ЗАРЯДКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ БАТАРЕИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
SMART ACCUMULATOR BATTERY CHARGING WITH DIRECT CURRENT

Настоящее изобретение относится к способу и интеллектуальному батарейному блоку для зарядки с помощью постоянного тока, причем батарейный блок состоит из множества батарейных модулей, каждый из которых оснащен по меньшей мере двумя полупроводниковыми выключателями питания и по меньшей мере одним накопителем энергии. Описано регулирование уровня напряжения интеллектуального батарейного блока согласно статическим или динамическим условиям источника зарядки.
Батарейные блоки, традиционно устанавливаемые в электрических транспортных средствах в настоящее время, представляют собой блоки с неподвижным проводным соединением, например отдельные элементы батареи, чью заданную схему последовательно-параллельного или взаимного соединения нельзя изменить. Это означает, что напряжение, используемое при разрядке, например в инверторе, также используется для зарядки. Неподвижное проводное соединение определяет максимальное напряжение батарейного блока в состоянии полного заряда и без явления потери качества от времени. Если состояние заряда снижается, напряжение батарейного блока с неподвижным проводным соединением может уменьшаться на величину до 50%.
Батарейный блок также не оснащен дополнительными управляющими компонентами для зарядки постоянным током по умолчанию. Зарядное гнездо присоединено непосредственно к точкам соединения батареи или батарейного блока без какой-либо изоляции от постоянного тока, причем мощность зарядки определяется устройством управления зарядкой. Таким образом, традиционный батарейный блок можно заряжать только управляемым источником зарядки постоянного тока с заданным уровнем напряжения, при котором 400 В и 800 В являются обычными уровнями напряжения. Если номинальное напряжение батарейного блока выше максимального зарядного напряжения зарядной колонны, которую необходимо установить, батарейный блок невозможно зарядить на этой зарядной колонне.
Более того, в традиционном батарейном блоке отдельные элементы батареи или батарейные модули невозможно сбалансировать во время зарядки относительно соответствующих состояний заряда соответствующих накопителей энергии, содержащихся в отдельных батарейных модулях. В связи с этим, зарядка прерывается, обычно незадолго до достижения состояния полного заряда батарейного блока, элементы батареи активно или пассивно балансируются и зарядка возобновляется. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто состояние заряда батарейного блока, равное приблизительно 100%.
Применительно к традиционным вариантам реализации батарейного блока известны модификации неподвижного проводного соединения элементов батареи. Таким образом, в документе DE 102014004790 A1 описано устройство переключения, которое, для зарядки, может переключать два накопителя энергии, соединенные параллельно, соответственно двум элементам батареи, в последовательную цепь. В этом случае, идентифицируют параметр зарядки источника энергии снаружи транспортного средства, и действием переключающего устройства управляют согласно указанному параметру зарядки. Таким образом, накопители энергии преимущественно должны быть соединены друг с другом таким образом, чтобы их можно было заряжать с более высоким зарядным напряжением и, как следствие этого, с меньшим временем зарядки.
В документе DE 102015211683 A1 описан способ вторичной зарядки накопителя энергии с помощью резервной системы батарейного питания, содержащей множество модулей. Модули соединены друг с другом для зарядки посредством системы подачи питания таким образом, что напряжение резервной системы батарейного питания ниже пикового напряжения системы подачи питания. Для того, чтобы зарядить накопитель энергии, конфигурацию указанных модулей изменяют подходящим образом.
В документе US 2014197684 A описан блок управления, который формирует последовательную цепь вторичных элементов батареи. В зависимости от уровня выходного напряжения солнечной батареи последовательно соединяется некоторое количество вторичных элементов батареи.
Учитывая эти предпосылки, целью настоящего изобретения является предоставление способа зарядки постоянным током батарейного блока, в котором элементы батареи могут быть свободно соединены между собой в зависимости от условий уровня напряжения зарядной колонны или состояния заряда отдельных элементов батареи, причем цепь не требует наличия переключающего контактора, сравнительно большого и тяжелого электронного компонента или подобных средств защиты элементов батареи. Целью настоящего изобретения также является предоставление соответствующего интеллектуального батарейного блока для осуществления такого способа.
