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 вольт-амперные характеристики литий-ионных аккумуляторов входящих в их состав.
Известно устройство для сбалансированной зарядки литий-ионной батареи (см. патент RU 23680939, МПК Н01М 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 H02J 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 массо-габаритные 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 2394316, МПК Н01М 10/46, H02J 7/00, опубликован 10.07.2010), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство-прототип содержащий литий-ионные аккумуляторы, последовательно соединенные в батарею, причем каждый литий-ионный аккумулятор через токоотводящую цепь соединен с выходами соответствующего регулирующего элемента, в том числе и через элемент рассеяния электрической энергии, такой, например как резистор. Вход каждого регулирующего элемента соединен с выходом соответствующего измерительного блока из комплекта измерительных блоков через соответствующий логический блок из комплекта логических блоков. Каждый измерительный блок одним входом подключен к соответствующему литий-ионному аккумулятору, а другим входом, на который поступает среднее напряжение литий-ионного аккумулятора в батарее, соединен через резистивный делитель последовательно соединенных делителей с батареей. В устройство также введены комплекты компараторов и электронных ключей, причем выводы электронного ключа соединены с крайними выводами резистивного делителя, соответствующего литий-ионному аккумулятору в батарее. Управляющий вход каждого электронного ключа соединен с выходом соответствующего компаратора, вход которого соединен с выводами соответствующего литий-ионного аккумулятора. В последовательной цепи между каждым литий-ионным аккумулятором и соответствующим регулирующим элементом включен датчик тока, выход которого соединен с дополнительным входом измерительного блока. Последовательно с батареей включен дополнительный датчик тока, выход которого соединен с первым входом дополнительного измерительного блока, второй вход которого соединен с батареей, а также выход дополнительного измерительного блока соединен с дополнительными входами каждого логического блока.
Недостатками устройства-прототипа является относительно большое количество тепла, которое рассеивается на резисторе. Эта задача частично решается за счет регулировки тока баланстрования.
Задачей настоящей полезной модели являлась разработка такого устройства контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареи, которое бы позволяло ограничить мощность рассеивания при балансировании внутри батареи за счет регулирования тока заряда каждого аккумуляторного модуля.
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 зарядные блоки, 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. Каждый модульный зарядный блок подключен к первому и второму входам соответствующего модульного блока контроля и управления, к клеммам соответствующего аккумуляторного модуля и через соответствующий ключ и шунтирующий резистор модульного блока балансировки к каждому литий-ионному аккумулятору модуля. Датчики температуры модулей соединены с третьим и четвертым входами соответствующего модульного блока контроля и управления, первый выход которого подключен к входу соответствующего модульного зарядного блока, а последующие выходы соединены с входами ключей модульного блока балансировки. Вход/выход каждого модульного блока контроля и управления подключен к соответствующему входу/выходу системы контроля и управления, выход которой соединен с входом силового коммутатора, включенному в линию нагрузки.
Новым в настоящем устройстве контроля и управления аккумуляторной батареи является группирование литий-ионных аккумуляторов батареи в аккумуляторные модули, а также включение в устройство модульных зарядных блоков, датчиков температуры модулей и силового коммутатора.
Группирование литий-ионных аккумуляторов батареи в аккумуляторные модули позволяет отдельному модульному блоку контроля и управления управлять током заряда своего модульного зарядного блока, а не током баланса каждого аккумулятора, как в устройстве-прототипе. Разделение всей литий-ионной аккумуляторной батареи на аккумуляторные модули и управление током баланса каждого аккумуляторного модуля позволяет снизить количество тепла, выделяемое при балансировке всей аккумуляторной батареи. Процесс балансировки происходит внутри соответствующего аккумуляторного модуля и никак не сказывается на соседних аккумуляторных модулях внутри аккумуляторной батареи. В соседних аккумуляторных модулях напряжения на литий-ионных аккумуляторах могут быть равными друг другу, и балансировать такие аккумуляторные модули нет необходимости, что снижает выделяемую мощность при балансировании. Снижая ток заряда, модульный блок контроля и управления имеет возможность не отключать аккумуляторный модуль от заряда, а производить балансировку и далее при более низком токе заряда. Логическое разбиение на блоки внутри высоковольтной литий-ионной аккумуляторной батареи позволяет заряжать как всю аккумуляторную батарею от высоковольтного внешнего источника (например, 250 В), через выводы всей литий-ионной аккумуляторной батареи (АБ+ и АБ-), так и, при необходимости, заряжать каждай аккумуляторный модуль в отдельности от своего модульного зарядного блока. В хорошо сбалансированной литий-ионной аккумуляторной батарее все литий-ионные аккумуляторы при разряде должны достигать своего конечного разрядного напряжения при разряде или своего конечного зарядного напряжения при заряде почти одновременно. Если этого не происходит, и разбаланс велик, то можно зарядить литий-ионную аккумуляторную батарею от нескольких модульных зарядных блоков, каждый из которых управляется своим БКНТ 4. Данное техническое решение позволяет свести накопленный со временем разбаланс к минимуму за один цикл заряда. Заряд таким устройством контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареи, может применяться к аккумуляторной батарее, в состав которой входят аккумуляторы, имеющие перспективные материалы положительного электрода, где зарядные кривые имеют пологий характер.
