СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ОТ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
METHOD AND DEVICE FOR LOAD POWER SUPPLY FROM ELECTROCHEMICAL CURRENT SOURCES

Область техники, к которой относится изобретение.
Данное изобретение относится к электротехнике, а именно к способам и устройствам для питания нагрузки электрическим током от электрохимических источников тока, например, аккумуляторных батарей большой энергоемкости.
Предложенные способ и устройство предназначены, преимущественно, для электропитания высоким напряжением экспериментальных физических установок.
Уровень техники.
Известно устройство для электропитания нагрузки, в котором реализован способ балансировки последовательно соединенных секций электрохимических источников тока путем подзарядки наиболее разряженной секции от дополнительного источника питания [Устройство для питания нагрузки: пат. РФ 2293417, МПК H02J 7/34 (2006.01) / Литвиненко C.B., Дзенкевич А.В. Сизов М.В., Разумов С.Н.; заявитель и патентообладатель Разумов C.H. - №2002107406/09, заявл. 26.03.2002; опубл. 10.02.2007, Бюл. №4. - 7 с.: ил.]. Дополнительный источник питания включает в себя генератор импульсов, многообмоточный разделительный трансформатор, выпрямители, к выходам которых подключены химические источники энергии всех секций.
Недостатком такого способа и устройства является использование дополнительного источника питания, что усложняет конструкцию и снижает надежность.
Известен также способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания [Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания: пат. РФ 2461102, МПК Н01M 10/44 (2006.01), Н01M 10/0525 (2010.01) / Опенько С.И., Нестеришин М.В., Коротких В.В.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" (РФ) - №2011112749/07, заявл. 01.04.2011; опубл. 10.09.2012, Бюл. №25. - 7 с.: ил.].
Этот способ включает периодическую балансировку соединенных последовательно секций аккумуляторов по напряжению, путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением, подключения к оставшимся аккумуляторам индивидуальных разрядных резисторов с последующим отключением соответствующих резисторов при достижении напряжения на соответствующих аккумуляторах до уровня напряжения первоначально выбранного аккумулятора. Балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в процессе заряда (подзаряда) секций аккумуляторной батареи, при этом сравнение напряжения каждого балансируемого аккумулятора с напряжением первоначально выбранного аккумулятора проводят по текущему значению последнего. Устройство для реализации этого способа содержит M секций аккумуляторов соединенных последовательно, разрядные сопротивления, подключенные параллельно каждой секции через управляемые коммутаторы.
Этот способ является наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату и был принят за прототип изобретения.
Недостатком прототипа являются потери электрической энергии на разрядных сопротивлениях. Кроме этого, балансировка не производится в течение разряда аккумуляторов на нагрузку. Последнее особенно важно при длительной работе аккумуляторов на нагрузку, при которой и происходит разбалансировка секций аккумуляторной батареи. Кроме того, устройство не позволяет регулировать величину напряжения на нагрузке во время разряда.
Раскрытие изобретения.
Техническая задача изобретения заключается в разработке системы бесконтактной коммутации последовательно соединенных химических источников тока (аккумуляторов) с помощью мощных транзисторов и быстрых диодов, что давало бы возможность осуществлять регулировку напряжения в процессе разряда на группе последовательно соединенных аккумуляторов и проводить их балансировку.
Целью данного изобретения является способ и устройство для электропитания нагрузки с возможностью регулирования напряжения на нагрузке и балансировки напряжения последовательно соединенных секций с электрохимическими источниками тока, например, аккумуляторными батареями, при разряде последних на нагрузку.
Способ заключается в том, что измеряют напряжение электрохимических источников тока каждой секции, выбирают секции с наибольшим напряжением заряда электрохимических источников тока, суммарно обеспечивающих требуемое напряжение на нагрузке, и включают для разряда на нагрузку выбранные секции. В процессе разряда на нагрузку при достижении минимально допустимого значения напряжения одной из секций ее выключают. Во время дальнейшего разряда на нагрузку секций, оставшихся включенными, в результате снижения напряжения на них происходит уменьшение разброса значений напряжений на электрохимических источниках, находящихся во включенных и невключенных секциях. Тем самым производят балансировку источников секций.
После выключения секции с электрохимическим источником тока с минимально допустимым значением напряжения, включают секцию, из числа невключенных секций, имеющую максимальное напряжение электрохимического источника тока.
