СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ БАЛАНСИРОВКИ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
METHOD FOR CONTROLLING BALANCING SYSTEM OF LITHIUM-ION BATTERY

Область техники, к которой относится изобретение
.
Данное изобретение относится к зарядке или подзарядке аккумуляторных батарей, а более конкретно к способам управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, состоящей из последовательно соединенных ячеек, при котором контролируют уровень зарядки различных ячеек и осуществляют, в зависимости от предварительной оценки указанных уровней зарядки, балансировку указанных ячеек путем дифференцированной подачи на них тока в зависимости от их текущих уровней зарядки.
В данном описании использованы следующие термины и сокращения:
ЛИАБ
– литий-ионная аккумуляторная батарея
Уровень техники.
Известен из уровня техники способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, состоящей из последовательно соединенных ячеек, при котором контролируют уровень зарядки различных ячеек и осуществляют, в зависимости от предварительной оценки указанных уровней зарядки, балансировку указанных ячеек путем дифференцированной подачи на них тока в зависимости от их текущих уровней зарядки, см. патент РФ на изобретение №2364992, опубликован 20.08.2009 года.
Данный способ является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбран за прототип предлагаемого изобретения.
Недостатком этого прототипа является то, что он имеет невысокую эффективность балансировки аккумуляторной батареи малыми токами.
Раскрытие изобретения.
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареей, позволяющий как минимум сгладит указанный выше недостаток, а именно: обеспечить повышение эффективности балансировки аккумуляторной батареи малыми токами, что и является решаемой задачей предлагаемого изобретения.
Для достижения этой цели способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареей включает в себя следующие этапы:
в завершающей стадии заряда литий-ионной аккумуляторной батареи, в момент, когда напряжение на одной из ячеек достигает максимально допустимого значения, сохраняют массив значений напряжений на всех ячейках, составляющих литий-ионную аккумуляторную батарею
далее отключают заряд и литий-ионную аккумуляторную батарею переводят в режим релаксации или разряда;
среднее
вычисляют среднее значение напряжения на всех ячейках - V.
мин
выбирают ячейку с минимальным напряжением V;
макс
выбирают ячейку с максимальным напряжением V;
макс
мин
если (V - V) больше установленного порога балансировки, принимается решение о проведении процедуры балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, в противном случае алгоритм балансировки заканчивает свою работу и никаких действий не производит;
среднее
порог
для балансировки выбирают ячейки, напряжение на которых больше V на величину V, составляется их список, для этих ячеек:
среднее
ячейки
в пассивной системе: включают аппаратную систему нагрузочных резисторов для выбранных ячеек на время, пропорциональное (V – V);
порог
в активной системе: включают режим разряда, для ячеек, имеющих напряжение выше среднего на величину V включается режим балансировочного заряда.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность повышения эффективности балансировки аккумуляторной батареи малыми токами. Действительно, при указанных шагах балансировка производится наиболее эффективно. Это происходит потому, что становится возможным выполнение условия равенства напряжений на всех ячейках (ЛИАБ) в конце заряда ЛИАБ для поддержания максимальной доступной емкости ЛИАБ.
баланс
Существует возможный вариант изобретения, в котором после составления списка ячеек, подлежащих балансировке, включают систему аппаратной балансировки на время Т вне зависимости от дальнейшего состояния литий-ионной аккумуляторной батареи (Заряд, Разряд, Релаксация).
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность конкретного осуществления способа.
баланс
заряда
релаксации
после заряда
разряда
Трелаксации после разряда
Существует еще один возможный вариант изобретения, в котором выбирают время и ток для балансировки исходя из среднего времени одного цикла работы состояния литий-ионной аккумуляторной батареи по соотношению: Т = 80% х (Т + Т +Т+)
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность конкретного осуществления способа.
Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна из уровня техники для способов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения в отношении способа. Кроме того, данное решение неочевидно для специалиста в данной области.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 схематически изображает функциональную систему, реализующую способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, согласно изобретению,
- фигура 2 схематически изображает этапы способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, согласно изобретению.