Для достижения вышеуказанной цели предложен способ зарядки постоянным током интеллектуального батарейного блока, который присоединен к зарядной колонне и содержит по меньшей мере два батарейных модуля, причем каждый из этих батарейных модулей содержит по меньшей мере два полупроводниковых выключателя питания и по меньшей мере один накопитель энергии, в котором батарейный блок присоединен для зарядки с помощью соединительной цепи и состояние каждого отдельного накопителя энергии контролируется, причем согласно непрерывной оценке состояний соответствующих накопителей энергии соответствующее последовательное и/или параллельное взаимное соединение соответствующих батарейных модулей друг с другом внутри батарейного блока формируется динамически посредством приведения в действие полупроводниковых выключателей питания. В зависимости от взаимного соединения батарейных модулей, в этом случае достигается более высокий или низкий уровень напряжения по сравнению с номинальным уровнем напряжения батарейного блока, установленного для разрядки. Следовательно, такой батарейный блок можно заряжать при уровне напряжения зарядной колонны, который не зависит от номинального уровня напряжения указанного батарейного блока и, после зарядки, он может приобретать определенную форму взаимного соединения, например параллельного взаимного соединения множества батарейных модулей, которая оптимальна для работы, например для подачи питания на электродвигатель. В этом случае соответствующий накопитель энергии может состоять, например, из химического источника напряжения или топливного элемента или другого блока накопления энергии. Состояние соответствующего накопителя энергии может соответствовать степени зарядки, количеству циклов зарядки, расчетному возрасту (обозначаемому термином «исправность» специалистами в данной области), числу глубоких разрядок или другой переменной, обозначающей мощность накопителя энергии.
В одном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению во взаимном соединении динамически осуществляют выбор между последовательным взаимным соединением соседних батарейных модулей и параллельным взаимным соединением соседних батарейных модулей. Также предусмотрено динамическое взаимное соединение множества батарейных модулей, в качестве исключительно соседних батарейных модулей, друг с другом с помощью полупроводниковых выключателей питания.
В дополнительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению взаимное соединение идет в обход по меньшей мере одного батарейного модуля внутри батарейного блока. Это может происходить, например, когда состояние батарейного модуля или по меньшей мере одного накопителя энергии, который содержится в батарейном модуле, превышает лимит состояния заряда, причем этот лимит предварительно определен как полный заряд. В частности, но также в случае нерабочего накопителя энергии, например из-за потери качества от времени, вариант подключения в обход указанного накопителя энергии обеспечивает дальнейшую работу всего батарейного блока.
В одном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению различные режимы зарядки осуществляют посредством соответствующего подходящего взаимного соединения батарейных модулей. В качестве примера, зарядка, которая сохраняет срок службы накопителей энергии, например ночная зарядка, быстрая зарядка, частичная зарядка до предопределенного процента от общей зарядной емкости, или использование дополнительных источников, таких как источник переменного тока, например, предусмотрена в качестве одного возможного режима зарядки.
TB
,j
t
j
В одном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению обмен энергией между отдельными батарейными модулями или их накопителями энергии осуществляют посредством подходящего взаимного соединения батарейных модулей. В связи с этим, во время зарядки батарейного блока соответствующий батарейный модуль, в котором отслеживание состояния по меньшей мере одного соответствующего накопителя энергии указывает на более низкую зарядку по сравнению с другим батарейным модулем, соединен параллельно с другим батарейным модулем, так что может происходить обмен энергией между двумя батарейными модулями или между их накопителями энергии. Это может происходить с учетом заряда, посредством которого парциальный ток зарядки i, измеренный за время , протекал к накопителю энергии  (1).
В дополнительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению зарядку постоянным током батарейных модулей осуществляют в электрических, химических и тепловых условиях, идеальных для соответствующих накопителей энергии, посредством подходящего взаимного соединения батарейных модулей. Исходя из известной информации о типе и состоянии соответствующего накопителя энергии зарядка может осуществляться в соответствии с заданными оптимальными условиями. Например, для достижения оптимальной рабочей температуры батарейный блок может быть нагрет, причем в процессе нагревания, в частности при соединении с зарядной колонной, можно получать от нее энергию, и, следовательно этот процесс может быть осуществлен без потерь со стороны батарейного блока. В отличие от этого, зарядный ток, протекающий к накопителю энергии, возможно вследствие измененного взаимного соединения батарейного модуля, содержащего соответствующий накопитель энергии, можно уменьшить при превышении заданного лимита температуры во время зарядки накопителем энергии. Кроме того, уровень напряжения в случае химического источника напряжения преимущественным образом можно регулировать согласно характерной кривой оптимальной зарядки посредством взаимного соединения батарейных модулей.
В одном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению уровень напряжения нерегулируемой зарядной колонны, присоединенной к батарейному блоку, фиксируют непрерывно, при необходимости периодически, и взаимным соединением батарейных модулей управляют таким образом, чтобы уровень напряжения батарейного блока всегда был ниже уровня напряжения зарядной колонны или равен ему. Только когда уровень напряжения батарейного блока, обусловленный соответствующим взаимным соединением батарейных модулей, ниже соответствующего уровня напряжения зарядной колонны, соединительная цепь позволяет осуществлять зарядку батарейного блока. В этом случае зарядка может происходить в каждой зарядной колонне, чей уровень напряжения меньше максимального уровня напряжения батарейного блока или равен ему, что является результатом последовательного соединения всех накопителей энергии батарейного блока. Взаимным соединением батарейных модулей предпочтительно управляют таким образом, чтобы достичь наивысшего возможного уровня напряжения для батарейного блока, причем этот уровень напряжения все равно чуть ниже зафиксированного уровня напряжения зарядной колонны или соответствует ему, но в любом случае не превышает указанный уровень напряжения. В связи с этим, последовательное или параллельное взаимное соединение регулируется путем приведения в действие полупроводниковых выключателей питания батарейных модулей.
В дополнительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению в случае полностью нерегулируемой зарядной колонны, присоединенной к батарейному блоку, интеллектуальный батарейный блок осуществляет регулировку тока, причем уровень напряжения батарейного блока регулируют посредством последовательного и/или параллельного взаимного соединения батарейных модулей друг с другом в непрерывной последовательности для обеспечения протекания тока в заданном направлении. Для осуществления плавной регулировки тока, то есть регулировки, на которую не влияют отдельные этапы переключения соответствующей схемы последовательно-параллельного соединения, соединительная цепь может содержать индуктивность в виде дополнительного электрического компонента. В качестве альтернативы, индуктивность также может быть обеспечена посредством соединительного кабеля и уже с достаточной величиной.
В еще одном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению уровень напряжения батарейного блока реализован посредством чередования присоединения и отсоединения отдельного батарейного модуля, последовательно присоединенного к остальному батарейному блоку, или отдельных батарейных модулей, присоединенных к остальным или другим батарейным модулям. Частота или скорость чередования между присоединением и отсоединением определяется задержкой реакции накопителя энергии в батарейном блоке на присутствие напряжения. Если указанная частота достаточно высокая, можно получить величину уровня напряжения, которая зависит не только от схемы последовательно-параллельного соединения. Таким же образом, с помощью этого способа можно достичь улучшенных этапов переключения даже в случае регулировки тока.
В одном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению фильтр нейтрализует выброс тока, происходящий вследствие изменения взаимного соединения батарейных модулей. Из-за изменения взаимного соединения, между соединительной цепью батарейного блока и зарядной колонной может внезапно возникать разница напряжений, причем эта разница напряжений приводит к появлению выброса тока. Такой выброс тока преимущественно нейтрализуется фильтром, расположенным между соединительной цепью, ведущей к зарядной колонне, и батарейным блоком.
