PL B1. POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL BUP 05/19. 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 15/00 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Układ zasobnika energii elektrycznej (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 05/19 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/19 (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 zasobnika energii elektrycznej przeznaczony, zwłaszcza do magazynowania energii elektrycznej wytwarzanej przez źródła niespokojne, ale i jako zasobnik energii urządzeń rozruchowych silników spalinowych i układów hamowania w pojazdach mechanicznych. Znany jest zasobnik energii elektrycznej z baterią kondensatorów i z baterią akumulatorów, których drugie końcówki połączone są z poziomem odniesienia. Pierwszy zacisk wejścia-wyjścia połączony jest z pierwszym zaciskiem prądowym przekładnika prądowego, którego drugi zacisk prądowy połączony jest z zaciskiem styku ruchomego stycznika pierwszego. Jedna końcówka źródła napięcia referencyjnego pierwszego połączona jest z wejściem odwracającym komparatora analogowego pierwszego, a druga końcówka źródła napięcia referencyjnego pierwszego połączona jest z poziomem odniesienia. Wejście nieodwracające komparatora analogowego pierwszego połączone jest z pierwszą końcówką baterii kondensatorów, wejście odwracające komparatora analogowego drugiego połączone jest z poziomem odniesienia, a wyjście komparatora pierwszego połączone jest z wejściem pierwszym bramki negacji iloczynu pierwszej. Wyjście komparatora analogowego drugiego połączone jest z wejściem drugim bramki logicznej negacji iloczynu pierwszej, a wyjście bramki logicznej negacji iloczynu pierwszej połączone jest z wejściem sterującym stycznika pierwszego. Jedna końcówka źródła napięcia referencyjnego trzeciego połączona jest z wejściem nieodwracającym komparatora analogowego czwartego, a druga końcówka tego źródła połączona jest z poziomem odniesienia. Jedna końcówka źródła napięcia referencyjnego drugiego połączona jest z wejściem odwracającym komparatora analogowego trzeciego, a druga końcówka tego źródła połączona jest z poziomem odniesienia. Wejście odwracające komparatora analogowego czwartego połączone jest z wejściem nieodwracającym komparatora analogowego trzeciego i z pierwszą końcówką baterii akumulatorów, a wyjście komparatora analogowego czwartego połączone jest z wejściem trzecim bramki logicznej iloczynu drugiej. Wyjście komparatora analogowego trzeciego połączone jest z wejściem drugim bramki logicznej iloczynu drugiej, której wyjście połączone jest z wejściem sterującym stycznika drugiego, a zacisk styku nieruchomego stycznika drugiego połączony jest z pierwszą końcówką baterii akumulatorów i z wejściem odwracającym komparatora analogowego czwartego. W znanych układach zasobników energii elektrycznej, w których baterie akumulatorów i baterie kondensatorów połączone są równolegle, stosowane są przekładniki prądowe i komparatory analogowe wraz ze źródłami napięć referencyjnych do kontroli wartości prądu wpływającego i wypływającego, a do kontroli wartości napięcia, stosowane są komparatory i napięcia referencyjne. W znanych zasobnikach energii elektrycznej zawierających układ równoległego połączenia baterii akumulatorów oraz baterii kondensatorów, w tym superkondensatorów, w czasie ładowania i rozładowania ilość energii możliwej do zmagazynowania i odzyskania jest limitowana napięciem baterii akumulatorów. Ponadto wartość napięcia minimalna oraz maksymalna baterii akumulatorów muszą być kontrolowane w sposób ciągły, bo w przeciwnym przypadku może dojść do