СПОСОБ СБАЛАНСИРОВАННОЙ ЗАРЯДКИ ЛИТИЙ-ИОННОЙ ИЛИ ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНОЙ БАТАРЕИ
METHOD FOR BALANCED CHARGING LITHIUM-ION OR LITHIUM-POLYMER BATTERY

Настоящее изобретение относится к зарядке или подзарядке аккумуляторных батарей, и его объектом является способ сбалансированной зарядки аккумуляторов литий-ионной или литий-полимерной батареи.
Оптимизация электрической зарядки батарей, содержащих несколько аккумуляторов, представляет собой сложную проблему, в частности, когда число последовательно соединенных элементов или аккумуляторов является достаточно большим.
В случае литий-ионных или литий-полимерных батарей к этим проблемам оптимизации зарядки различных элементов или аккумуляторов добавляется опасность необратимого разрушения указанных элементов или аккумуляторов в случае перегрузки, в частности при перегреве или при чрезмерном напряжении.
С одной стороны, известно, что в батареях, содержащих последовательно соединенные литий-ионные или литий-полимерные элементы, параметры емкости каждого элемента или аккумулятора после зарядки не являются идентичными, и эти различия возрастают от цикла к циклу зарядки и разрядки вплоть до конца срока службы данной батареи.
С другой стороны, известно, что литий-ионные или литий-полимерные батареи не допускают как перегрузки в процессе зарядки, так и неполной зарядки в связи с использованием (разрядка). Установленное значение максимального напряжения, приведенное в качестве неограничительного примера, при перегрузке для каждого из соединенных последовательно литий-ионных или литий-полимерных элементов составляет 4,20 В, а установленное напряжение для прекращения разрядки и предотвращения, таким образом, ухудшения рабочих характеристик батареи равно 2,70 В.
Известно также, что для каждого литий-ионного или литий-полимерного элемента напряжение на контактах элемента или аккумулятора отражает величину емкости, накопленную в данном элементе или аккумуляторе. Это указание напряжения не дает представления о точном значении емкости в ампер-часах или ватт-часах, а только отражает величину емкости рассматриваемого элемента в момент измерения этого напряжения в виде процента от номинальной емкости.
На фиг.1 прилагаемых чертежей показана кривая, отражающая изменение напряжения на контактах литий-ионного элемента в зависимости от его емкости (речь идет о кривой разрядки для постоянного тока, при этом время пропорционально проценту от номинальной емкости, накопленной в рассматриваемом литий-ионном элементе, при этом: 0 секунд ⇒ 95% (4,129 В), 6 150 секунд ⇒ 50% (3,760 В) и 12 300 секунд ⇒ 0% (3,600 В). Можно заметить, что на большей части этой кривой емкость уменьшается почти линейно от времени, а затем резко падает. Для контроля за операциями зарядки и разрядки литий-ионного элемента или аккумулятора используют эту почти линейную часть, что позволяет утверждать, что напряжение является отражением емкости.
С учетом положений трех предыдущих пунктов можно удостовериться, что в батарее, состоящей из трех-четырех последовательно соединенных литий-ионных или литий-полимерных элементов, зарядка прекращается, когда напряжение наиболее заряженного элемента достигает 4,20 В и, наоборот, разрядка прекращается, когда напряжение элемента с наименьшей емкостью достигает 2,70 В: таким образом, элемент с наименьшей емкостью определяет общую емкость батареи. Это позволяет понять, что, когда батарея содержит много последовательно соединенных элементов, риск неполного использования емкости батареи становится реальным, так как элемент с наименьшей емкостью ограничительно определяет общую емкость батареи. Кроме того, это явление проявляется еще больше по мере увеличения числа циклов зарядки/разрядки.
Такое явление разбалансировки зарядки в основном вызвано различиями емкости и внутреннего сопротивления между элементами батареи, причем эти различия зависят также от качества изготовления литий-ионных или литий-полимерных элементов.
