БАТАРЕЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА С БАЛАНСОМ НАПРЯЖЕНИЙ
CHEMICAL CELL BATTERY WITH VOLTAGE BALANCE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании батарей первичных и вторичных источников тока. В частности, изобретение касается конструкции устройства блока аккумуляторных батарей, выполненного с функцией достижения одновременного заряда или разряда элементов батарей различной емкости посредством перераспределения энергии заряда/разряда между батареями.
Аккумуляторные батареи характеризуются тем, что их характеристики со временем могут неравномерно ухудшаться. Это приводит к тому, что емкость батареи в целом существенно снижается, равняясь на самый худший аккумулятор, несмотря на то что не исчерпана емкость остальных аккумуляторов в батарее. Для избежания этой ситуации используются так называемые "балансиры". Задача балансира - добиться одинаковой зарядки аккумуляторов в батарее, то есть нивелирования разбаланса напряжений на отдельных аккумуляторах или модулях аккумуляторов. Фактически для этого используются дополнительные сопротивления, которые автоматически уменьшают ток заряда на хороших батареях, рассеивая его в тепло и выравнивая напряжение на всех батареях одновременно. Этот способ не решает проблемы неравномерного разряда батарей. Т.е. батарея считается разряженной, если разрядился один из аккумуляторов всей батареи.
Известна аккумуляторная батарея с устройством нивелирования разбаланса напряжений на отдельных аккумуляторах или модулях аккумуляторов. Устройство нивелирования разбаланса содержит трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу аккумуляторов или модулей, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой, систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератор импульсов и формирователь импульсов управления ключевыми элементами в виде емкости (RU 2156533, опубл. 2000 г.).
Недостатком известной батареи являются сложность электрической схемы выравнивания напряжения на отдельных аккумуляторах в батарее, а также необходимость использования относительно мощных трансформаторов.
Также известна батарея первичных или вторичных химических источников тока (ХИТ), содержащая множество единичных ХИТ или модулей из нескольких ХИТ, соединенных в последовательную электрическую цепь, выравнивающее устройство, обеспечивающее при работе батареи выравнивание напряжений на отдельных ХИТ или модулях, состоящее из одного или нескольких источников постоянного тока, выходы которых подключены параллельно каждому единичному ХИТ или модулю таким образом, что их полярности совпадают, блок управления выравнивающим устройством, в качестве источников постоянного тока используются вспомогательные ХИТ, топливные элементы или электронные блоки, питание которых осуществляется от внешних (относительно батареи) источников энергии. В этой батарее ХИТ в качестве электронных блоков используется трансформатор с одной или несколькими вторичными обмотками, которые подключены к единичным ХИТ или модулям и имеют в цепях подключения по крайней мере один элемент с однонаправленной проводимостью, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к внешней сети переменного тока (RU 2230418, H02J 7/00, Н01М 10/44, опубл. 2004.06.10).
Недостатком известной батареи также являются сложность электрической схемы выравнивания напряжения на отдельных аккумуляторах в батарее, а также необходимость использования относительно мощных трансформаторов.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по изменению схемы нивелирования напряжения и упрощение схемы.
Достигаемый при этом технический результат заключается в упрощении схемы и улучшении массогабаритных показателей путем изменения связей.
Указанный технический результат достигается тем, что батарея химических источников тока с балансом напряжений, содержащая множество единичных химических источников тока или модулей из нескольких химических источников тока, соединенных в последовательную электрическую цепь, выравнивающее устройство для каждых двух химических источников тока или модулей из нескольких химических источников тока, обеспечивающее выравнивание напряжений для каждых двух химических источников тока или модулей из нескольких химических источников тока, выходы которого подключены параллельно химическим источникам тока или модулю из нескольких химических источников тока, и блок управления выравнивающим устройством, отличается тем, что выравнивающее устройство для каждых двух химических источников тока или модулей из нескольких химических источников тока представляет собой балансир для нивелирования разбаланса напряжений на химических источника тока, выполненный из дросселя, подключенного к точке последовательного соединения двух химических источников тока или двух модулей химических источников тока и через нормально открытые ключи к другим полюсам последовательно соединенных химических источников тока или двух модулей химических источников тока, а параллельно к ключам подключены диоды, открытые в направлении протекания тока от минусу химического источника тока к его плюсу или от минуса модуля химических источников тока к его плюсу, а блок управления выравнивающим устройством выполнен с функцией замыкания нормально открытого ключа, подключенного параллельно химическому источнику тока через дроссель, который заряжен по отношению ко второму смежно подключенному химическому источнику тока, на время, равное выравниванию напряжения на полюсах двух смежно подключенных химических источников тока.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На чертеже представлена принципиальная схема батареи химических источников тока с балансом напряжений.