trwałego jej uszkodzenia objawiające się przede wszystkim zmniejszeniem pojemności elektrycznej. Istota zasobnika energii elektrycznej według wynalazku polega na tym, że wyjście napięciowe pierwsze przekładnika prądowego połączone jest z poziomem odniesienia, a wyjście napięciowe drugie przekładnika prądowego połączone jest z wejściem nieodwracającym komparatora analogowego drugiego. Zacisk styku nieruchomego stycznika pierwszego połączony jest z jedną końcówką baterii kondensatorów, z pierwszą końcówką komparatora okienkowego i z zaciskiem styku ruchomego stycznika drugiego. Zacisk styku nieruchomego stycznika drugiego połączony jest z wejściem drugim komparatora okienkowego. Zasobnik energii elektrycznej według wynalazku pozwala magazynować znacznie większą ilość energii elektrycznej, niż w znanych układach, ponieważ jego rozładowanie jest możliwe poniżej wartości napięcia minimalnego baterii akumulatorów, a jego ładowanie możliwe jest przy napięciu powyżej dopuszczalnej wartości maksymalnej baterii akumulatorów. Układ według wynalazku pozwala na magazynowanie energii elektrycznej, nie tylko pozyskanej ze źródeł tzw. niespokojnych, w tym z elektrowni wiatrowych, ale również z układów hamowania w pojazdach mechanicznych. Zastosowanie zasobnika według wynalazku w pojazdach mechanicznych, pozwala magazynować w nim energię z procesu hamowania jako energię elektryczną, którą można następnie wykorzystać do rozruchu tego pojazdu. Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania jest bliżej objaśniony na rysunku przedstawiającym schemat układu zasobnika do magazynowania energii elektrycznej.

3 PL B1 3 Układ zasobnika energii elektrycznej według wynalazku zawiera baterię kondensatorów BC i baterię akumulatorów BA. Pierwszy zacisk wejścia-wyjścia We-Wy układu zasobnika energii elektrycznej połączony jest z pierwszą końcówką prądową 1 przekładnika prądowego PP, a druga końcówka wejścia-wyjścia We-Wy połączona jest z poziomem odniesienia. Druga końcówka prądowa 2 przekładnika prądowego PP połączona jest z zaciskiem styku ruchomego 2 stycznika pierwszego ST1, którego zacisk styku nieruchomego 1 połączony jest z pierwszą końcówką baterii kondensatorów BC, z wejściem nieodwracającym 1 komparatora analogowego pierwszego K1, z wejściem pierwszym 1 komparatora okienkowego KO i z zaciskiem styku ruchomego 2 stycznika drugiego ST2, a druga końcówka baterii kondensatorów BC połączona jest z poziomem odniesienia. Wyjście napięciowe pierwsze Wyn1 przekładnika prądowego PP połączone jest z poziomem odniesienia, a drugie wyjście napięciowe Wyn2 przekładnika prądowego PP połączone jest z wejściem nieodwracającego 1 komparatora analogowego drugiego K2, którego wejście odwracające 2 połączone jest z poziomem odniesienia. Wyjście Wy komparatora analogowego drugiego K2 połączone jest z wejściem drugim 2 bramki logicznej negacji iloczynu pierwszej B1, której wejście pierwsze 1 połączone jest z wyjściem Wy komparatora analogowego pierwszego K1. Wejście odwracające 2 komparatora analogowego pierwszego K1 połączone jest z jedną końcówką źródła napięcia referencyjnego pierwszego Eref1, którego druga końcówka połączona jest z poziomem odniesienia. Wyjście bramki logicznej negacji iloczynu pierwszej B1 połączone jest z wejściem sterującym WeS stycznika pierwszego ST1, a końcówka styku nieruchomego 1 stycznika drugiego ST2 połączona jest z pierwszą końcówką baterii akumulatorów BA, z wejściem drugim 2 komparatora okienkowego KO, z wejściem odwracającym 2 komparatora analogowego czwartego K4 i z wejściem nieodwracającym 1 komparatora analogowego trzeciego K3, a druga końcówka baterii