Для оптимизации величины емкости батареи во времени, что имеет большое значение для рентабельности эксплуатации, необходимо решить указанную выше проблему путем коррекции балансировки всех элементов или всех аккумуляторов батареи. Эта балансировка должна обеспечивать 100%-ную зарядку всех элементов, независимо от их емкости.
В существующей практике такую балансировку производят в конце зарядки, отводя зарядный ток от элемента, заряженного на 100%, то есть когда он достигает напряжения в 4,20 В. Таким образом, зарядка элементов прекращается по мере того, как они достигают 4,20 В, и, таким образом, получают 100% зарядку всех элементов в конце операции зарядки.
Однако этот известный способ балансировки в конце зарядки имеет существенные недостатки.
Так, эти системы балансировки требуют наличия мощных сопротивлений для обеспечения отвода соответствующих токов, тем более что система балансировки вступает в действие, когда зарядные токи остаются еще достаточно большими, что происходит, когда элементы батареи очень разбалансированы.
Кроме того, такое сильное рассеяние мощности приводит к соответствующему повышению температуры, что создает проблемы в случае компактных батарей, содержащих токоотводящие резисторы.
Кроме того, может случиться, что, несмотря на подачу больших зарядных токов ближе к концу операции зарядки, батарея оказывается не сбалансированной после выполнения условий зарядки.
Кроме того, в батареях большой мощности периоды зарядки батареи, в частности периоды полной зарядки, являются продолжительными и даже очень продолжительными. Поэтому часто случается, что реального времени зарядки между двумя фазами разрядки не хватает для завершения операции зарядки, и зарядка прерывается, тогда как разбалансировка между элементами или аккумуляторами еще не устранена (в случае использования системы балансировки в конце зарядки, известной из предшествующего уровня техники). Повторение этого явления приводит к быстрому ухудшению рабочих характеристик рассматриваемой батареи.
Настоящее изобретение призвано предложить решение оптимальной зарядки, характеризующееся вышеуказанными преимуществами и позволяющее устранить вышеупомянутые недостатки известных технических решений.
В этой связи объектом настоящего изобретения является способ сбалансированной зарядки n аккумуляторов, где n≥2, входящих в состав литий-ионной или литий-полимерной батареи и соединенных последовательно, при этом каждый аккумулятор состоит из одного или нескольких элементов, соединенных параллельно, отличающийся тем, что с начала операции зарядки батареи и в течение всей этой операции осуществляют постоянный контроль за уровнями зарядки различных аккумуляторов и в зависимости от предварительной оценки указанных уровней зарядки либо равномерно подают ток на все аккумуляторы, либо выполняют балансировку уровней зарядки аккумуляторов путем дифференцированной подачи на них тока в зависимости от их текущих уровней зарядки.
Указанные выше этапы можно выполнять двумя разными способами, основанными на двух разных технологических возможностях.
Так, при применении решения, главным образом основанного на аналоговой технологии, контроль за уровнями зарядки выполняют непрерывно и дифференцированную подачу питания осуществляют, как только разность уровней зарядки между максимально заряженным(и) аккумулятором(ами) и минимально заряженным(и) аккумулятором(ами) превышает заранее определенное пороговое значение, и до тех пор, пока имеется превышение порогового значения.
В варианте, соответствующем предпочтительному решению, в котором используют цифровую обработку сигналов и управление процессом при помощи цифрового блока обработки данных, контроль за уровнями зарядки осуществляют путем повторяющихся измерений и дифференцированной подачи питания в течение заранее определенного времени, в случае проверки установленных условий разбалансировки уровней зарядки.
Это второе решение позволяет одновременно упростить материальное и программное обеспечение, необходимое для осуществления способа.