В одном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению протекающий зарядный ток измеряют и, в зависимости от соответствующих состояний отдельных накопителей энергии, регулируют. Регулировка происходит посредством формирования последовательного и параллельного взаимного соединения батарейных модулей, что определяет уровень напряжения батарейного блока. Зарядку прекращают путем снижения до минимума зарядного тока и последующего размыкания соединительной цепи, ведущей к зарядной колонне.
В дополнительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению взаимное соединение батарейных модулей регулируют таким образом, что батарейный блок находится в идеальном состоянии для зарядки, причем идеальное состояние выбрано в соответствии с максимальным значением эффективности зарядной колонны или в соответствии с максимальным значением эффективности всей системы, состоящей из зарядной колонны, батарейного блока и соединительной цепи, или оптимальным профилем времени зарядки, что позволяет изменять батарейный блок во время быстрой зарядки минимальное количество раз. Батарейный блок приобретает идеальное состояние, когда схема последовательно-параллельного соединения спроектирована таким образом, что максимальная передача энергии от зарядной колонны на батарейный блок может происходить согласно соответствующим состояниям заряда батарейных модулей. Идеальное состояние можно определять, например, посредством способа, известного как «внести помехи и осуществлять наблюдение», один раз или непрерывно в ходе процесса зарядки. В этом случае, если способ согласно настоящему изобретению выполняют непрерывно в заданные временные интервалы, схема последовательно-параллельного соединения батарейных модулей батарейного блока, подобно способу градиентного определения, известного из вычислительной математики, изменяется во множестве направлений степени свободы для того, чтобы определить, стремится ли схема соединения к соответствующим образом выбранному идеальному состоянию или она удаляется от него. В случае зарядной колонны, максимальное значение эффективности задано таким сочетанием этого зарядного напряжения и этого зарядного тока, которое зарядная колонна может обеспечить без колебаний и при котором зарядная колонна обеспечивает наибольшую возможную передачу энергии.
Кроме этого, батарейный блок подчиняется кривой зарядки, известной из существующего уровня техники, как показано на фиг. 3. Сначала зарядка находится в пустом состоянии и изначально кривая зарядки характеризуется регулируемым напряжением, а в конце зарядки характеризуется регулируемым током. Регулировка двух диапазонов может осуществляться как батарейным блоком, так и зарядной колонной.
Также заявлен батарейный блок, который может быть присоединен к зарядной колонне для зарядки постоянным током, причем батарейный блок содержит по меньшей мере два батарейных модуля, каждый из которых содержит по меньшей мере два полупроводниковых выключателя питания и накопитель энергии, электрически присоединенный к по меньшей мере двум полупроводниковым выключателям питания, датчики для определения состояния соответствующего накопителя энергии, датчик, связанный с каждым батарейным модулем, для измерения протекающего зарядного тока и блок управления, оснащенный компьютерным процессором и компьютерной программой, выполняемой компьютерным процессором, причем батарейный блок выполнен с возможностью осуществления вышеописанного способа. Вместе с установленными датчиками, компьютерный процессор и компьютерная программа, выполняемая им, представляют интеллект батарейного блока, посредством которого осуществляется взаимное соединение согласно вышеописанному способу.
В одной конфигурации батарейного блока согласно настоящему изобретению батарейный блок дополнительно содержит соединительную цепь, содержащую фильтр, посредством которого батарейный блок может быть присоединен к зарядной колонне.
Наконец, заявлено механическое транспортное средство, оснащенное батарейным блоком согласно настоящему изобретению, причем механическое транспортное средство выполнено с возможностью осуществления способа согласно настоящему изобретению.
Дополнительные преимущества и конфигурации изобретения можно понять из описания и из прилагаемых графических материалов.
Само собой разумеется, что вышеупомянутые отличительные признаки и еще не рассмотренные отличительные признаки могут использоваться не только в соответствующей указанной комбинации, но также и в других комбинациях или по отдельности без отклонения от объема настоящего изобретения.
