряжением индуктивности. Эта находящаяся под напряжением индуктивность была реализована вторичной обмоткой сетевого трансформатора. В данной схеме используются оба полупериода сетевого напряжения и обеспечивается характерный процесс зарядки с большим выходным током, Благодаря тому, что одна составляющая выходного напряжения является напряжением одного или более заряженных конденсаторов, обеспечивается определенная гибкость зарядки, так как любое короткое замыкание аккумуляторной батареи, подлежащей зарядке, не повредит работе схемы, а напряжение на выводах аккумуляторной батареи может должным образом регулировать процесс зарядки. Подобные другие схемы зарядных устройств для аккумуляторных батарей описаны тем же изобретателем в трех находящихся на рассмотрении заявках на патент, озаглавленных "Схема зарядного устройства для аккумуляторных батарей", "Зарядное устройство для аккумуляторных батарей, работающее от трехфазной сети" и "Зарядная схема для зарядки двух аккумуляторных батарей". Исполнение этих зарядных схем подобно исполнению в этой публикации, так как последовательно с линиями зарядного-1 017454 тока они содержат один или более электролитических конденсаторов с заданным зарядом и находящуюся под соответствующим напряжением индуктивность, предпочтительно вторичную обмотку трансформатора и по меньшей мере один диод. Сущность изобретения Целью изобретения является создание электрической схемы для обеспечения параллельного соединения схем зарядных устройств для аккумуляторных батарей, в которой соответствующие схемы зарядных устройств вносят вклад в процесс зарядки в соответствии с их конкретной номинальной мощностью,а указанные выше проблемы, вызванные параллельным соединением схемы зарядного устройства, отсутствуют. Для достижения этой цели изобретателем установлено, что описанные выше проблемы традиционных зарядных устройств для аккумуляторных батарей связаны с исполнением таких зарядных устройств как источников напряжения, и поэтому они не могут быть полностью устранены. В соответствии с изобретением изобретателем установлено, что при использовании зарядных устройств для аккумуляторных батарей, содержащих электролитический конденсатор и индуктивность в главной зарядной схеме, величина выходного напряжения может лишь регулировать процесс зарядки, но не ограничивает этот процесс в такой же степени, как при использовании зарядных устройств для аккумуляторных батарей, выполненных как источники напряжения. В зарядных устройствах для аккумуляторных батарей предыдущего исполнения, т.е. содержащих конденсатор последовательно с индуктивностью, напряжение аккумуляторной батареи при зарядке поддерживает выходное напряжение постоянным в короткие зарядные периоды, поэтому увеличение напряжения на индуктивности (т.е. на вторичной обмотке трансформатора) равно уменьшению напряжения на заряженном конденсаторе, при этом величина зарядного тока определяется совокупностью уменьшения заряда конденсатора и преобразованной энергии индуктивности. Поэтому указанные выше зарядные устройства для аккумуляторных батарей "перекачивают" зарядную энергию в аккумуляторную батарею в течение соответствующих зарядных периодов. В течение зарядных периодов аккумуляторные батареи можно рассматривать как линейные элементы, причем напряжение аккумуляторной батареи не меняется в течение полного периода или половины периода переменного напряжения сети (например, в течение 20 или 10 мс). Соответствующие зарядные токи параллельно соединенных зарядных устройств для аккумуляторных батарей накладываются друг на друга (если их соответствующие зарядные периоды накладываются или перекрываются), поэтому эти зарядные устройства для аккумуляторных батарей работают как независимые друг от друга. С учетом сказанного выше и с использованием указанных выше свойств в настоящем изобретении создана электрическая схема для обеспечения работы зарядных устройств для аккумуляторных батарей в параллельной режиме, причем каждое из указанных зарядных устройств предназначено для работы с соответствующей заданной зарядной мощностью, запитано от сетевого источника