В рамках этого второго решения способ предпочтительно состоит в поочередном выполнении для каждого аккумулятора батареи в течение промежутка времени, входящего в общее время зарядки батареи, последовательно повторяющихся этапов оценки уровней зарядки данного аккумулятора, после которой, в зависимости от уровня его зарядки и от уровней зарядки всех остальных аккумуляторов батареи, осуществляют подачу одинакового или дифференцированного питания, причем цикл повторяют в течение всей операции зарядки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения указанный способ содержит, по меньшей мере, выполнение следующих операций под управлением цифрового блока обработки данных, причем с самого начала зарядки:
- оценка, предпочтительно через равномерные интервалы, количества энергии, накопленной в каждом аккумуляторе, путем измерения параметра, отражающего это количество;
- сравнительный анализ определенных оценкой разных количеств энергии или разных значений измеряемого параметра;
- определение аккумулятора, наиболее отстающего по зарядке, и, в случае необходимости, наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов);
- подача питания на разные последовательно соединенные аккумуляторы, равномерно или с ограничением зарядного тока для аккумуляторов, отличных от наиболее отстающего по зарядке аккумулятора, или для наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) путем отвода всего или части указанного тока на уровне этого(их) последнего(их) аккумулятора(ов);
- последовательное повторение вышеуказанных операций до достижения состояния завершения зарядки батареи или до обнаружения дефекта, нарушения в работе или превышения допустимого порогового значения.
Произведенные заявителем испытания и работы показали, что этот способ последовательной балансировки, осуществляемый поэтапно в течение всего времени зарядки, позволяет достичь одинакового процентного уровня зарядки всех элементов или аккумуляторов батареи в данный момент зарядки и, более того, 100%-ной зарядки всех элементов батареи в конце зарядки, причем независимо от их собственной емкости.
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления, приведенного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых:
фиг.2 - блок-схема устройства, предназначенного для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 - более подробная схема устройства, показанного на фиг.2, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 - структурная схема различных этапов способа согласно варианту осуществления изобретения (на этой схеме под термином «элемент» следует понимать элемент или аккумулятор с параллельно соединенными элементами);
фиг.5 - временные диаграммы, приведенные в качестве не ограничительного примера и показывающие для батареи из двенадцати аккумуляторов операции, осуществляемые в течение цикла зарядки с балансировкой при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением.
Объектом настоящего изобретения является способ сбалансированной зарядки n аккумуляторов 1, где n≥2, входящих в состав литий-ионной или литий-полимерной батареи 2 и соединенных последовательно, при этом каждый аккумулятор 1 состоит из одного или нескольких элементов, установленных параллельно.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения указанный способ содержит, по меньшей мере, выполнение следующих операций под управлением цифрового блока обработки данных, причем с самого начала зарядки:
- оценка, предпочтительно через равномерные интервалы, количества энергии, накопленной в каждом аккумуляторе 1, путем измерения параметра, характеризующего это количество;
- сравнительный анализ определенных путем оценки разных количеств энергии или разных значений измеряемого параметра;
- определение аккумулятора 1, наиболее отстающего по зарядке, и, в случае необходимости, наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) 1;
- подача питания на разные последовательно соединенные аккумуляторы 1, равномерно или с ограничением зарядного тока для аккумуляторов 1, отличных от наиболее отстающего по зарядке аккумулятора 1, а для наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) 1 путем отвода всего или части указанного тока на уровне этого(их) последнего(их) аккумулятора(ов);
- последовательное повторение вышеуказанных операций до достижения состояния конца зарядки батареи 2 или до обнаружения дефекта, нарушения в работе или превышения допустимого порогового значения.
Предпочтительно параметром, измеряемым для каждого аккумулятора 1 и используемым для оценки количества накопленной в нем энергии, является напряжение на контактах рассматриваемого аккумулятора 1.
Как уже было указано выше, ограничения зарядного тока могут касаться всех аккумуляторов, опережающих по зарядке наименее заряженный аккумулятор, причем, в случае необходимости, с разной степенью ограничения питания.