На фигурах обозначено:
1 – зарядное устройство
2 - литий-ионная аккумуляторная батарея (ЛИАБ), представленная отдельными батареями 21, 22, 23, 24.
3 – Блок контроля и балансировки, представленный отдельными блоками 31, 32, 33, 34.
4 – блок измерения тока, представленный отдельными блоками 41, 42, 43, 44
5 – блок адаптации рабочей системы.
6 – CAN шина, представленная отдельными портами:
61 – порт зарядного устройства
62 - порт литий-ионной аккумуляторной батареи
63 – порт общий выхода всех литий-ионной аккумуляторных батарей
64 – порт соединения с транспортным средством
7 – транспортные средства
Система иерархического типа, реализующая способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, состоит из трех аппаратных уровней:
Верхний уровень:
Блок адаптации рабочей системы 5 один на ЛИАБ 2.
Блок 5 выполняет следующие функции:
- Взаимодействует (производит обмен данными) с зарядно-разрядными преобразователями и консолью оператора.
-   Производит вычисление остаточной емкости и степени деградации ЛИАБ.
-   Управляет системой термостатирования.
-  Производит обеспечение безопасности эксплуатации.
-  Осуществляет логирование режимов работы ЛИАБ 2.
Описываемый далее способ физически интегрирован в верхний иерархический уровень.
Средний уровень:
Блок измерения тока 4.
Блок 4 выполняет следующие функции:
-  Производит измерение тока в силовой цепи ЛИАБ 2.
- Производит измерение температуры входного/выходного воздуха системы кондиционирования.
- Обеспечивает безопасность эксплуатации ЛИАБ 2.
Нижний уровень
Блок контроля и балансировки 3.
Блок 3 включает в себя функции:
- Производит измерение напряжения на каждой ячейке ЛИАБ
- Производит измерение температуры ячеек.
- Осуществляет балансировку ячеек (Активная или пассивная)
- Выполняет аварийное отключение ЛИАБ 2 в случае достижения предельных значений параметров.
Система может содержать также блок удаленного мониторинга. На фигуре не показана. Блок удаленного мониторинга включает в себя функции:
-  Производит передачу данных о режимах эксплуатации ЛИАБ 2 в облачное хранилище.
- Отображает текущее состояния на терминале оператора.
- Осуществляет логирование режимов работы ЛИАБ 2 в энергонезависимой памяти.
Осуществление изобретения.
Способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи осуществляют следующим образом. Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения. Имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения.
Согласно фигуре 2 способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи заключается в следующем.
Этап А1
. В завершающей стадии заряда литий-ионной аккумуляторной батареи, в момент, когда напряжение на одной из ячеек достигает максимально допустимого значения, сохраняют массив значений напряжений на всех ячейках, составляющих литий-ионную аккумуляторную батарею.
Этап А2
. Отключают заряд и литий-ионную аккумуляторную батарею переводят в режим релаксации или разряда.
Этап А3
среднее
. Вычисляют среднее значение напряжения на всех ячейках - V.
Этап А4
мин
макс
. Выбирают ячейку с минимальным напряжением V, а также выбирают ячейку с максимальным напряжением V.
Этап А5
макс
мин
. Если (V - V) больше установленного порога балансировки, принимается решение о проведении процедуры балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, в противном случае алгоритм балансировки заканчивает свою работу и никаких действий не производит.
Этап А6
среднее
порог
. Для балансировки выбирают ячейки, напряжение на которых больше V на величину V, составляется их список, для этих ячеек.
Этап А7
среднее
ячейки
. В пассивной системе: включают аппаратную систему нагрузочных резисторов для выбранных ячеек на время, пропорциональное (V – V).
Этап А8
порог
. В активной системе: включают режим разряда, для ячеек, имеющих напряжение выше среднего на величину V включается режим балансировочного заряда.
Этап А9
баланс
. после составления списка ячеек, подлежащих балансировке, включают систему аппаратной балансировки на время Т вне зависимости от дальнейшего состояния литий-ионной аккумуляторной батареи (Заряд, Разряд, Релаксация).
