PL B1. POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL BUP 11/18. RYSZARD KOPKA, Opole, PL WIESŁAW TARCZYŃSKI, Opole, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02J 7/00 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Układ do ładowania i rozładowania kondensatorów w zasobniku energii elektrycznej (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/18 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/19 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL (72) Twórca(y) wynalazku: RYSZARD KOPKA, Opole, PL WIESŁAW TARCZYŃSKI, Opole, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Wiesława Surmiak PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ do ładowania i rozładowania kondensatorów w zasobniku energii elektrycznej, a szczególnie w zasobniku z superkondensatorami. Znane są układy do ładowania i rozładowania kondensatorów w zasobniku energii elektrycznej z ogniwami połączonymi szeregowo. Każde ogniwo zawiera kondensatory, z którymi równolegle połączony jest układ równoważenia napięcia. Kondensatory połączone równolegle z układami równoważenia napięcia stanową jedno ogniwo zasobnika energii elektrycznej. Kondensatory mają różną pojemność i dlatego ładowane i rozładowane są najszybciej kondensatory o najmniejszej pojemności. Układy równoważenia napięcia na poszczególnych kondensatorach zapobiegają przekroczeniu napięcia dopuszczalnego kondensatorów w czasie ich ładowania i rozładowania. Układy równoważenia napięcia zawierają elementy półprzewodnikowe, w tym tranzystory lub diody Zenera. Układy z zastosowaniem tranzystorów pracują jako układy analogowe w układzie stabilizatora napięcia lub jako układy impulsowe. W układach impulsowych do regulacji napięcia stosowane są układy z cewkami, a tranzystor pracujący jako przełącznik regulujący wartość średnią prądu płynącego przez tranzystor, a tym samym reguluje wartość prądu płynącego przez kondensator oraz reguluje wartość napięcia na tym kondensatorze w czasie ładowania lub rozładowania. Znane układy z tranzystorami mają stosunkowo niską sprawność i skomplikowaną budowę. W znanych układach z tranzystorami, do równoważenia napięcia na kondensatorach w zasobniku energii elektrycznej, ze względu na skończoną wartość napięcia między końcówkami tranzystora przewodzącego, rozładowanie wszystkich kondensatorów jest tylko częściowe. W znanych układach z diodami Zenera połączonych równolegle z kondensatorem, po przekroczeniu napięcia Zenera, prąd ładujący kondensator płynie przez diodę Zenera spolaryzowaną w kierunku zaporowym, a w przypadku gdy kondensator jest rozładowywany i jest przeładowany, czyli zmienia polaryzację, to wtedy dioda Zenera polaryzowana jest w kierunku przewodzenia i na diodzie odkłada się napięcie typowe dla złącz p-n spolaryzowanych w kierunku przewodzenia. W znanych układach z diodami Zenera kondensatory chronione przez takie diody nie mogą być ładowane dużymi prądami, bo nie ma diod Zenera o dużej wartości prądu przewodzenia, a dodatkowo zmiana polaryzacji kondensatora przy rozładowaniu powoduje, że część energii z kondensatorów o większej pojemności jest zużywana do przeładowania kondensatorów o mniejszej pojemności i staje się wtedy energią niemożliwą do odzyskania. Jeżeli w znanych układach z tranzystorami, czy diodami Zenera, przy rozładowaniu, nie ma niebezpieczeństwa zmiany polaryzacji, co najmniej jednego kondensatora, to wtedy nie zwiera się kondensatorów, ale całkowite odzyskanie energii ze wszystkich kondensatorów nie jest możliwe. Istota układu do ładowania i rozładowania kondensatorów w zasobniku energii elektrycznej według wynalazku polega na tym, że pierwsza końcówka ogniwa połączona jest z pierwszą końcówką kondensatora, z pierwszym stykiem stycznika i z wejściem pierwszym przekładnika napięciowego napięcia stałego. Druga końcówka kondensatora połączona jest z drugim stykiem stycznika, z wejściem drugim przekładnika napięciowego napięcia stałego i z wejściem prądowym przekładnika prądowego prądu stałego. Wyjście bramki iloczynu połączone jest z wejściem załączającym stycznika. Wyjście pierwsze przekładnika prądowego prądu stałego połączone jest z wejściem pierwszym komparatora prądu, a drugie wyjście przekładnika prądowego prądu stałego połączone jest z wejściem drugim komparatora prądu i z poziomem odniesienia. Wyjście komparatora prądu połączone jest z pierwszym wejściem