Вместе с тем, чтобы еще больше расширить активные фазы балансировки согласно изобретению, предпочтительно только аккумулятор или аккумуляторы, уровень зарядки которого(ых) наиболее опережает уровень зарядки наименее заряженного аккумулятора (в течение заданной доли времени n), подвергается(ются) ограничению зарядки (в течение следующей доли времени n+1). Таким образом, для аккумуляторов, уровень зарядки которых только слегка превышает уровень зарядки наименее заряженного аккумулятора, зарядка будет продолжаться в нормальном режиме.
Различие между аккумуляторами, подвергнутыми и не подвергнутыми временному ограничению зарядки (в течение доли времени от общего времени зарядки), может, например, вытекать из состояния (с точки зрения значений) уровней зарядки этих аккумуляторов по отношению к заданному пороговому значению [значение зарядки наименее заряженного аккумулятора + дельта (Δ)].
Кроме того, принимая стратегию ограничения зарядного тока наиболее заряженных аккумуляторов в течение всей зарядки батареи, не дожидаясь конца указанной зарядки, изобретение позволяет избежать любой возможности перегрева батареи 2 из-за поздней балансировки и обеспечить сбалансированное напряжение на уровне аккумуляторов 1 в конце зарядки.
Кроме того, осуществляя балансировку с самого начала зарядки и продолжая ее в течение всей операции зарядки, батарею поддерживают практически в сбалансированном состоянии в течение всей операции зарядки, то есть даже в случае прекращения зарядки до ее нормального завершения зарядки.
Согласно предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения отвод тока на уровне наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) 1 осуществляют при помощи параллельных цепей 4, каждая из которых путем параллельного монтажа соединена с одним из указанных аккумуляторов 1 (одна цепь 4 на каждый аккумулятор 1), при этом каждая из указанных цепей 4 содержит коммутационный элемент 5 и, в случае необходимости, по меньшей мере, один, возможно регулируемый, элемент 6 рассеяния электрической энергии, такой, например, как электрический резистор (фиг.2 и 3).
Коммутационный элемент 5 можно выбирать, например, из группы, в которую входят электромеханические или электронные реле, биполярные или полевые транзисторы, или аналогичные устройства.
Кроме того, поскольку отвод энергии, связанный с балансировкой зарядки различных аккумуляторов 1, распределяют по всей продолжительности зарядки, то можно оптимизировать как коммутационный элемент 5, так и соответствующий рассеивающий элемент 6.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения для зарядки с последовательной балансировкой выполняют, в частности, следующие операции, возобновляемые в течение всего процесса зарядки батареи 2:
а) за каждым отдельным аккумулятором 1 батареи 2 ведут наблюдение, измеряя напряжение на контактах, не подключая при этом токоотводящие или балансировочные резисторы 6;
б) определяют аккумулятор 1, наиболее отстающий по зарядке;
в) определяют аккумуляторы 1, которые, по отношению к наименее заряженному или наиболее отстающему по зарядке аккумулятору 1, имеют превышение зарядки сверх заранее определенного порогового значения отклонения емкости, например, соответствующего разности напряжения (dVs) в 10 мВ;
г) каждый обнаруженный аккумулятор 1 с превышением зарядки сверх порогового значения индивидуально подключают к соответствующему балансировочному резистору 6 таким образом, чтобы понизить зарядный ток для каждого из рассматриваемых аккумуляторов 1, например, на 10% в течение заранее определенного промежутка времени, например в течение двух секунд;
д) по истечении указанного заранее определенного промежутка времени балансировочные резисторы 6 отключают;
е) по истечении периода стабилизации напряжения аккумуляторов 1 повторяют этапы а)-д).
Обычно зарядку батареи останавливают, когда общий зарядный ток всех аккумуляторов этой батареи опускается ниже заранее определенного порогового значения, например 50 мА.
В примере практического применения настоящего изобретения значения мощности различных параллельных цепей 4 выбирают близкими к значениям, получаемым при помощи следующей формулы
где
Psd max - максимальная оптимизированная рассеиваемая мощность, выраженная в Вт;
Vmax акк. - максимальное напряжение, измеренное в ходе зарядки на контактах аккумулятора, выраженное в В;
% - соотношение, выраженное в процентах, соответствующее максимальному отклонению между двумя аккумуляторами, зарядку которых необходимо сбалансировать;
АН - номинальная емкость батареи, выраженная в А·ч (ампер-час);
Тс - время зарядки батареи, выраженное в часах.