akumulatorów BA połączona jest z poziomem odniesienia. Wyjście Wy komparatora analogowego czwartego K4 połączone jest z wejściem trzecim 3 bramki logicznej iloczynu drugiej B2, a wejście nieodwracające 1 komparatora analogowego czwartego K4 połączone jest z jedną końcówką źródła napięcia referencyjnego trzeciego Ere3, którego druga końcówka połączona jest z poziomem odniesienia. Wejście odwracające 2 komparatora analogowego trzeciego K3 połączone jest z jedną końcówką źródła napięcia referencyjnego drugiego Eref2, którego druga końcówka połączona jest z poziomem odniesienia, a wyjście Wy komparatora analogowego trzeciego K3 połączone jest z wejściem drugim 2 bramki logicznej iloczynu drugiej B2, której wyjście połączone jest z wejściem sterującym WeS stycznika drugiego ST2. Wyjście Wy komparatora okienkowego KO połączone jest z wejściem pierwszym 1 bramki logicznej iloczynu drugiej B2. W sytuacji, gdy gromadzona jest energia elektryczna w układzie zasobnika energii elektrycznej według wynalazku, prąd dostarczany jest do zacisków wejściowych wejścia-wyjścia We-Wy i poprzez obwód prądowy przekładnika prądowego PP dostarczany jest do zacisku styku ruchomego 2 stycznika pierwszego ST1. Jeżeli prąd wpływa do układu zasobnika, to wtedy napięcie między wyjściami napięciowymi pierwszym Wyn1 i drugim Wyn2 przekładnika prądowego PP jest dodatnie względem poziomu odniesienia. Jeżeli wartość prądu na zaciskach wejścia-wyjścia We-Wy będzie zerowa lub będzie wypływała z zasobnika, to wtedy polaryzacja napięcia na wyjściach napięciowych: pierwszym Wyn1 i drugim Wyn2 przekładnika prądowego PP zmieni się na przeciwną względem poziomu odniesienia. Napięcie to podane do wejścia nieodwracającego 1 komparatora analogowego drugiego K2 spowoduje, że na wyjściu Wy tego komparatora K2 będzie poziom logiczny wysoki tylko wtedy, gdy prąd będzie wpływał do zasobnika energii, a będzie poziom niski, gdy prąd będzie zerowy lub będzie wypływał z zasobnika energii. Napięcie baterii kondensatorów BC podawane jest do wejścia nieodwracającego 1 komparatora analogowego pierwszego K1 i jest porównywane z napięciem źródła napięcia referencyjnego pierwszego Eref1. Jeżeli napięcie na zaciskach baterii kondensatorów BC będzie równe lub większe od napięcia referencyjnego pierwszego Eref1, to wtedy na wyjściu Wy komparatora analogowego pierwszego K1 jest poziom logiczny wysoki, co oznacza, że napięcie na zaciskach baterii kondensatorów BC jest równe lub większe od wartości dopuszczalnej dla danego typu baterii, w przeciwnym przypadku poziom logiczny na wyjściu komparatora K1 będzie niski. Sygnały logiczne z wyjść komparatora pierwszego K1 i drugiego K2 podawane są odpowiednio do wejść pierwszego 1 i drugiego 2 bramki logicznej negacji iloczynu pierwszej B1. Sygnał wyjściowy logiczny tej bramki B1 podawany jest do wejścia sterującego WeS stycznika pierwszego ST1. Jeżeli na wejściu sterującym WeS stycznika pierwszego ST1 jest poziom logiczny wysoki, to wtedy styk ruchomy 2 zwarty jest ze stykiem nieruchomym 1, a gdy stan logiczny na wejściu sterującym WeS jest niski, to wtedy styki są rozwarte. Takie połączenie przekładnika prądowego PP, stycznika pierwszego ST1, komparatorów analogowych pierwszego K1 i drugiego K2 oraz bramki logicznej pierwszej B1 powoduje, że gromadzenie energii w zasobniku poprzez ładowanie baterii kon-

