УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам для измерения параметров литий-ионных аккумуляторных батарей (АБ) и выравнивания заряда литий-ионных аккумуляторов в аккумуляторной батарее, предназначенной, в частности, для электромобилей и гибридных автомобилей.
Одной из особенностей таких АБ является высокое рабочее напряжение, что позволяет избежать использования больших токов заряда и разряда для обеспечения высокой мощности. Однако большое количество последовательно соединенных аккумуляторов в АБ усложняет построение систем контроля и управления (СКУ), обеспечивающих их безопасную эксплуатацию. В высоковольтных АБ преимущественно используются многоуровневые СКУ, в отличие от одноуровневых СКУ, применяемых в низковольтных АБ. При построении СКУ высоковольтных АБ также необходимо учитывать вольтамперные характеристики литий-ионных аккумуляторов входящих в их состав.
Известно устройство для сбалансированной зарядки литий-ионной батареи (см. патент RU 23680939, МПК H01M 10/44, H02J 7/02, опубликован 20.09.2009), содержащее содержит комплекс модулей измерения напряжения, каждый из которых связан с одним из последовательно соединенных аккумуляторов, образующих батарею, множество токоотводящих цепей, каждая из которых соединена параллельно с контактами соответствующего аккумулятора и выборочно может быть разомкнута или замкнута, и цифровой блок обработки данных и управления. Каждая токоотводящая цепь содержит коммутационный элемент, образующий выключатель, положение которого управляется цифровым блоком обработки данных и управления, и в случае необходимости, по меньшей мере, один элемент рассеяния электрической энергии такой, как например резистор или резисторы.
Недостатком известного устройства является недостаточная точность выравнивания заряда аккумулятора в АБ за счет выравнивания только в одном режиме - при заряде, а также за счет выравнивания только по одному из параметров - напряжению.
Известно устройство для поддержания аккумулятора в состоянии равновесия при заряде литий-ионной батареи (см. патент FR 2805934, МПК Н02J 7/00, опубликован 07.09.2001). Устройство содержит n литий-ионных аккумуляторов, последовательно соединенных в АБ, причем каждый литий-ионный аккумулятор через токоотводящую цепь соединен с выходами соответствующего регулирующего элемента через элемент рассеяния электрической энергии такой, как, например, шунтирующий резистор. Входом каждый регулирующий элемент соединен с выходом соответствующего измерительного блока через логический блок. Измерительный блок одним входом подключен литий-ионному аккумулятору, а другим входом, на который подается среднее напряжение литий-ионного аккумулятора в АБ, подключен через резистивный делитель напряжения к АБ.
Недостатками известного устройства являются недостаточная точность выравнивания заряда литий-ионного аккумулятора за счет выравнивания всех аккумуляторов к среднему значению в АБ, независимо от состояния заряда, разряда или разомкнутой цепи. Кроме того, при использовании АБ в условиях с затрудненным или невозможным доступом для обслуживания большинство АБ должны сохранять работоспособность при отказе одного, а иногда двух литий-ионных аккумуляторов. Отказавший литий-ионный аккумулятор шунтируется регулирующим элементом по сигналу извне. Для защиты измерительных блоков и сохранения работоспособности устройства требуется сложная схема.
Известно устройство для выравнивания заряда-разряда аккумуляторной батареи (см. заявка US 20120268057, МПК H02J 7/00, опубликована 25.10.2012), содержащее по меньшей мере два литий-ионных аккумулятора, последовательно соединенных в АБ, по меньшей мере один дополнительный компенсирующий литий-ионный аккумулятор, управляемые ключи по числу литий-ионных аккумуляторов, управляющий модуль для управляемых ключей, модуль измерителей напряжения для измерения напряжения на каждом литий-ионном аккумуляторе и блок контроля и управления, при этом дополнительный компенсирующий литий-ионный аккумулятор соединен в параллель к литий-ионным аккумуляторам, управляемые ключи управляют независимым подключением/отключением компенсирующего литий-ионного аккумулятора к каждому литий-ионному аккумулятору, а управляющий модуль для управляемых ключей и модуль измерителей напряжения подключены к блоку контроля и управления.
В известном устройстве дополнительный компенсирующий литий-ионный аккумулятор использован в качестве промежуточного накопителя. Такое решение требует применения дополнительных аппаратных средств для обеспечения его функционирования внутри аккумуляторной батареи, что увеличивает массогабаритные характеристики всей литий-ионной аккумуляторной батареи и ее стоимости за счет применения дополнительного оборудования.
Известно устройство контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареи (см. патент RU 130455, МПК H01M 10/46, опубликован 20.07.2013), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство-прототип содержит последовательно соединенные аккумуляторные модули, каждый из которых состоит по меньшей мере из двух последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов, модульные блоки контроля и управления, датчики температуры модулей, модульные блоки балансировки, состоящие из последовательно соединенных ключа и шунтирующего резистора для каждого литий-ионного аккумулятора модуля, силовой коммутатор и систему контроля и управления.
