Способ эксплуатации батареи накопителей электрической энергии
METHOD FOR OPERATING BATTERY OF ELECTRIC ENERGY STORAGE

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования при производстве и эксплуатации батарей на основе накопителей электрической энергии в виде аккумуляторов или электрохимических конденсаторов, применяемых в энергетике и электротранспорте.
Известен способ заряда батареи с балансировкой, описанный в изобретении «Батарея химических источников тока с балансом напряжений» (см. патент RU 2360334 C1, опубликовано: 27.06.2009 Бюл. № 18), в соответствии с которым, балансировку напряжения элементов батареи во время ее заряда и разряда осуществляют перераспределением энергии между парами смежно подключенных элементов в направлении от более заряженного к менее заряженному путем коммутации между ними накопительного дросселя.
p-n
Достоинством данного способа является сокращение потерь энергии при балансировке и выполнение балансировки во время заряда и разряда. Недостатком данного способа является увеличение времени балансировки с ростом количества элементов батареи. Так как перенос энергии от более заряженного к менее заряженному элементу происходит путем поочередного заряда/разряда промежуточных элементов, то чем больше количество элементов в батареи, тем дольше длится их балансировка. Кроме того, данный способ не позволяет достичь полного равенства напряжений заряда пары смежно подключенных элементов, так как при заряде смежного элемента часть напряжения дросселя падает на  переходе открытого диода.
Известен также способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи (см. патент RU 2633533 C2, опубликовано: 13.10.2017 Бюл. № 29), заключающийся в проведении зарядно-разрядных циклов, хранении в заряженном состоянии и балансировке элементов батареи по напряжению. Балансировку элементов производят путем подзаряда от индивидуальных источников напряжения или тока и одновременного подразряда каждого элемента через одинаковые по сопротивлению балансировочные резисторы, достигают на элементе конечное напряжение заряда и обеспечивают тем самым равенство тока подзаряда току подразряда.
n
Достоинством данного способа является автономность и непрерывность процесса балансировки без контроля напряжения элементов и дополнительных корректирующих действий в процессе эксплуатации батареи. Недостатком данного способа является высокий уровень потерь электроэнергии, рассеиваемой в виде тепла на балансировочных резисторах, необходимость подключения к внешнему источнику стабилизированного постоянного напряжения для осуществления балансировки и сложность технической реализации в связи с применением в данном способе трансформатора с  вторичными обмотками.
n
Наиболее близким по техническому решению, к предлагаемому способу эксплуатации батареи накопителей электрической энергии, принятому в качестве прототипа, является способ, описанный в патенте на изобретение «Батарея электрических накопителей энергии» (RU 2404490 C1, опубликовано: 20.11.2010 Бюл. № 32). В данном способе заряд  последовательно соединённых элементов батареи осуществляют через последовательно соединенные с ними размыкаемые ключевые элементы. Балансировку напряжения каждого элемента выполняют разрядом через параллельно подключенный к нему балансировочный резистор. При достижении во время разряда батареи напряжения на любом ее элементе величины конечного напряжения разряда, последовательно соединенный с ним ключевой элемент размыкают и с помощью шунтирующего ключевого элемента замыкают параллельно соединенную с ними обводную цепь, и таким образом исключают данный элемент из батареи.
Достоинством прототипа является наличие возможности отключения от батареи элемента с конечным напряжением разряда. Недостатками указанного способа являются высокий уровень потерь электроэнергии, рассеиваемой в виде тепла на балансировочных резисторах и разрыв цепи разряда батареи на время отключения и шунтирования элемента с конечным напряжением разряда, что снижает надежность электропитания потребителей в процессе эксплуатации.