На фиг. 1 в качестве примера показано схематическое изображение различных конфигураций, которые может принять один вариант осуществления батарейного блока согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 показано схематическое изображение присоединения дополнительного варианта осуществления батарейного блока согласно настоящему изобретению к зарядной колонне посредством фильтра.
На фиг. 3 показан профиль, относящийся к известному уровню техники, кривой зарядки батарейного блока, присоединенного к зарядной колонне.
На фиг. 4 показана таблица, изображающая возможные варианты реализации батарейных модулей с вариантами осуществления способа согласно настоящему изобретению.
На фиг. 5 показано схематическое изображение сборки интеллектуального батарейного блока в соответствии с одним вариантом осуществления способа согласно настоящему изобретению.
U
U
=U
U
U
U
=2U
U
=U
U
=U
/2
n
CH
n
n
CH
CH,max
n
CH
n
CH
n
На фиг. 1 в качестве примера показано схематическое изображение 100 батарейного блока 111, 121 согласно известному уровню техники, в дополнение к различным конфигурациям 112, 122, 123, 124, которые может принимать батарейный блок согласно настоящему изобретению. В левом столбце 110 изображены номинальные конфигурации 111, 112, которые могут быть приняты для разрядки традиционного батарейного блока и батарейного блока согласно настоящему изобретению, в то время как конфигурации 121, 122, 123, 124 в правом столбце 120 принимают для зарядки. В верхнем ряду 101 изображен традиционный батарейный блок 111, 121, состоящий из единственного большого батарейного модуля, чьи отдельные накопители энергии соединены проводами друг с другом по неподвижной заданной схеме последовательно-параллельного соединения. Неподвижное проводное соединение определяет номинальный уровень напряжения , который представляет максимальное напряжение батарейного блока в случае полностью заряженного батарейного модуля и который предусмотрен в случае разрядки 131 цепи, или который должен применяться в качестве зарядного напряжения  в случае зарядки 141. В нижнем ряду 102 изображен интеллектуальный батарейный блок 112, 122, 123, 124, который представлен с левой стороны в номинальной конфигурации 112 для разрядки. В качестве примера, в конфигурации 112 два соответствующих батарейных модуля, параллельно соединенных друг с другом и содержащих полупроводниковые выключатели питания, присоединены последовательно и имеют номинальный уровень напряжения , предусмотренный в случае разрядки 132 цепи. Каждый отдельный батарейный модуль батарейных блоков 112, 122, 123, 124, изображенный в последовательном соединении 102, в данном случае содержит по меньшей мере один накопитель энергии и, если он содержит множество накопителей энергии, также может иметь внутреннее взаимное соединение последовательно-параллельным образом с помощью полупроводниковых выключателей питания. Наконец, в нижнем ряду 102 в правом столбце 120 изображены различные батарейные блоки 122, 123, 124, взаимно соединенные посредством одного варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению. В зависимости от конфигурации, для зарядки требуется другой уровень зарядного напряжения . Например, если последовательное соединение всех батарейных модулей 122 требует зарядки 142 при максимальном доступном зарядном напряжении , конфигурация 123, соответствующая номинальной конфигурации 112, требует зарядного напряжения  для зарядки 143, и полностью параллельное взаимное соединение батарейных модулей требовало бы зарядного напряжения  для зарядки 144.
На фиг. 2 показано схематическое изображение соединительной цепи 200, ведущей к соединению 208 одного варианта осуществления батарейного блока 206 согласно настоящему изобретению с зарядной колонной 202 посредством фильтра 204. Из-за изменения конфигурации батарейных модулей батарейного блока и изменения взаимного соединения, происходящего в этом процессе, между соединением 208 батарейного блока и зарядной колонной 202 может внезапно возникать разница напряжений, причем эта разница напряжений приводит к выбросу тока. Такой выброс тока преимущественно нейтрализуется фильтром 204, расположенным между соединением 208 и батарейным блоком 206.