С целью регулирования напряжения на нагрузке, включают (выключают) секции источника электропитания в определенной последовательности с задержкой (опережением) по времени относительно ранее включенной (выключенной) секции, причем секции с большим напряжением заряда, включают на больший период времени.
С целью улучшения качества напряжения на нагрузке, путем снижения на нагрузке интенсивности наброса энергии при включении секций и сброса энергии при их отключении в процессе ступенчатого регулирования, осуществляют импульсную модуляцию (ИМ), позволяющую изменять коэффициент заполнения, например, широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) разрядного напряжения электрохимического источника тока, по крайней мере, в одной секции. Пачки широтно-модулированных импульсов напряжения источника этой секции включают непосредственно перед включением и после выключения напряжения очередной секции. При этом пульсации действующего напряжения относительно высокочастотной ШИМ сглаживаются на реактивных составляющих сопротивления нагрузки.
С целью балансировки последовательно включенных секций по напряжению при длительном разряде устройства на нагрузку, осуществляют ШИМ напряжения электрохимических источников тока всех включенных секций кроме включенной секции с наибольшим напряжением электрохимического источника тока. Причем длительность пауз ШИМ пропорциональна разнице напряжений между наибольшим напряжением включенной секции и напряжением модулируемого источника данной секции.
При балансировке длительность пауз ШИМ пропорциональна разнице напряжений между наибольшим напряжением включенной секции и минимальным напряжением другой включенной секции с минимальным напряжением.
Для снижения пульсаций напряжения на нагрузке при балансировке, паузы ШИМ разных включенных секций сдвинуты по времени относительно друг друга так, что не совпадают по времени. При этом амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке не превышает напряжения электрохимического источника тока одной секции.
Для снижения пульсаций напряжения на нагрузке при балансировке, на время пауз ШИМ включенных секций, включают электрохимический источник тока выключенной секции с максимальным напряжением.
Устройство для питания нагрузки от электрохимических источников тока, состоящее из последовательно соединенных M секций, каждая из которых содержит электрохимический источник тока, например аккумуляторную батарею, и управляемый коммутатор, например транзисторный ключ. Кроме того, содержится схема управления коммутаторами, которая подключена к управляющим электродам коммутаторов. Причем цепи управления каждого коммутатора не связаны с цепями управления остальных коммутаторов и обеспечивают независимое управление каждым коммутатором. Электрохимический источник энергии и управляемый коммутатор каждой секции соединены согласно-последовательно и подключены к выходным зажимам секции. Таким образом, во включенном состоянии коммутаторов, электрохимические источники всех секций соединены согласно-последовательно. Свободные выводы последовательно соединенных секций являются полюсами и выведены для подключения к нагрузке и схеме управления. Между выводами каждой секции включен шунтирующий вентиль в полярности встречной полярности электрохимического источника тока данной секции.
Краткое описание чертежей.
Сущность предложенного способа и устройства поясняется прилагаемыми чертежами. На фиг. 1-8, представлены графики напряжений Uа, …Uд на секциях электрохимических источников тока и на нагрузке в зависимости от времени t, поясняющие работу предложенных вариантов способа и устройства. На фиг. 9 показана электрическая схема устройства для электропитания нагрузки.
Осуществление изобретения.
Варианты осуществления способа.
Вариант осуществления способа иллюстрируется на фиг. 1, где показаны в зависимости от времени напряжения трех секций Ua, Uб, Uв и их суммарное напряжение Uг. Вариант способа заключается в том, что измеряют напряжение электрохимических источников тока каждой секции, включают для работы на нагрузку секции с наибольшим напряжением, в данном случае три секции с напряжением Ua, Uб, Uв, показанных на графиках, совместно обеспечивающих требуемое напряжение на нагрузке. В процессе разряда электрохимических источников тока происходит разбалансировка секций. При достижении напряжением одной из секций, например Uв, значения выбранного минимально допустимым при разбалансировке, в момент времени t2, эту секцию отключают. При продолжении разряда оставшихся подключенных секций Ua, Uб, в период времени t2-t3 происходит снижение напряжения на них, разница между напряжением отключенной секции Uв и оставшимися в состоянии разряда секциями Ua, Uб, уменьшается, а, следовательно, происходит балансировка электрохимических источников энергии.