Технической задачей предлагаемого изобретения является сокращение времени и повышение эффективности заряда батареи, обеспечение длительного хранения в заряженном состоянии и повышение надежности батареи в процессе эксплуатации.
n
Поставленная задача решается тем, что предложен способ эксплуатации батареи накопителей электрической энергии, заключающийся в том, что батарею из  последовательно соединенных элементов разряжают и заряжают через отключающие ключевые элементы (КЭ). Предложенный способ отличается тем, что во время заряда батареи с помощью устройств управления (УУ) определяют элемент с конечным напряжением заряда (НЗК) и элемент с минимальным напряжением заряда (НЗМ), и если разница напряжений между ними будет меньше заданного значения, то у элемента с НЗК размыкают первый отключающий КЭ, после чего замыкают шунтирующий КЭ, далее размыкают второй отключающий КЭ, при этом все шунтирующие и первые отключающие КЭ с параллельно подключёнными полупроводниковыми диодами обеспечивают непрерывность протекания разрядного и зарядного тока соответственно, и оставляют в отключенном состоянии до окончания заряда батареи, иначе после размыкания второго отключающего КЭ, через сдвоенный включающий КЭ подключают данный элемент к двухпроводной балансировочной шине (ДБШ) для разряда током балансировки
, (1)
где  – ток балансировки в цепи балансировочной шины, А;
– конечное напряжение заряда элемента батареи, В;
– напряжение элемента с минимальным уровнем заряда, В;
– полное внутреннее сопротивление элемента батареи, Ом;
– сопротивление ключевого элемента в замкнутом (открытом) состоянии, Ом,
n-1
n-1
через параллельно подключенный аналогичным образом элемент с НЗМ. Далее с помощью УУ измеряют начальный ток балансировки и если он будет равен или меньше тока заряда батареи, то элемент с НЗМ включают обратном порядке в последовательную цепь батареи, а элемент с НЗК отключают от ДБШ и оставляют в отключенном состоянии до окончания заряда батареи, иначе, оба элемента оставляют подключенными к ДБШ до момента снижения тока балансировки к уровню тока заряда батареи, после чего оба элемента включают в обратном порядке в последовательную цепь батареи. Далее аналогичным образом осуществляют балансировку остальных элементов до достижения на последнем оставшимся в батарее элементе НЗК, после чего, заряд батареи прекращают, а находящиеся в отключенном состоянии  элементов включают в обратном порядке в последовательную цепь батареи или у данного элемента размыкают первый отключающий КЭ, после чего замыкают шунтирующий КЭ, далее размыкают второй отключающий КЭ и подключают его и все находящиеся в отключенном состоянии  элементов с помощью сдвоенных включающих КЭ к ДБШ и оставляют в таком положении для хранения батареи в заряженном состоянии.
При достижении на очередном элементе батареи НЗК до завершения балансировки ранее подключенной к ДБШ пары элементов с НЗК и НЗМ, у него размыкают первый отключающий КЭ, после чего замыкают шунтирующий КЭ, далее размыкают второй отключающий КЭ и оставляют в отключенном состоянии до окончания заряда батареи.
В качестве частного случая заряда батареи у всех элементов по мере достижения НЗК размыкают первый отключающий КЭ, после чего замыкают шунтирующий КЭ, далее размыкают второй отключающий КЭ и подключают с помощью сдвоенного включающего КЭ к ДБШ и оставляют в таком состоянии до окончания заряда батареи и после достижения на последнем оставшимся в батарее элементе НЗК, заряд батареи прекращают и все элементы включают в обратном порядке в последовательную цепь батареи или оставляют в таком положении для хранения батареи в заряженном состоянии.
Для переключения батареи из состояния хранения в рабочее состояние, все элементы одновременно отключают от ДБШ и включают в обратном порядке в последовательную цепь батареи.