4 4 PL B1 densatorów BC jest możliwe tylko wtedy, gdy napięcie na zaciskach baterii kondensatorów BC jest mniejsze od wartości dopuszczalnej, natomiast rozładowanie baterii kondensatorów BC jest możliwe tylko wtedy, gdy napięcie na baterii kondensatorów BC jest równe lub mniejsze od wartości dopuszczalnej. Napięcie baterii akumulatorów BA podawane jest do wejścia odwracającego 2 komparatora analogowego czwartego K4 i wejścia nieodwracającego 1 komparatora analogowego trzeciego K3 i jest odpowiednio porównywane z napięciem źródła napięcia referencyjnego trzeciego Eref3 i z napięciem źródła napięcia referencyjnego drugiego Eref2. Na wyjściach Wy komparatorów analogowych czwartego K4 i trzeciego K3 są poziomy logiczne wysokie tylko wtedy, gdy napięcie baterii akumulatorów BA jest mniejsze od wartości maksymalnej dopuszczalnej oraz większe od wartości minimalnej dopuszczalnej, w przeciwnym przypadku na wyjściu Wy komparatora trzeciego K3 lub czwartego K4 będzie poziom logiczny niski. Komparator okienkowy KO porównuje napięcia między wejściami pierwszym 1 i drugim 2 i jeżeli różnica napięć między tymi wejściami jest taka, że możliwe będzie bezpieczne złączenie baterii kondensatorów BC i baterii akumulatorów BA, to wtedy na jego wyjściu Wy będzie poziom logiczny wysoki. Różnica napięć między wejściami pierwszym 1 i drugim 2 komparatora okienkowego KO, dla którego na wyjściu Wy występuje poziom logiczny wysoki, jest ustalana dla danego typu baterii akumulatorów BA i baterii kondensatorów BC. Poziomy logiczne z wyjść komparatorów analogowych trzeciego K3, czwartego K4 i okienkowego KO podawane są odpowiednio do wejścia: drugiego 2, trzeciego 3 i pierwszego 1 bramki logicznego iloczynu drugiej B2. Jeżeli na wyjściu bramki logicznej drugiej B2 jest poziom logiczny wysoki, to wtedy styk ruchomy 2 zwierany jest ze stykiem stałym 1 stycznika drugiego ST2, a jeżeli na wyjściu bramki drugiej B2 jest poziom logiczny niski, to wtedy styki stycznika ST2 są rozwarte. Takie połączenie stycznika drugiego ST2, komparatora analogowego trzeciego K3, komparatora czwartego K4, komparatora okienkowego KO i bramki logicznej drugiej B2, powoduje, że styki stycznika drugiego ST2 są zwarte tylko wtedy, gdy napięcie na baterii akumulatorów BA jest większe od wartości napięcia dopuszczalnego minimalnego, ale jest mniejsze od wartości napięcia dopuszczalnego maksymalnego oraz zbliżone jest do napięcia baterii kondensatorów BC. Taka budowa i działanie układu według wynalazku powoduje, że w czasie gromadzenia energii w zasobniku zawierającego baterię kondensatorów BC i baterię akumulatorów BA stycznik pierwszy ST1 będzie zwarty i jeżeli w fazie początkowej napięcie na baterii kondensatorów BC jest mniejsze od napięcia na baterii akumulatorów BA, to wtedy styki stycznika drugiego ST2 są rozwarte, co powoduje, że energia jest gromadzona tylko w baterii kondensatorów BC. Jeżeli napięcie na baterii kondensatorów BC w miarę upływu czasu gromadzenia energii będzie rosło i zrówna się z napięciem na baterii akumulatorów BA, to wtedy nastąpi zwarcie styków stycznika drugiego ST2. Wówczas prąd wpływający do zasobnika energii będzie ładował równocześnie baterię akumulatorów BA i baterię kondensatorów BC. Napięcia na baterii akumulatorów BA i baterii kondensatorów BC będzie rosło i jeżeli osiągnie wartość równą maksymalnej dopuszczalnej wartości napięcia dla baterii akumulatorów BA, to wtedy zostaną rozwarte styki stycznika drugiego ST2 i energia będzie dalej gromadzona, ale już tylko w baterii kondensatorów BC. W przypadku, gdy napięcie na baterii kondensatorów BC osiągnie wartość maksymalną dopuszczalną dla baterii kondensatorów, to wtedy zostanie rozwarty stycznik pierwszy ST1, co oznacza, że już nie będzie możliwe dalsze gromadzenie energii w tym zasobniku. Jeżeli będzie pobierana energia z zasobnika w sytuacji, gdy napięcie na baterii kondensatorów BC ma wartość maksymalną