Вариант осуществления способа иллюстрируется на фиг. 2, где показаны в зависимости от времени напряжения четырех секций Ua, Uб, Uв, Uг и их суммарное напряжение Uд. Вариант способа заключается в том, что измеряют напряжение электрохимических источников тока каждой секции, включают для работы на нагрузку секции с наибольшим напряжением, в данном случае три секции Ua, Uб, Uв с напряжением, показанных на графиках, совместно обеспечивающих требуемое напряжение на нагрузке. В процессе разряда электрохимических источников энергии тока происходит разбалансировка секций. При достижении напряжением одной из секций, значения выбранного минимально допустимым при разбалансировке, в момент времени t2 эту секцию отключают. После отключения секции с электрохимическим источником тока с минимально допустимым значением напряжения, например Uв, включают секцию с максимальным напряжением, из числа невключенных. В данном случае включают секцию с напряжением Uг в момент времени t2. При этом суммарное напряжение Uд в течение всего времени разряда t1-t3 практически не изменяется. Разряд включенных секций сближает по величине их напряжение с напряжением невключенных секций, следовательно, производится балансировка секций источников питания.
Вариант осуществления способа иллюстрируется на фиг. 3, где показаны в зависимости от времени напряжения трех секций Ua, Uб, Uв и их суммарное напряжение Uг при регулировании суммарного напряжения на нагрузке. Вариант способа заключается в том, что балансировка производится в процессе регулирования напряжения на нагрузке с целью создания определенной формы суммарного напряжения. При этом секции включают (выключают) в определенной последовательности с задержкой (опережением) по времени относительно ранее включенной (выключенной) секции. Таким образом, суммарное напряжение всех включаемых секций обеспечивает требуемую форму суммарного напряжения. Для балансировки, секции с большим напряжением заряда, включают на больший период времени. Балансировка происходит благодаря тому, что секции с большим зарядом разряжаются в большей степени, чем секции с меньшим зарядом за меньшее время при равном токе разряда. На данных графиках секции с напряжениями заряда Ua, Uб, Uв включают в моменты времени t1, t2, t3 и выключают в моменты времени t4, t5, t6. При этом формируются длительности напряжений Ua, Uб, Uв соответственно равные t6-t1, t5-t2, t4-t3. Суммарное напряжение Uг имеет форму близкую к трапециевидной. Для балансировки секций при таком режиме разряда предварительно выбирают секции с наибольшими напряжениями заряда, в данном случае Ua, Uб, Uв. Если напряжения распределены между секциями в порядке Ua>Uб>Uв, то длительности включенного состояния соответствующих секций выбирают t6-t1> t5-t2> t4-t3. Выбор секций с наибольшим зарядом для формирования напряжения позволяет выполнить балансировку между включаемыми и не включаемыми секциями. Балансировку между включаемыми секциями производят выбором длительности включения секций в процессе разряда на нагрузку.
Вариант осуществления способа иллюстрируется на фиг. 4, где показаны в зависимости от времени напряжения трех секций Ua, Uб, Uв и их суммарное напряжение Uг при регулировании суммарного напряжения на нагрузке с применением ШИМ на секции Uв. Вариант способа заключается в том, что с целью улучшения качества напряжения, формируемого сложением напряжений Ua и Uб, производится снижение на нагрузке интенсивности наброса энергии при включении секций с напряжением Ua и Uб и сброса энергии при их отключении в процессе ступенчатого регулирования (сглаживания действующего напряжения). По крайней мере, в одной секции с напряжением Uв, осуществляют импульсную модуляцию (ИМ) позволяющую изменять коэффициент заполнения, например, широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) разрядного напряжения электрохимического источника. В данном случае формируют пачки широтно-модулированных импульсов напряжения Uв непосредственно перед включением и после выключения напряжений Ua и Uб. Для формирования ШИМ напряжения Ua и Uб используется электрохимический источник энергии отдельной секции. Напряжение Uг, равное сумме напряжений Ua, Uб, Uв, подается на нагрузку. При этом действующее значение этого напряжения сглажено.