При разряде или заряде батареи, у элемента, величина одного из контролируемых УУ технических параметров которого достигнет предельного значения, размыкают первый отключающий КЭ, после чего замыкают шунтирующий КЭ, далее размыкают второй отключающий КЭ и оставляют в отключенном состоянии до окончания разряда или заряда батареи соответственно.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена упрощенная функциональная схема, поясняющая работу по предлагаемому способу, на фиг. 2 приведены эквивалентная схема и схема замещения цепи балансировки двух элементов батареи, а на фиг. 3 представлен график токов балансировки двух элементов батареи.
n
Для реализации заявляемого способа предложено устройство (фиг. 1) аккумуляторной батареи 1, которая содержит в своем составе: CAN-шину 2, двухпроводную балансировочную шину (ДБШ) 3 и  аккумуляторных модулей 4. В свою очередь, аккумуляторный модуль (АМ) 4 состоит из следующих компонентов: аккумулятор 5, устройство управление (УУ) 6, первый отключающий ключевой элемент (КЭ) 7, полупроводниковый диод 8, шунтирующий КЭ 9, полупроводниковый диод 10, второй отключающий КЭ 11 и сдвоенный включающий КЭ 12.
УУ 6 измеряет напряжение и ток подключенного к нему аккумулятора 5, управляет КЭ 7, 9, 11 и 12, и выполняет по CAN-шине 2 обмен данными с УУ всех АМ 4 аккумуляторной батареи 1.
Способ реализуется следующим образом. В исходном состоянии КЭ 7 и 11 находятся в замкнутом состоянии, а КЭ 9 и 12 – в разомкнутом. Заряд батареи осуществляют от источника постоянного тока, стабилизированного в диапазоне выходного напряжения от  до .
Балансировку аккумулятора, достигшего НЗК осуществляют путем переключения с помощью КЭ от батареи к ДБШ и последующего разряда через подключенный аналогичным образом аккумулятор с НЗМ.
Величина текущего тока балансировки балансируемой пары аккумуляторов определяется соотношением (1) и зависит от разницы их напряжений заряда
(2)
где - разница напряжений заряда;
- конечное напряжения заряда аккумулятора;
- минимальное напряжение заряда аккумулятора,
и поясняется (на фиг. 2 слева) эквивалентной схемой цепи балансировки, включающей сопротивления четырех КЭ 1, источника ЭДС 2 с напряжением  и внутренним сопротивлением 3, источника ЭДС 4 с напряжением  и внутренним сопротивлением 5, и ее схемой замещения (на фиг. 2 справа), представленной источником ЭДС 6 с напряжением  и подключенному к нему суммарному сопротивлению эквивалентной цепи балансировки 7.
В связи с тем, что работа КЭ в статическом режиме исключает потери энергии, присущие динамическому режиму коммутации КЭ в активных системах балансировки, то это повышает эффективность заряда и надежность эксплуатации батареи. Так как реальное суммарное сопротивление цепи балансировки лежит в пределах от единиц до десятков мОм, то выполнение балансировки аккумуляторов предложенным способом сокращает тепловые потери и повышает эффективность заряда батареи. В предложенном способе балансировку элементов батареи выполняют параллельно с процессом ее заряда, что не накладывает ограничений на величину текущего тока заряда, поэтому, в сравнении с известными способами, это позволяет сократить общее время заряда батареи.
Включение в схему коммутации аккумуляторного модуля полупроводниковых диодов обеспечивает непрерывность протекания токов заряда и разряда, что повышает надежность батареи, в том числе и при питании электрической нагрузки, требовательной к качеству электроснабжения. Объединение аккумуляторов с помощью ДБШ в параллельную цепь в процессе хранения батареи позволяет исключить влияние разности их токов утечки на итоговую сбалансированность к концу срока хранения, что позволяет хранить батарею более длительное время без снижения надежности.
Последовательность действий при реализации способа эксплуатации батареи накопителей электрической энергии поясняется следующими примерами.
Пример 1: Заряд и балансировка аккумуляторной батареи
При достижении на одном из аккумуляторов 5 батареи 1 значения напряжения , при помощи присоединенного к нему УУ 6 регистрируют данное событие и инициируют, путем обмена данными по шине CAN 2, сравнение его напряжения с УУ, присоединенного к аккумулятору с минимальным напряжением заряда.