Согласно настоящему изобретению рассматривается батарея аккумуляторных элементов, оснащенная балансиром, который позволяет без потерь в тепло перераспределять как энергию заряда батарей, так и энергию разряда батарей, что позволяет уменьшить потери на балансировку, а также существенно повысить как срок службы всей аккумуляторной батареи в целом, так и отдельных ее элементов.
Под аккумуляторной батареей имеются в виду литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы. В общем смысле также имеются в виду любые электрические источники, соединенные в батарею, характеристики элементов которой в процессе эксплуатации могут стать различными.
Батарея химических источников тока с балансом напряжений содержит множество единичных ХИТ 1, 2, 3… или модулей из нескольких ХИТ, соединенных в последовательную электрическую цепь, и выравнивающее устройство 4 (БЛОК 1, БЛОК 2) для каждых двух ХИТ или модулей из нескольких ХИТ, которое обеспечивает выравнивание напряжений для каждых двух ХИТ или модулей из нескольких ХИТ, выходы которого подключены параллельно ХИТ или модулю из нескольких ХИТ, и блок управления выравнивающим устройством.
Выравнивающее устройство 4 для каждых двух ХИТ или модулей из нескольких ХИТ представляет собой балансир для нивелирования разбаланса напряжений на ХИТ, выполненный из дросселя 5, подключенного к точке последовательного соединения двух ХИТ или двух модулей ХИТ, и через нормально открытые ключи 6 к другим полюсам последовательно соединенных ХИТ или двух модулей ХИТ, а параллельно к этим ключам 6 подключены диоды 7, открытые в направлении протекания тока от минуса ХИТ к его плюсу или от минуса модуля ХИТ к его плюсу.
Блок управления выравнивающим устройством выполнен с функцией замыкания нормально открытого ключа, подключенного параллельно ХИТ через дроссель, который заряжен по отношению ко второму смежно подключенному ХИТ на время, равное выравниванию напряжения на полюсах двух смежно подключенных ХИТ.
Задача устройства заключается в обеспечении в любом режиме работы (заряд или разряд) РАВЕНСТВА напряжений на всех элементах аккумуляторной батареи.
Принцип работы схемы:
БЛОК 1 (выравнивающее устройство 2 для первой пары смежно подключенных ХИТ 1 и 2) обеспечивает РАВЕНСТВО напряжений V1 и V2.
БЛОК 2 (выравнивающее устройство 2 для второй пары смежно подключенных ХИТ 2 и 3) обеспечивает РАВЕНСТВО напряжений V3 и V4.
Так как V2=V3, то при совместной работе БЛОКОВ 1 и 2 будет обеспечено равенство: VI=V2=V3=V4.
В случае разбаланса ХИТ 1 и ХИТ 2 появится разность напряжений V1 и V2. Например, батарея ХИТ 1 более разряжена, чем ХИТ 2. Тогда напряжение V1 будет меньше, чем V2.
Управляющее устройство блока управления замыкает на некоторое время ключ К2, и через дроссель L1 начинает протекать ток по направлению от «+» к «-». Управляя временем открытия, можно менять количество энергии, отобранной у батареи ХИТ 2. Далее, как только К2 размыкается, то энергия, накопленная в L1, будет заряжать батарею ХИТ 1 через открытый диод VD1.
Точно также работает схема балансировки в БЛОКЕ 2.
На каждый новый элемент батареи добавляется балансировочный блок.
Настоящее изобретение промышленно применимо, так как основано на использовании стандартных элементов и приборов и основано на новой взаимосвязи этих элементов и приборов.