Вариант осуществления способа иллюстрируется на фиг. 5, где показаны в зависимости от времени напряжения двух секций Ua, Uб и их суммарное напряжение Uг при регулировании суммарного напряжения на нагрузке с применением ШИМ на секциях Ua, Uб. Вариант способа заключается в том для ШИМ используют электрохимические источники с напряжением Ua и Uб с длительными участками соответственно t2-t5 и t3-t4, предназначенным для формирования основной по длительности части напряжения без импульсной модуляции. Для сглаживания скачка при включении и спада при выключении напряжений Ua и Uб, их начальные участки t1-t2 и t2-t3, а также конечные участки t4-t5 и t5-t6 подвергают ШИМ, в результате чего происходит сглаживание действующего значения напряжений Ua и Uб, а, следовательно, и суммарного напряжения Uг. При этом суммарное напряжение Uг полностью совпадает с напряжением Uг на фиг. 4.
Вариант осуществления способа иллюстрируется на фиг. 6, где показаны в зависимости от времени напряжения трех секций Ua, Uб, Uв и их суммарное напряжение Uг при балансировке секций и регулировании суммарного напряжения на нагрузке с применением ШИМ на секции Uв. Вариант способа заключается в том, что балансируют секции Ua, Uб, Uв и регулируют действующее напряжение на выходе устройства Uг при длительном разряде на нагрузку. Для этого ШИМ подвергают наименьшее напряжение Uв включенных секций в течение всего времени разряда. В связи меньшим разрядом электрохимического источника с регулируемым ШИМ разрядом, происходит балансировка заряда включенных секций. Регулирование действующего напряжения за счет ШИМ по крайней мере одной секции, в сочетании с включением (выключением) не регулируемых ШИМ секций, позволяет регулировать суммарное действующее напряжение всех секций в диапазоне от нуля до суммы напряжений электрохимических источников всех секций.
Вариант осуществления способа иллюстрируется на фиг. 7, где показаны в зависимости от времени напряжения трех секций Ua, Uб, Uв и их суммарное напряжение Uд при балансировке секций и регулировании суммарного напряжения на нагрузке с применением ШИМ на секциях Uб, Uв. Вариант способа заключается в том, что регулируют действующее напряжение на выходе устройства Uг при длительном разряде на нагрузку. Для этого ШИМ подвергают напряжения всех секций кроме секции с максимальным напряжением заряда Ua. При этом импульсы ШИМ всех секций с модулируемым напряжением имеют одинаковую частоту, и сдвинуты по времени так, что паузы между импульсами секций не совпадают друг с другом. Так на данном рисунке импульсы напряжений Uб и Uв сдвинуты на время t5-t3. Это обеспечивает ограничение величины пульсаций суммарного напряжения всех секций величиной напряжения заряда электрохимического источника одной секции и кратно увеличивает частоту пульсаций, что облегчает их фильтрацию в нагрузке.
Вариант осуществления способа иллюстрируется на фиг. 8, где показаны в зависимости от времени напряжения четырех секций Ua, Uб, Uв, Uг и их суммарное напряжение Uд при балансировке секций и регулировании суммарного напряжения на нагрузке с применением ШИМ на секциях Uб, Uв и Uг. Вариант способа заключается в том, что для устранения пульсаций суммарного напряжения всех включенных секций Ua, Uб, Uв производят импульсную модуляцию напряжения электрохимического источника с наименьшим напряжением заряда Uг. При этом длительность и положение по времени импульсов Uг совпадают с паузами пульсаций суммарного напряжения остальных включенных секций Ua, Uб, Uв. В результате этого суммарное напряжение ид практически не имеет пульсаций.
Описание конструкции устройства.
Электрическая схема устройства для питания нагрузки от электрохимических источников тока (п. 9 формулы изобретения) показана на фиг. 9. Устройство состоит из соединенных последовательно секций 1-1…1-М. Каждая секция содержит электрохимический источник энергии 2-1…2-М и управляемый коммутатор 3-1…3-М, соединенные согласно-последовательно. Между выводами каждой секции включен шунтирующий вентиль 4-1…4-М в полярности встречной полярности электрохимического источника тока 2-1…2-М данной секции. Кроме того, содержится схема управления коммутаторами 5, которая подключена к управляющим электродам коммутаторов 3-1…3-М. Свободные концы последовательно соединенных секций выведены для подключения к схеме управления 5 и нагрузке 6.
Работа устройства.