переменного тока и содержит соответствующие пары выводов постоянного тока для соединения с подлежащей зарядке аккумуляторной батареей, и между парами выводов может быть измерена периодическая последовательность пульсирующего напряжения постоянного тока, причем импульсы данной последовательности образуются в соответствии с импульсами питающего переменного тока, а максимальные значения пульсирующего напряжения постоянного тока превышают номинальное напряжение на выводах аккумуляторной батареи, подлежащей зарядке. В соответствии с изобретением каждое из зарядных устройств для аккумуляторных батарей содержит последовательно с токовой линией, направленной в направлении зарядного тока, по меньшей мере один электролитический конденсатор большой емкости, индуктивность и по меньшей мере одно полупроводниковое средство, открытое в направлении зарядного тока, при этом выводы зарядных устройств для аккумуляторных батарей соединены параллельно друг с другом, и для каждого зарядного устройства для аккумуляторных батарей в соответствующие зарядные периоды векторная сумма мгновенных напряжений на электролитическом конденсаторе и на индуктивности достигает мгновенного напряжения на выводах аккумуляторной батареи, по меньшей мере, в течение зарядного периода, определенного фактическим напряжением аккумуляторной батареи, подлежащей зарядке, и в течение этого зарядного периода или его части ток разрядки электролитического конденсатора в конкретном зарядном устройстве для аккумуляторной батареи течет в аккумуляторной батарее, подлежащей зарядке. Проще всего осуществить питание от линии сети. Другой вариант питания может быть использован в транспортных средствах, например, с использованием питания от имеющегося генератора переменного тока. С точки зрения как распределения нагрузки сети, так и сглаженной зарядки предпочтительно питать зарядные устройства для аккумуляторных батарей от разных линий фаз многофазного сетевого источника. Фактические требования зарядки могут быть обеспечены потребителем наиболее простым путем,если потребитель имеет зарядные устройства для аккумуляторных батарей с разными номинальными зарядными мощностями, которые могут быть соединены между собой в соответствии с фактической потребностью в зарядной мощности. Соединение должно быть выполнено таким образом, чтобы выбранное количество параллельно со-2 017454 единенных зарядных устройств для аккумуляторных батарей обеспечивало баланс между суммой номинальных зарядных мощностей этих зарядных устройств для аккумуляторных батарей и зарядной мощностью, требуемой для заряда аккумуляторной батареи, причем сумма мощностей должна быть больше требуемой зарядной мощности или, по меньшей мере, равна ей. Запасенной в конденсаторах энергии будет достаточно, если емкость каждого электролитического конденсатора больше 100 мкФ и предпочтительно несколько тысяч микрофарад при частоте тока питающей сети около 50/60 Гц. При увеличении частоты минимальная емкость может быть пропорционально уменьшена. Выбор необходимой емкости может быть осуществлен, если зарядное устройство для аккумуляторных батарей содержит по меньшей мере один дополнительный электролитический конденсатор подобной большой емкости и управляемый полупроводниковый ключ, подключающий этот по меньшей мере один дополнительный электролитический конденсатор параллельно к первому электролитическому конденсатору. Процесс зарядки, обеспечиваемый такими схемами зарядных устройств для аккумуляторных батарей, не зависит от питания этих зарядных устройств, и также возможно питание разных зарядных устройств из параллельных зарядных устройств для аккумуляторных батарей от разных сетевых источников переменного тока с различными частотами. Благодаря такому решению зарядное устройство для аккумуляторной батареи, питаемое, например, от линии сети, может быть соединено параллельно с другим зарядным устройством для аккумуляторной батареи, питаемым от генератора с приводом от двигателя, и это второе зарядное устройство для аккумуляторных батарей подключается, если требуемая зарядная энергия превышает энергию, которая может быть обеспечена от доступной линии сети. Краткий перечень фигур чертежей Изобретение описано ниже с использованием предпочтительных примеров осуществления со ссылками на сопроводительные графические материалы. В графических материалах: фиг. 1 представляет собой принципиальную схему нескольких зарядных устройств для аккумуляторных батарей, соединенных параллельно; фиг. 2 представляет собой кривые зависимости от времени, характерные для разных вариантов зарядки. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На фиг. 1 показаны n ветвей отдельных зарядных устройств Ch1, Ch2, Ch3, , Chn для аккумуляторных батарей, каждое из которых выполнено, как в указанной выше международной публикацииWO 01/06614, и зарядные устройства генерируют соответствующие последовательные пары зарядных импульсов в каждый период переменного сетевого напряжения для аккумуляторной батареи, подлежащей зарядке. Для лучшей наглядности зарядные устройства Ch1, Ch2, Ch3, , Chn для аккумуляторных батарей показаны схематично элементами, выполненными в главной зарядной схеме, т.е. электролитическими конденсаторами C1, C2, C3, , Cn с большой емкостью (например, более 100 мкФ), последовательными индуктивностями L1, L2, L3, , Ln, диодами D1, D2, D3, , Dn, которые все смещены в прямом направлении зарядным током. Если, например, сравнивать зарядное устройство Ch1 для аккумуляторных батарей со схемой, показанной на фиг. 7 указанной выше публикации, то конденсатор С 1 на фиг. 1 соответствует последовательному конденсатору C1 или C2 на фиг. 7, а индуктивность L1 соответствует индуктивности вторичной обмотки трансформатора Tr, напряжение которого обеспечивается преобразованной энергией. Диод D1 является одним из смещенных в прямом направлении диодов моста, соединенного по схеме Грэтца. В целом два электролитических конденсатора и два диода соединены параллельно с индуктивностью, но для лучшей наглядности эти элементы представлены на чертеже одним элементом. На фиг. 1 показано, что зарядные устройства Ch1, Ch2, Ch3, , Chn для аккумуляторных батарей просто соединены параллельно друг с другом и подключены непосредственно к аккумуляторной батарее В, подлежащей зарядке. Это параллельное соединение может быть реализовано без каких-либо сложностей, а проблемы,подробно описанные в связи с зарядными устройствами для аккумуляторных батарей, выполненными как источники напряжения, не возникают. Работа описана с помощью кривых на фиг. 2. Несмотря на то что каждое из указанных выше зарядных устройств генерирует импульсы тока, которые изменяются со временем, как описано в указанной публикации, причем как форма, так и величина импульсов зависят от напряжения UB на выводах аккумуляторной батареи В, подлежащей зарядке, на кривых на фиг. 2 показаны упрощенные импульсы тока, а не реальные формы, так как для понимания настоящего изобретения не обязательно знать фактические формы кривых. На фиг. 2a) показана форма выпрямленного сетевого напряжения на индуктивности L1 зарядного устройства Ch1 для аккумуляторных батарей при использовании двухполупериодного выпрямления. При частоте сети 50 Гц длительность полного периода (или двух полупериодов) составляет 20 мс. При должной настройке зарядного устройства Ch1 для аккумуляторных батарей зарядное устройство Ch1 подает импульсы зарядного тока, когда выпрямленное сетевое напряжение превышает пороговый уровень Uth. Выходной импульс тока зарядного устройства Ch1 для аккумуляторных батарей показан на фиг. 2b) как-3 017454 импульс I1. Предположим, что второе зарядное устройство Ch2 для аккумуляторных батарей генерирует свой собственный выходной импульс тока, как и зарядное устройство Ch1 для аккумуляторных батарей,но имеет меньшую мощность, таким образом, импульс I2 имеет меньшую величину, чем импульс I1. В течение выбранных периодов сетевого напряжения эти импульсы образуются дважды, и их ширина (длительность) меньше длительности половины периода. Напряжение UB на выводах аккумуляторной батареи В не изменяется в течение выбранного короткого периода длительностью 20 мс (так как процесс зарядки аккумуляторной батареи В очень медленный по сравнению с длительностью периода, зарядка может занимать даже несколько часов), кроме того, частично заряженная аккумуляторная батарея В является линейным элементом, значит, она может принять неограниченное количество зарядного тока (в заданном диапазоне), таким образом, импульсы I1 и I2 зарядных устройств Ch1 и Ch2 для аккумуляторных батарей, оба, поступают на аккумуляторную батарею В(для ее заряда), как если бы они заряжали аккумуляторную батарею отдельно, т.