На фиг. 3 показан профиль 300, относящийся к известному уровню техники, кривой зарядки для зарядки батарейного блока, присоединенного к зарядной колонне. В этом случае построен временной профиль 302, направленный вправо, и построены значения величины 304 соответствующего зарядного напряжения 321, 322, 323 и зарядного тока 311, 312, 313, направленные вверх. Сначала зарядка находится в пустом состоянии и в первом периоде 331 изначально характеризуется регулируемым напряжением, то есть зарядное напряжение 321 увеличивается в то время, как зарядный ток 311 остается неизменным. Во втором периоде 332 зарядка характеризуется регулируемой силой тока, причем зарядное напряжение 322 остается по существу неизменным и зарядный ток 312 уменьшается. Зарядку затем отключают в так называемой «точке выключения» 306, где зарядное напряжение имеет окончательную величину 323 и зарядный ток имеет окончательную величину 313. Окончательная величина 313 зарядного тока может составлять 5% величины зарядного тока 311. Регулировка в ходе двух периодов 331 и 332 может осуществляться как батарейным блоком, так и зарядной колонной.
На фиг. 4 показана таблица 400, изображающая возможные варианты реализации батарейных модулей с вариантами осуществления способа согласно настоящему изобретению. В левом столбце 410 изображены различные топологии 410, обеспечивающие разные состояния 420 соединения с помощью соответствующего варианта соединения полупроводниковых выключателей питания, присутствующих в соответствующей топологии 410. На изображенных топологиях 410 соответственно показан многоуровневый преобразователь 410, содержащий восемь полупроводниковых выключателей питания, многоуровневый преобразователь 402, содержащий шесть полупроводниковых выключателей питания, дополнительный многоуровневый преобразователь 403, содержащий шесть полупроводниковых выключателей питания, в так называемой микротопологии или модульной цепи, отличающейся от многоуровневого преобразователя 402, при возможных топологиях, содержащих шесть полупроводниковых выключателей питания, многоуровневый преобразователь 404, содержащий пять полупроводниковых выключателей питания, и многоуровневый преобразователь 405, содержащий три полупроводниковых выключателя питания. В некоторых вариантах применения не каждый вариант соединения полупроводниковых выключателей питания требуется для реализации желаемого состояния 420 соединения, что делает излишними некоторые из полупроводниковых выключателей питания многоуровневого преобразователя 201, оснащенного восемью полупроводниковыми выключателями питания. Соответственно, чем меньшее количество приведенных здесь состояний 420 соединения, например состояния «S+» 421 соединения, состояния «S-» 422 соединения, состояния «P» 423 соединения, состояния «B+» 424 соединения и состояния «B-» 425 соединения требуется, тем большее количество полупроводниковых выключателей питания можно сэкономить. Например, если в состояниях 420 соединения не требуется состояние «S-» 422 соединения, то может применяться многоуровневый преобразователь 405, содержащий только три полупроводниковых выключателя питания. Общее сопротивление цепи между зарядной колонной и батарейными модулями является важным для зарядного тока, и это общее сопротивление определяется состоянием заряда батарейных модулей и количеством полупроводниковых выключателей питания, соединенных в цепь, то есть замкнутых полупроводниковых выключателей питания. Различные варианты соединения имеют разные общие сопротивления для зарядного тока, в зависимости от присутствующей микротопологии. Другие микротопологии указаны, например, в патентных документах DE 102015112513, DE 102016112250, DE 102015112512, DE 102011108920 и DE 102010052934.
На фиг. 5 показано схематическое изображение сборки 510, 520, 530 интеллектуального батарейного блока 532 в соответствии с одним вариантом осуществления способа согласно настоящему изобретению. На первом этапе множество 515 элементов 514 батареи присоединяют к множеству полупроводниковых выключателей 512 питания с помощью элементов 513 цепи и электронной системы 511, в результате чего на втором этапе 520 образуется батарейный модуль 521. Множество батарейных модулей 531 образует интеллектуальный батарейный блок 532 на третьем этапе 530.