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 (АБ) 1 содержит последовательно соединенные аккумуляторные модули (AM) 2, каждый из которых состоит из 2 или более последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов 3. Каждый литий-ионный аккумулятор 3 в AM 2 контролируется модульные блоки контроля и управления (МБКУ) 4. Напряжение каждого литий-ионного аккумулятора 3 в AM 2 и сигнал от датчика 5 температуры AM 2 поступает на вход МБКУ 4. МБКУ 4 каждого AM 2 передает данные предельных параметров каждого из литий-ионных аккумуляторов 3 в AM 2 в систему 6 контроля и управления (СКУ). СКУ 6 принимает решение о прекращении разряда АБ 1 на нагрузку посредствам силового коммутатора 7. Для обеспечения длительной безотказной работы литий-ионных АБ 1 требуется поддерживать все аккумуляторы в АБ 1 при одной степени заряженности. Это реализуется с помощью модульных блоков (МББ) 8 балансировки. Каждый МББ 8 состоит из ключей 9 и шунтирующих резисторов 10. Каждый ключ 9 замыкает соответствующий литий-ионный аккумулятор 3 в AM 2 на соответствующий шунтирующий резистор 10. Каждый модульный зарядные блок (МЗБ) 11. Каждый МЗБ 11 заряжает соответствующий AM 2. Для этого каждый МЗБ 11 подключен к первому и второму входам соответствующего МБКУ 4, к клеммам соответствующего AM 2 и через соответствующий ключ 9 и шунтирующий резистор 10 МББ 8 к каждому литий-ионному аккумулятору 2 AM 2. Датчики 5 температуры модулей соединены с третьим и четвертым входами соответствующего МБКУ 4, первый выход которого подключен к входу соответствующего МЗБ 11, а последующие выходы соединены с входами ключей 9 МББ 8. Вход/выход каждого МБКУ 4 подключен к соответствующему входу/выходу СКУ 6, выход которой соединен с входом силового коммутатора 7, включенному в линию нагрузки АБ.
Устройство контроля и управления АБ 1 работает следующим образом. Каждый МЗБ 11 подключается к соответствующему AM 2. Если напряжение на литий-ионных аккумуляторах 3 в пределах соответствующего AM 2 равны, МБКУ 4 не управляет током заряда МЗБ 11, ток заряда в этом случае соответствует максимальному току заряда МЗБ 11. Если в процессе заряда напряжение на литий-ионных аккумуляторах 3 в пределах AM 2 становится различным, МБКУ 4 выдает сигналы МББ 8 на замыкание ключа 9 и шунтирование резистором 10 соответствующего литий-ионного аккумулятора 3 в AM 2. Если в процессе заряда напряжение на литий-ионных аккумуляторах 3 продолжает различаться и степень этого различия увеличивается, МБКУ 4 уменьшает ток заряда соответствующего МЗБ 11. При этом МБКУ 4 продолжает управлять ключами 9 включения шунтирующих резисторов 10 в МББ 8.
При уменьшении тока заряда МЗБ 11 уменьшается соотношение зарядного тока МЗБ 11 и тока шунтирующего резистора 10, через замкнутый ключ 9. Таким образом, более заряженный литий-ионный аккумулятор 3 при включении шунтирующего резистора 10, заряжается более меньшим током. Этим и достигается процесс балансировки в пределах AM 2. В конце заряда МБКУ 4 уменьшает ток заряда МЗБ 11 до нуля и передает данные об окончании заряда AM 2 в СКУ 6. Когда все AM 2 в АБ 1 будут заряжены, АБ 1 готова к работе и разряду на нагрузку. Все литий-ионные аккумуляторы 3 в каждом AM 2 будут находиться в одинаковой степени заряженности. Это означает, что все последовательно соединенные литий-ионные аккумуляторы 3 в АБ 1, также будут находиться в одинаковой степени заряженности.