е. без других зарядных устройств для аккумуляторных батарей. На фиг. 2c) показан ток I, который заряжает аккумуляторную батарею В, причем I=I1+I2, таким образом, понятно, что каждое зарядное устройство Ch1 и Ch2 для аккумуляторной батареи передает свою собственную номинальную мощность аккумуляторной батарее. Такое же линейное сложение обеспечивается при соединении дополнительных зарядных устройств Ch3, , Chn для аккумуляторных батарей параллельно с параллельной группой первого и второго зарядных устройств Ch1 и Ch2 для аккумуляторных батарей. При использовании зарядных устройств для аккумуляторных батарей, выполненных как источники напряжения, проблема заключалась в том, что напряжения UL1 и UL2, образующиеся на индуктивностяхL1 и L2, были разными, поэтому либо между ними возникал уравнительный ток, либо для зарядки использовался только источник с большим напряжением, а другое зарядное устройство для аккумуляторной батареи (с меньшим напряжением) не работало. В настоящем изобретении баланс напряжений обеспечивается автоматически с помощью электролитических конденсаторов C1 и C2. Напряжение на этих конденсаторах C1, C2 изменяется таким образом, что равенство UC1+UL1=UB=UC2+UL2 выполняется всегда. В равенстве напряжение UD1 прямого смещения диода D1 (обычно равное 0,3-0,5 В, а при последовательном соединении двух диодов в два раза большее) не учтено, но при выполнении точных вычислений также должно быть принято во внимание. Ввиду того что в начальный момент процесса зарядки конденсатор C1 уже заряжен (данный начальный заряд обеспечен зарядной схемой в течение промежутка времени между зарядными импульсами), накопленная в нем энергия добавляется к энергии зарядного импульса I1. Общее равенство для системы выглядит следующим образом:UC1+UL1=UC2+UL2=UC3+UL3==UCn+ULn. Процесс зарядки более сглаженный и равномерный при питании зарядных устройств Ch1, Ch2, Ch3 для аккумуляторных батарей от линий переменного сетевого напряжения, питаемых от соответствующих фаз трехфазного сетевого источника. На фиг. 2d) показано такое питание, причем показаны 23 полупериодов, каждый из которых сдвинут на 120 от предыдущего, и поэтому зарядные импульсы I1, , I3 также перекрывают друг друга во времени. Аккумуляторная батарея В заряжается результирующим импульсом тока I=I1+I2+I3, как показано на фиг. 2f), который немного пульсирует, но никогда не исчезает. Следует отметить, что процесс зарядки также регулируется медленно изменяющимся напряжениемUB на выводах аккумуляторной батареи В. В дополнение к этому автоматическому регулированию процесс зарядки может регулироваться несколькими способами, которые подробно описаны в указанной патентной публикации, относящейся к зарядным схемам. Из них следует отметить целесообразный способ, т.е. заключающийся в том, что емкость электролитических конденсаторов с большой емкостью (например, более 100 мкФ) может быть изменена путем добавления (или исключения) дополнительных параллельных электролитических конденсаторов. Эта возможность показана на фиг. 1 для последнего зарядного устройства Chn для аккумуляторных батарей, причем дополнительный конденсатор Cn2 (а при необходимости дополнительные конденсаторы) может быть подключен параллельно к конденсатору Cn1 с помощью полупроводникового ключа K. Полупроводниковый ключ может быть выполнен, например,как описано в международной публикации WO 2005/07888, причем последовательная индуктивность ограничивает скорость нарастания тока. Тот факт, что параллельное соединение отдельных зарядных устройств для аккумуляторных батарей не требует каких-либо специальных измерений, не означает, что медленный процесс зарядки