bramki iloczynu, której drugie wejście połączone jest z wyjściem komparatora napięcie. Pierwsze wejście komparatora napięcie połączone jest z pierwszym wyjściem przekładnika napięciowego napięcia stałego, którego drugie wyjście połączone jest z drugim wejściem komparatora napięcia i z poziomem odniesienia. Wyjście prądowe przekładnika prądowego prądu stałego stanowi drugą końcówkę ogniwa. Układ do ładowania i rozładowania kondensatorów w zasobniku energii elektrycznej według wynalazku umożliwia całkowite rozładowanie wszystkich kondensatorów połączonych szeregowo. Układ jest szczególnie przydatny, gdy zasobnik energii elektrycznej jest wykonany z superkondensatorów. Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym układ do ładowania i rozładowania kondensatorów w zasobniku energii elektrycznej. Zasobnik energii elektrycznej zawiera kondensatory o bardzo dużej pojemności tzw. superkondensatory SC, a wartość ich maksymalnego napięcia roboczego nie przekracza wartości 2.5 V. W celu

3 PL B1 3 osiągnięcia większego napięcia między końcówkami pierwszą Z1 i drugą Z2 zasobnika energii elektrycznej, superkondensatory SC połączone są szeregowo, a w celu zwiększenia pojemności zasobnika, dołączane są równolegle dodatkowe superkondensatory SC. Ponieważ nie można przekroczyć napięcia 2.5 V między końcówkami pierwszą Z1 i drugą Z2 zasobnika energii elektrycznej, dlatego do każdego superkondensatora SC dołączany jest układ równoważenia napięcia URN, zadaniem którego jest ochrona superkondensatora SC przed przekroczeniem dopuszczalnego napięcia. Superkondensator SC i układ równoważenia napięcia URN stanowią jedno ogniwo OGN zasobnika energii. Zasobnik energii elektrycznej składa się z ogniw OGNi numerowanych od 1 do n, gdzie n jest liczbą naturalną, połączonych szeregowo w taki sposób, że końcówka pierwsza 1 ogniwa pierwszego OGN1 jest końcówką pierwszą Z1 zasobnika energii elektrycznej, a końcówka druga 2 ogniwa pierwszego OGN1 połączona jest z końcówką pierwszą 1 ogniwa drugiego OGN2, zaś końcówka druga 2 ogniwa n-tego OGNn jest końcówką drugą Z2 zasobnika energii elektrycznej. W układzie do ładowania i rozładowania kondensatorów w zasobniku energii elektrycznej według wynalazku, w każdym ogniwie OGNi zasobnika energii elektrycznej, końcówka pierwsza ogniwa 1 połączona jest z końcówką pierwszą kondensatora SC, ze stykiem pierwszym 1 stycznika St, z wejściem pierwszym we1 przekładnika napięciowego napięcia stałego PN. Druga końcówka kondensatora SC połączona jest z drugim stykiem 2 stycznika St, z wejściem drugim we2 przekładnika napięciowego napięcia stałego PN i z wejściem prądowym wep przekładnika prądowego prądu stałego PP. Wyjście pierwsze wy1 przekładnika napięciowego napięcia stałego PN połączone jest z wejściem pierwszym komparatora napięcia KN, a wyjście drugie wy2 przekładnika napięciowego napięcia stałego PN połączone jest z wejściem drugim 2 komparatora napięcia KN i z poziomem odniesienia. Wyjście komparatora napięcia PN połączone jest z wejściem drugi 2 bramki iloczynu B, a wyjście tej bramki B połączone jest z wejściem załączającym stycznika St. Wyjście pierwsze wy1 przekładnika prądowego prądu stałego PP połączone jest z wejściem pierwszym 1 komparatora prądu KP, którego drugie wejście 2 połączone jest z wyjściem drugim wy2 przekładnika prądowego prądu stałego PP, a wyjście komparatora prądu KP połączone jest z wejściem pierwszym 1 bramki iloczynu B. Wyjście prądowe wyp przekładnika prądowego prądu stałego PP jest drugą końcówką 2 ogniwa OGNi. Jeżeli wartość napięcia na kondensatorze SC osiągnie wartość zerową, to wtedy różnica napięć między wyjściem pierwszym wy1 i wyjściem drugim wy2 przekładnika napięciowego napięcia stałego PN też jest zerowa i wtedy na wyjściu komparatora napięcia KP występuje wysoki poziom logiczny, w przeciwnym razie poziom napięcia na wyjściu tego komparatora napięcia KP będzie niski. Jeżeli ogniwo OGNi zasobnika energii elektrycznej jest ładowane, czyli będzie płynął prąd ładujący od zacisku pierwszego 1 ogniwa OGNi w kierunku zacisku drugiego 2 tego ogniwa OGNi, to wtedy na wejściu pierwszym 1 komparatora prądu KP napięcie ma polaryzację ujemną względem poziomu odniesienia, co spowoduje, że na wyjściu komparatora prądu KP będzie niski poziom niski. Z kolei, jeżeli ogniwo OGNi jest rozładowywane, co oznacza, że prąd rozładowujący będzie płynął od zacisku drugiego 