Кроме того, чтобы достичь точного и постепенного регулирования зарядки каждого аккумулятора 1, напряжение на контактах каждого аккумулятора 1 точно измеряют при помощи соответствующего комплекса 7 измерительных модулей 7', выходные сигналы которых, предпочтительно после оцифровки, передаются на цифровой блок 3 обработки данных, при этом последний на следующем цикле управляет коммутационными механизмами 5 различных параллельных цепей 4 в зависимости от сравнительного изменения указанных выходных сигналов, направляемых модулями 7'.
Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг.4 и 5, операции повторяют в течение всего процесса зарядки в виде замкнутого цикла, состоящего из двух рабочих полуциклов, выполняемых последовательно при каждом завершении цикла, при этом первый полуцикл содержит последовательное выполнение следующих операций: последовательное считывание значений напряжения на различных аккумуляторах 1 и подключение со смещением во времени балансировочного резистора 6 для каждого аккумулятора 1, разность напряжений (dV) которого с наиболее отстающим по зарядке аккумулятором 1 превышает пороговое значение (dVs), а второй полуцикл содержит следующие операции:
последовательное отключение балансировочных резисторов 6 от различных аккумуляторов 1 и выжидание стабилизации напряжений на различных аккумуляторах 1 перед следующим считыванием во время первого полуцикла следующего цикла, при этом оба полуцикла предпочтительно имеют примерно одинаковую продолжительность, например, приблизительно 2 с.
Благодаря циклическому возобновлению операций двух полуциклов (при продолжительности цикла, например, 4 с) в течение всего процесса зарядки батареи 2, то есть до завершения зарядки или появления предупреждающей информации на индикаторе, все аккумуляторы 1 (и элемент или элементы каждого из этих аккумуляторов) в любой момент характеризуются незначительным разбросом емкости (за счет постоянных соединений нагрузки между аккумуляторами) и самым оптимальным образом максимально восстанавливают свои характеристики.
Кроме того, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет допускать в начале зарядки большие перепады уровней зарядки между аккумуляторами 1, при этом «нивелирование» или балансировка происходит на протяжении всего процесса зарядки батареи 2.
Согласно первому варианту можно предусмотреть, чтобы пороговое значение разности напряжений dVs представляло собой первое заранее определенное фиксированное значение V1, например 10 мВ, если разность напряжений dV между напряжением на аккумуляторе 1, имеющем самое высокое напряжение, и напряжением на аккумуляторе 1, имеющем самое низкое напряжение, меньше второго заранее определенного фиксированного значения V2, превышающего первое заранее определенное пороговое значение V1, например 100 мВ.
Кроме того, можно также предусмотреть, чтобы, если разность напряжений dV между напряжением на аккумуляторе 1, имеющем самое высокое напряжение, и напряжением на аккумуляторе 1, имеющем самое низкое напряжение, превышает второе заранее определенное фиксированное значение V2, например 100 мВ, пороговое значение разности напряжений dVs представляет собой третье заранее определенное фиксированное значение V3, меньшее указанного второго значения V2, например 30 мВ.
Предпочтительно третье заранее определенное фиксированное значение V3 превышает указанное первое заранее определенное фиксированное значение V1.
Согласно второму варианту альтернативно можно предусмотреть, чтобы пороговое значение разности напряжений dVs соответствовало заданной доле разности напряжений dV, измеренной во время предыдущего цикла, между напряжением на аккумуляторе 1 с самым высоким напряжением и напряжением на аккумуляторе 1 с самым низким напряжением, если во время текущего цикла указанная разность напряжений dV превышает четвертое заранее определенное фиксированное значение V4, например 10 мВ.