Недостатком устройства-прототипа является недостаточная надежность его работы, так как при большом количестве аккумуляторных модулей и соответственно модульных блоков контроля и управления в последовательно соединенной аккумуляторной батарее между опросами предыдущего и последующего модульных блоков контроля и управления может пройти несколько секунд, и в случае загруженности интерфейса 8 или его отказа система контроля и управления (СКУ 6) не сможет вовремя принять решение об отключении аккумуляторной батареи от нагрузки или зарядного устройства, что может привести к аварийной ситуации и выходу аккумуляторной батареи из строя.
Задачей настоящей полезной модели являлась разработка такого устройства контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареи, который бы обеспечивал повышенную надежность работы литий-ионной аккумуляторной батареи.
Поставленная задача решается тем, что устройство контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареи содержит последовательно соединенные аккумуляторные модули. Каждый из аккумуляторных модулей состоит по меньшей мере из двух последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов. Устройство также содержит модульные блоки контроля и управления, датчики температуры модулей, сигнальные ключи модулей, силовой коммутатор и систему контроля и управления. Датчики температуры модулей соединены с первым и вторым входами соответствующего модульного блока контроля и управления, третий и последующие входы которого подключены к соответствующим литий-ионным аккумуляторам модуля. Выход каждого модульного блока контроля и управления соединен с входом соответствующего сигнального ключа модуля. Выходы параллельно соединенных сигнальных ключей модулей подключены к первому и второму входам системы контроля и управления. Вход/выход каждого модульного блока контроля и управления подключен к соответствующему входу/выходу системы контроля и управления, например, с помощью последовательного интерфейса 8. выход системы контроля и управления соединен с входом силового коммутатора, включенному в линию нагрузки.
Новым в настоящем устройстве контроля и управления аккумуляторной батареи является включение в устройство соединенных параллельно сигнальных ключей модулей, каждый из которых подключен входом к выходу соответствующего модульного блока контроля и управления, а выходами к первому и второму входам системы контроля и управления.
Включение в устройство соединенных параллельно сигнальных ключей 9 модулей обеспечивает повышение надежности и безопасность работы батареи литий-ионных аккумуляторов за счет создания дополнительного аварийного канала связи (в виде сигнальных ключей 9) в случае отказа основного канала опроса модулей БКНТ 4 СКУ 6.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где изображена структурная схема настоящего устройства контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареи.
Устройство контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареи (АК) 1 содержит последовательно соединенные аккумуляторные модули (АМ) 2, каждый из которых состоит из 2 или более последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов 3 (на чертеже показано два литий-ионных аккумуляторов 3 в каждом АМ 2. Каждый литий-ионный аккумулятор 3 в АМ 2 контролируется модульным блоком контроля и управления (МБКУ) 4. Напряжение каждого литий-ионного аккумулятора 3 в АМ 2 и сигнал от датчика 5 температуры АМ 2 поступает на вход МБКУ 4. МБКУ 4 каждого АМ 2 передает данные предельных параметров каждого из литий-ионных аккумуляторов 3 в АМ 2 в систему 6 контроля и управления (СКУ). Передача данных из БКНТ 4 в СКУ 6 может осуществляться по последовательному интерфейсу 8. СКУ 6 принимает решение о прекращении разряда АБ 1 на нагрузку посредствам силового коммутатора 7. Датчики 5 температуры АМ 2 соединены с первым и вторым входами соответствующего МБКУ 4, третий и последующие входы которого подключены к соответствующим литий-ионным аккумуляторам модуля. Выход каждого МБКУ 4 соединен с входом соответствующего сигнального ключа модуля (СКМ) 9. Выходы параллельно соединенных СКМ 9 подключены к первому и второму входам СКУ б. вход/выход каждого МБКУ 4 подключен к соответствующему входу/выходу СКУ 6, выход которой соединен с входом силового коммутатора 7, который включен в линию нагрузки АБ.
Устройство контроля и управления АК 1 работает следующим образом. СКУ 6 опрашивает БКНТ 4 посредствам последовательного интерфейса 8 или другого интерфейса. Однако при большом количестве АМ 2 и, соответственно, блоков БКНТ 4 в последовательно соединенной АБ 1, между опросами конкретного блока БКНТ 4 может пройти несколько секунд. При возникновении аварийной ситуации соответствующий БКНТ 4 замыкает свой сигнальный ключ 9, сообщая об аварийной ситуации в одном из АМ 2. В случае появления данного сигнала СКУ 6 может, не дожидаясь ответа по последовательному интерфейсу 8, принять решение от отключении АБ 1 посредствам силового коммутатора 7.
Введение сигнальных ключей модулей в настоящее устройство контроля и управления аккумуляторной батареей позволяет избежать аварийных ситуаций и повысить надежность использования литий ионных аккумуляторов в составе аккумуляторной батареи.