2 ogniwa OGNi do zacisku pierwszego 1 co spowoduje, że polaryzacja napięcia na wejściu pierwszym 1 komparatora prądu KP jest dodatnia względem poziomu odniesienia, co spowoduje, że na wyjściu komparatora prądu KP będzie wysoki poziom logiczny. Wynika z tego, że jeżeli ogniwo OGNi będzie ładowane, to wtedy na wyjściu komparatora prądu KP jest niski poziom logiczny i to spowoduje, że na wyjściu bramki iloczynu B jest niski poziom logiczny, a jeżeli na wyjściu bramki logicznej B jest poziom niski i tym samym będzie niski poziom logiczny na wejściu sterującym WeS stycznika St, wówczas styki pierwszy 1 i drugi 2 stycznika St będą rozwarte. Z kolei jeżeli ogniwo OGNi będzie rozładowywane, to wtedy na wyjściu komparatora prądu KP będzie wysoki poziom logiczny, a na wyjściu komparatora napięcia KN będzie niski poziom logiczny do momentu, gdy napięcie na kondensatorze SC osiągnie wartość zerową i wtedy na wyjściu komparatora napięcia KN zmieni się poziom logiczny z niskiego na wysoki, a wówczas na wejściach pierwszym 1 i drugim 2 bramki logicznej iloczynu B będą wysokie poziomy logiczne i również na wyjściu tej bramki B pojawi się wysoki poziom logiczny, który podany do wejścia sterującego WeS stycznika St spowoduje zwarcie styków pierwszego 1 ze stykiem drugim 2. Zwarcie styków stycznika St powoduje zwarcie kondensatora SC, co zapobiegnie jego przeładowywaniu przez inne kondensatory. Jeżeli proces rozładowywania zasobnika będzie kontynuowany, to analogiczna sytuacja będzie w kolejnym ogniwie OGNi, które będzie zawierało kolejny kondensator o najmniejszej pojemności. W czasie rozładowywania zasobnika energii elektrycznej proces zwierania kondensatorów SC w poszczególnych ogniwach OGNi zakończy się wtedy, gdy zostanie zwarty przedostatni kondensator SC o najmniejszej pojemności, czyli pozostanie już tylko ogniwo OGNi z kondensatorem SC o największej pojemności.

4 4 PL B1 Ponieważ nie można zbudować zasobnika energii elektrycznej, w którym wszystkie ogniwa OGNi będą zawierały kondensatory SC o tej samej pojemności, dlatego w czasie rozładowania zasobnika energii elektrycznej składającego się z n ogniw OGNi, najszybciej wartość napięcia równą zero osiągnie ogniwo OGNi, którego kondensator SC ma najmniejszą pojemność, a następnie kondensator SC ten będzie się ładował ładunkiem z kondensatorów SC o większej pojemności, ale polaryzacja tego napięcia będzie przeciwna w stosunku do początkowej. Proces rozładowania zasobnika energii elektrycznej zakończy się wtedy, gdy wartość napięcia między końcówkami: pierwszą Z1 i drugą Z2 osiągnie wartość zero. W takiej sytuacji całkowite rozładowanie wszystkich kondensatorów nie będzie możliwe. Zastrzeżenie patentowe 1. Układ do ładowania i rozładowania kondensatorów w zasobniku energii elektrycznej z ogniwami połączonymi szeregowo, a każde ogniwo zawiera kondensatory, z którymi równolegle połączony jest układ równoważenia napięcia, znamienny tym, że pierwsza końcówka (1) ogniwa (OGNi), gdzie i jest liczbą naturalną, połączona jest z pierwszą końcówką kondensatora (SC), z pierwszym stykiem (1) stycznika (St) i z wejściem pierwszym (we1) przekładnika napięciowego napięcia stałego (PN), druga końcówka kondensatora (SC) połączona jest z drugim stykiem (2) stycznika (St), z wejściem drugim (we2) przekładnika napięciowego napięcia stałego (PN) i z wejściem prądowym (wep) przekładnika prądowego prądu stałego (PP), wyjście bramki iloczynu (B) połączone jest z wejściem załączającym (WeS) stycznika (St), wyjście pierwsze (wy1) przekładnika prądowego prądu stałego (PP) połączone jest z wejściem pierwszym (1) komparatora prądu (KP), a drugie wyjście (wy2) przekładnika prądowego prądu stałego (PP) połączone jest z wejściem drugim (2) komparatora prądu (KP) i z poziomem odniesienia, wyjście komparatora prądu (KP) połączone jest z pierwszym wejściem (1) bramki iloczynu (B), której drugie wejście (2) połączone jest z wyjściem komparatora napięcie (KN), a pierwsze wejście (1) komparatora napięcie (KN) połączone jest z pierwszym wyjściem (wy1) przekładnika napięciowego napięcia stałego (PN), którego drugie wyjście (wy2) połączone jest z drugim wejściem (2) komparatora napięcia (KN) i z poziomem odniesienia, przy czym wyjście prądowe (wyp) przekładnika prądowego prądu stałego (PP) stanowi drugą końcówkę (2) ogniwa (OGNi).

5 PL B1 5 Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)