При разнице напряжений заряда () больше заданного значения, с помощью УУ размыкают в обоих аккумуляторных модулях 4 КЭ 7, замыкают КЭ 9, размыкают КЭ 11 и замыкают КЭ 12, и тем самым отключают аккумуляторы от батареи и подключают параллельно ДБШ 3, в которой возникает ток балансировки. В момент размыкания КЭ 7, ток заряда без прерывания начинает протекать сначала через открытый диод 8 и КЭ 11, далее через замкнутый КЭ 9, при этом диод 8 запирается обратным напряжением аккумулятора до момента размыкания КЭ 11. Когда  на балансируемых аккумуляторах достигнет значения, при котором ток балансировки и ток заряда сравняются, аккумуляторы отключают от ДБШ и включают обратно в последовательную цепь батареи.
При разнице напряжений заряда меньше заданного значения, с помощью КЭ 7, 9 и 11 аккумулятор с конечным напряжением заряда отключают от батареи и оставляют в отключенном состоянии до окончания заряда батареи.
При подключении к ДБШ пары аккумуляторов с начальным током балансировки, не превышающим ток заряда, оба аккумулятора отключают от ДБШ, аккумулятор с минимальным напряжением заряда включают обратно в батарею, а аккумулятор с конечным напряжением заряда оставляют в отключенном состоянии до окончания заряда батареи.
n-1
Когда общее количество аккумуляторов в отключенном состоянии достигнет количества  и на последнем оставшимся аккумуляторе в последовательной цепи батареи напряжение заряда достигнет величины НЗК, заряд батареи прекращают и все ранее отключенные элементы включаются обратно в последовательную цепь батареи, или его отключают от батареи и одновременно с ранее отключенными элементами подключают к ДБШ для обеспечения компенсации неравномерности токов утечки в процессе хранения батареи.
Пример 2: Отключение неисправного аккумулятора от батареи
Если во время разряда батареи 1, УУ 6 определит отказавший или достигший критического значения рабочих параметров аккумулятор 5, то при помощи КЭ 7, 9 и 11 его отключают от батареи, шунтируют и оставляют в таком состоянии до завершения текущего рабочего цикла батареи или восстановления рабочих параметров. При этом, после размыкания КЭ 7, ток разряда не прерывается и начинает протекать через открытый диод 10 до момента замыкания КЭ 9. После замыкания КЭ 9, ток начинает протекать через него, а диод 8 запирается обратным напряжением аккумулятора до момента размыкания КЭ 11.
Отключение отказавшего аккумулятора во время заряда батареи выполняют аналогичным образом.
Пример практической реализации с решением задачи изобретения
Предложенный способ эксплуатации батареи накопителей электрической энергии был опробован экспериментально на предварительно изготовленной конструкции опытного образца четырехэлементной аккумуляторной батареи, состоящей из четырех последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов с катодом на основе , номинальным напряжением 3.2 В и емкостью 300 А∙ч каждый. В качестве КЭ в конструкции опытного образца были применены транзисторные ключи на основе МДП-транзистора. Применение в устройстве батареи заявленного способа позволило, при токе заряда батареи величиной 50 А, на параллельно подключенных к ДБШ аккумуляторах с начальной разностью напряжений их заряда 0.7 В, получить величину начального тока балансировки на уровне 105 А со спадом до уровня тока заряда в течении 70 сек., что поясняется графиком на фиг. 3. До начала балансировки в момент времени  и после ее окончания в момент времени , через аккумуляторы протекает ток заряда  батареи 1. В момент времени  пара аккумуляторов подключается к ДБШ и через них в интервале от  до  протекает ток балансировки, который по отношению к аккумулятору с НЗМ является током заряда 2, а по отношению к аккумулятору с НЗК – током разряда  3. Кроме того, в момент отключения любого аккумулятора при помощи КЭ от батареи и его обратного включения в процессе заряда или разряда батареи, прерывания текущего тока не происходило.
Полученные в результате эксперимента данные демонстрируют техническую реализуемость и эффективность аккумуляторной батареи, изготовленной на основе заявленного способа.