Предпочтительно в каждом из двух указанных вариантов и, как уже было указано ранее, измерения напряжений на различных аккумуляторах 1 осуществляют только по истечении заданного промежутка времени, например 2 с, после отвода токов таким образом, чтобы дождаться стабилизации напряжений на контактах указанных аккумуляторов 1.
Чтобы уберечь аккумуляторы 1 батареи 2 от возможных скачков напряжения, программа управления зарядкой, структурная схема которой представлена в качестве примера на фиг.4, может содержать выполнение определенного числа проверок перед началом зарядки, в ходе зарядки и после завершения зарядки.
Так, перед началом выполнения операций способа зарядки можно выполнять измерение напряжения холостого хода Vo зарядного устройства 8, подключенного к батарее 2 для ее зарядки, и прекращение процесса зарядки с возможным включением тревожного сигнала и/или индикацией визуального сигнала, если напряжение холостого хода Vo превышает [n × максимально допустимое напряжение Vmax для каждого аккумулятора 1].
Точно так же указанный способ перед выполнением следующего замкнутого цикла или следующего цикла может включать проверку для того, чтобы, если, по меньшей мере, один из аккумуляторов 1 батареи 2 имеет на своих контактах напряжение, превышающее максимально допустимое напряжение Vmax (например и не ограничительно, 4,23 В), прерывать процесс зарядки с возможным включением тревожного сигнала и/или индикацией визуального сигнала.
Объектом настоящего изобретения является также устройство для осуществления описанного выше способа, основные компоненты которого схематично показаны на фиг.2 и 3.
Это устройство в основном содержит комплекс 7 модулей 7' измерения напряжения, каждый из которых связан с одним из последовательно соединенных аккумуляторов 1, образующих батарею 2, и измеряет напряжение на контактах этих аккумуляторов, множество токоотводящих цепей 4, каждая из которых соединена параллельно с контактами соответствующего аккумулятора 1 и каждая из которых может быть разомкнута или замкнута выборочно, и цифровой блок 3 обработки данных и управления способом, при этом на указанный блок 3 поступают сигналы измерения от комплекса 7 модулей 7' измерения напряжения, и он управляет состоянием (замкнутое/разомкнутое) каждой токоотводящей цепи 4.
Модули 7' могут представлять собой, например, дифференциальные схемы измерения напряжения с операционным усилителем, характеризующиеся точностью измерения, по меньшей мере, 50 мВ.
Предпочтительно каждая токоотводящая цепь 4 содержит коммутационный элемент 5, который является выключателем, и положение которого управляется цифровым блоком 3 обработки данных, и, в случае необходимости, токоотводящая цепь 4 содержит, по меньшей мере, один элемент 6 рассеяния электрической энергии, такой, как например резистор или резисторы.
Как показано на фиг.3 и согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, комплекс 7 модулей 7' измерения напряжения содержит n аналоговых модулей 7' измерения, каждый из которых непосредственно связан с аккумулятором 1 батареи 2, мультиплексор 9, входы которого соединены с выходами указанных модулей 7', и аналого-цифровой преобразователь 10, соединенный на входе с выходом мультиплексора 9 и на выходе с цифровым блоком 3 обработки данных и управления.
В предпочтительном, но не ограничительном варианте применения устройство, показанное на фиг.2 и 3, предпочтительно может входить в комплект автономного электросилового инструмента.
В этой связи следует отметить, что токоотводящие цепи 4, индивидуально связанные с аккумуляторами 1 батареи 2, могут также использоваться для возможной корректировки зарядки указанных аккумуляторов 1 до уровня, совместимого с длительным хранением указанной батареи 2 без эксплуатации.
Само собой разумеется, что настоящее изобретение не ограничивается описанными и показанными на прилагаемых чертежах вариантами осуществления. В него можно вносить изменения, в частности, с точки зрения компоновки различными элементами или их замены техническими эквивалентами, не выходя при этом за рамки объема правовой охраны изобретения.