аккумуляторной батареи В не может регулироваться при изменении ее состояния зарядки. Зарядные свойства соответствующих зарядных устройств для аккумуляторных батарей могут быть изменены отдельно, но предпочтительно согласованно. При использовании настоящего изобретения потребители более мощных аккумуляторных батарей могут получить практически неограниченную зарядную мощность с использованием сравнительно небольшого количества зарядных устройств для аккумуляторных батарей с разными номинальными мощностями. Это также является предпочтительным решением с точки зрения производителей зарядных устройств для аккумуляторных батарей, потому что зарядные устройства большой мощности могут быть получены путем использования и параллельного соединения нескольких менее мощных зарядных устройств для аккумуляторных батарей. Это может позволить производителю выпускать большее количест-4 017454 во зарядных устройств для аккумуляторных батарей, выполненных, например, с одной номинальной мощностью, тем самым затраты на единицу зарядного устройства уменьшатся с учетом большего масштаба производства. Настоящее изобретение обеспечивает многостороннюю гибкость для потребителей, с помощью которой требуемое количество зарядных устройств (с разными номинальными мощностями) для аккумуляторных батарей может быть уменьшено, и могут быть удовлетворены временные потребности. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Электрическая схема, обеспечивающая работу независимых зарядных устройств для аккумуляторных батарей в параллельном режиме, причем каждое из указанных зарядных устройств предназначено для работы с соответствующей заданной зарядной мощностью, запитано от сетевого источника переменного тока и генерирует пульсирующее выходное напряжение постоянного тока на своих выводах для соединения с подлежащей зарядке аккумуляторной батареей, отличающаяся тем, что каждое из указанных зарядных устройств (Ch1, Ch2, , Chn) для аккумуляторных батарей содержит последовательно с токовой линией, направленной в направлении зарядного тока, по меньшей мере один электролитический конденсатор (C1, C2, , Cn) большой емкости, индуктивность (L1, L2, , Ln) и по меньшей мере одно полупроводниковое средство (D1, D2, , Dn), открытое в указанном направлении зарядного тока, при этом указанные выводы указанных зарядных устройств для аккумуляторных батарей соединены параллельно друг с другом. 2. Электрическая схема по п.1, отличающаяся тем, что указанные зарядные устройства (Ch1, Ch2, ,Chn) для аккумуляторных батарей запитаны от разных линий фаз многофазного сетевого источника. 3. Электрическая схема по п.1, отличающаяся тем, что указанная заданная зарядная мощность различна для разных указанных зарядных устройств (Ch1, Ch2, , Chn) для аккумуляторных батарей. 4. Электрическая схема по п.1, отличающаяся тем, что количество параллельно соединенных зарядных устройств (Ch1, Ch2, , Chn) для аккумуляторных батарей выбрано таким образом, чтобы обеспечить баланс между суммой номинальных зарядных мощностей указанных зарядных устройств для аккумуляторных батарей и зарядной мощностью, требуемой для зарядки аккумуляторной батареи (В), причем сумма мощностей должна быть больше указанной требуемой зарядной мощности или, по меньшей мере,равна ей. 5. Электрическая схема по п.1, отличающаяся тем, что емкость каждого из указанных электролитических конденсаторов (C1, C2, , Cn) больше 100 мкФ при частоте указанного сетевого источника переменного тока около 50/60 Гц. 6. Электрическая схема по п.1, отличающаяся тем, что указанное зарядное устройство (Chn) для аккумуляторных батарей содержит по меньшей мере один дополнительный электролитической конденсатор (Cn2) большой емкости и управляемый полупроводниковый ключ (K), подключающий указанный по меньшей мере один дополнительный электролитический конденсатор (Cn2) параллельно указанному электролитическому конденсатору (Cn). 7. Электрическая схема по п.1, отличающаяся тем, что указанные параллельные зарядные устройства (Ch1, Ch2, , Chn) для аккумуляторных батарей запитаны от разных сетевых источников переменного тока с разными частотами.