dopuszczalną, to wtedy zwarte będą styki stycznika pierwszego ST1 i energia będzie pobierana tylko z baterii kondensatorów BC. W miarę upływu czasu pobierania energii napięcie na baterii kondensatorów BC będzie malało i jeżeli zrówna się z napięciem na baterii akumulatorów BA, to wtedy zostaną zwarte styki stycznika drugiego ST2 i energia będzie pobierana równocześnie z baterii kondensatorów BC i baterii akumulatorów BA. Pobieranie energii z układu równoległego połączenia baterii akumulatorów BA i kondensatorów BC będzie powodowało spadek napięcia i jeżeli wartość tego napięcia osiągnie wartość minimalną dopuszczalną dla baterii akumulatorów BA, to wtedy zostaną rozwarte styki stycznika drugiego ST2 i energia będzie pobierana tylko z baterii kondensatorów BC, która może zostać pobrana, aż do zerowej wartości napięcia. Zastrzeżenie patentowe 1. Układ zasobnika energii elektrycznej z baterią akumulatorów i z baterią kondensatorów, których drugie końcówki połączone są z poziomem odniesienia, a pierwszy zacisk wejścia- -wyjścia połączony jest z pierwszym zaciskiem prądowym przekładnika prądowego, którego

5 PL B1 5 drugi zacisk prądowy połączony jest z zaciskiem styku ruchomego stycznika pierwszego, jedna końcówka źródła napięcia referencyjnego pierwszego połączona jest z wejściem odwracającym komparatora analogowego pierwszego, a druga końcówka źródła napięcia referencyjnego pierwszego połączona jest z poziomem odniesienia, wejście nieodwracające komparatora analogowego pierwszego połączone jest z pierwszą końcówką baterii kondensatorów, wejście odwracające komparatora analogowego drugiego połączone jest z poziomem odniesienia, a wyjście komparatora pierwszego połączone jest z wejściem pierwszym bramki negacji iloczynu pierwszej, zaś wyjście komparatora analogowego drugiego połączone jest z wejściem drugim bramki logicznej negacji iloczynu pierwszej, której wyjście połączone jest z wejściem sterującym stycznika pierwszego, jedna końcówka źródła napięcia referencyjnego trzeciego połączona jest z wejściem nieodwracającym komparatora analogowego czwartego, a druga końcówka tego źródła połączona jest z poziomem odniesienia, jedna końcówka źródła napięcia referencyjnego drugiego połączona jest z wejściem odwracającym komparatora analogowego trzeciego, a druga końcówka tego źródła połączona jest z poziomem odniesienia, wejście odwracające komparatora analogowego czwartego połączone jest z wejściem nieodwracającym komparatora analogowego trzeciego i z pierwszą końcówką baterii akumulatorów, a wyjście komparatora analogowego czwartego połączone jest z wejściem trzecim bramki logicznej iloczynu drugiej, wyjście komparatora analogowego trzeciego połączone jest z wejściem drugim bramki logicznej iloczynu drugiej, której wyjście połączone jest z wejściem sterującym stycznika drugiego, którego zacisk styku nieruchomego połączony jest z pierwszą końcówką baterii akumulatorów i z wejściem odwracającym komparatora analogowego czwartego, znamienny tym, że wyjście napięciowe pierwsze (Wyn1) przekładnika prądowego (PP) połączone jest z poziomem odniesienia, a wyjście napięciowe drugie (Wyn2) przekładnika prądowego (PP) połączone jest z wejściem nieodwracającym (1) komparatora analogowego drugiego (K2), zacisk styku nieruchomego (1) stycznika pierwszego (ST1) połączony jest z jedną końcówką baterii kondensatorów (BC), z pierwszą końcówką (1) komparatora okienkowego (KO) i z zaciskiem styku ruchomego (2) stycznika drugiego (ST2), którego zacisk styku nieruchomego (1) połączony jest z wejściem drugim (2) komparatora okienkowego (KO).

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