Устройство для питания нагрузки от электрохимических источников тока (фиг. 9) работает следующим образом. В исходном состоянии все управляемые коммутаторы 3-1…3-М выключены. При этом напряжение и ток нагрузки 6 равны нулю. При подаче сигналов управления от схемы управления 5 на N (где N≤M) управляемых коммутаторов 3 последние включаются и замыкают электрическую цепь, содержащую N электрохимических источников секций 2 и M-N вентилей 4, шунтирующих секции с невключенными управляемыми коммутаторами 3. При этом на нагрузку 6 подается напряжение, равное сумме напряжений N включенных секций. Шунтирующие вентили 4 включенных секций заперты обратным напряжением электрохимических источников 2, шунтируемых этими вентилями секций. Регулирование напряжения на нагрузке 6 производится тем, что в процессе разряда включенных секций по сигналам от схемы управления 5 производится дополнительно включение невключенных секций, или выключение ранее включенных секций. При этом происходит ступенчатое изменение напряжения на нагрузке 6, показанное на фиг. 1-3. Для плавного изменения действующего напряжения на нагрузке 6, выполняют импульсное модулирование с регулируемым коэффициентом заполнения (например, ШИМ) напряжения, по крайней мере, одного электрохимического источника 2. Примеры регулирования напряжения с использованием ШИМ показаны на фиг. 4-8.
На фиг. 4 и 5 ШИМ напряжения используется для формирования относительно короткого импульса со сглаженным действующим напряжением на нагрузке 6 путем формирования ШИМ фронтов напряжения. На фиг. 4 для ШИМ используется специально выделенный электрохимический источник одной из включенных секций с напряжением Uв. На фиг. 5 ШИМ подвергается напряжения Ua и Uб всех включенных секций в начале и в конце импульсов. В обоих случаях напряжение на нагрузке, равное сумме напряжений включенных источников, одинаково.
На фиг. 6 и 7 ШИМ напряжения используется для регулирования действующего напряжения на нагрузке в течение длительной работы. На фиг. 6 для ШИМ используется специально выделенный электрохимический источник одной из включенных секций с напряжением Uв. ШИМ напряжения одной секции позволяет плавно регулировать действующее напряжение на нагрузке равное суммарному действующему напряжению всех включенных секции в диапазоне от нуля до максимального значения, путем простого включения дополнительных секций.
На фиг. 7 ШИМ подвергается напряжения Uб и Uв всех электрохимических источников включенных секций. При этом импульсы ШИМ всех секций с модулируемым напряжением имеют одинаковую частоту, и сдвинуты по времени так, что паузы между импульсами секций не совпадают друг с другом. Так на данном рисунке импульсы напряжений Uб и Uв сдвинуты на время t5-t3. Это обеспечивает ограничение величины пульсаций суммарного напряжения всех секций величиной напряжения заряда электрохимического источника одной секции и кратно увеличивает частоту пульсаций.
Балансировка напряжений электрохимических источников секций заключается в уменьшении разницы их напряжений заряда. Разница напряжений заряда возникает в результате технологических разбросов параметров электрохимических источников при разряде их на нагрузку одним по значению током. Следовательно, разница напряжений заряда сокращается, если в течение разряда сокращать время разряда источников с меньшим напряжением заряда, относительно времени разряда источников с большим напряжением заряда. Этим достигается балансировка напряжений электрохимических источников последовательно соединенных секций. Сокращение времени разряда электрохимических источников достигается при следующих условиях:
- Включение для разряда на нагрузку секций с электрохимическими источниками, имеющими большее напряжение заряда.
- Выключение источника с наименьшим напряжением заряда.
- Включение на больший период времени электрохимических источников с большим напряжением заряда, относительно периода времени включения электрохимических источников с меньшим напряжением заряда.
- Использование импульсной модуляции с регулированием коэффициента заполнения для источников с относительно низким напряжением заряда.
Измерение напряжения на каждом электрохимическом источнике и нагрузке, а также выработку управляющих сигналов на коммутаторы выполняет схема управления 5.
Данное техническое решение позволяет регулировать напряжение источника электропитания во всем диапазоне от нуля до суммарного напряжения всех M секций. Балансировка последовательно соединенных электрохимических источников питания производится в течение разряда их на нагрузку. При этом регулирование действующего напряжения и балансировка тесно связаны и выполняются одновременно за счет импульсной модуляции напряжения секции, а также за счет выбора секций для включения и выключения. Предложенный источник электропитания нагрузки может использоваться как самостоятельно, так и в качестве источника вольтодобавки более мощного источника.