Этап А10
баланс
заряда
релаксации
после заряда
разряда
релаксации после разряда
. выбирают время и ток для балансировки исходя из среднего времени одного цикла работы состояния литий-ионной аккумуляторной батареи по соотношению: Т = 80% х (Т + Т +Т+Т).
баланс
Ошибка определения Т не критична для предлагаемого способа, но желательно наиболее точное ее определение.
баланс
I определяется возможностью теплоотдачи (пассивная система) или мощностью перекачки энергии (активная система). В обычном случае:
баланс
для пассивной системы I = 0.5 – 1А.
для активной системы 1 – 5А
Этап А11
баланс
. После истечения Т аппаратура балансировки выключается.
Этап А12
конца_баланс
. В случае если завершается следующий цикл заряда и напряжение на самой заряженной ячейке достигает V аппаратура балансировки выключается.
Этап А13
. Далее повторяется следующий цикл алгоритма.
Таким образом становится возможным выполнение условия равенства напряжений на всех ячейках (ЛИАБ) в конце заряда ЛИАБ для поддержания максимальной доступной емкости ЛИАБ.
баланс
баланс
Данный алгоритм позволяет балансировать ЛИАБ с точностью не хуже, чем I х Т (Ачас)
Эффективность предлагаемой системы балансировки демонстрируется на следующих примерах.
Пример 1
Допустим, ЛИАБ была заряжена до 100% и после 10 минутной релаксации была поставлена под нагрузку током 1С. (Время разряда 60 минут), далее после 10 минутной релаксации был осуществлен заряд током 1С (Время заряда 70 минут с учетом фазы CV (постоянного напряжения). При применении традиционной системы балансировки большими токами (4А) максимально возможный протекший балансировочный заряд равен:
Q = 10 * 60сек * 4А = 2400Кл = 0,67 Ач
В предлагаемой системе при токе балансировки 0,5А
Q = (10 * 60 сек + 60 * 60сек + 10 * 60сек + 70 * 60сек) * 0,5А = 4500 Кл = 1,25Ач
То есть предлагаемая система эффективнее в 1.25 / 0,67 = 1,87 раза притом, что протекающие токи меньше в 8 раз.
Эффективность предлагаемой системы балансировки увеличивается в случае, если заряд или разряд осуществляется меньшими токами.
Пример 2
Допустим, ЛИАБ была заряжена до 100% и после 30 минутной релаксации была поставлена под нагрузку током 0.25С. (Время разряда 240 минут), далее после 30 минутной релаксации был осуществлен заряд током 0.25С (Время заряда 250 минут с учетом фазы CV (постоянного напряжения). При применении традиционной системы балансировки большими токами (4А) максимально возможный протекший балансировочный заряд равен:
Q = 30 * 60сек * 4А = 7200Кл = 2 Ач
В предлагаемой системе при токе балансировки 0,5А
Q = (30 * 60 сек + 240 * 60сек + 30 * 60сек + 250 * 60сек) * 0,5А = 16500 Кл = 4,58Ач
То есть предлагаемая система эффективнее в 4,58Ач / = 2 Ач = 2,29 раза при том, что протекающие токи меньше в 8 раз.
Промышленная применимость.
Предлагаемый способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи может быть осуществлены специалистом на практике и при осуществлении обеспечивают реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.
В соответствии с предложенным изобретением был опробован способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи. Испытания способа показали, что он обеспечивает возможность балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи.
Дополнительным полезным техническим результатом заявленного изобретения является то, что
- Для балансировки можно использовать малый ток, что дает малое тепловыделение, за счет большого времени балансировки.
- Низкая стоимость построения системы.
- Высокая точность и надежность работы системы
- Возможность устанавливать модули балансировки на большом расстоянии, используя при этом провода малого сечения.
- Возможность построения модульной распределенной системы.
- Отсутствие электронных компонентов непосредственно на клеммах ячеек ЛИА
- Простота обслуживания.
- Возможность предсказания выхода из строя отдельных ячеек ЛИА, используя информацию о балансируемых ячейках.
- Повышение коэффициента технической готовности за счет своевременного обслуживания, построенного на информации о состоянии каждой ячейки ЛИАБ.