УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА И ВЫРАВНИВАНИЯ СТЕПЕНИ ЗАРЯЖЕННОСТИ АККУМУЛЯТОРОВ БЛОКА АКБ
DEVICE FOR MONITORING AND EQUALIZING THE CHARGING LEVEL OF BATTERIES IN THE BATTERY PACK

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, предназначенных для непрерывного автоматического контроля и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов в блоке, установленном на транспортном средстве, например, гибридном автомобиле или электромобиле.
Из уровня техники известно устройство автоматического контроля и выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов комбинированной энергетической установки (КЭУ) по патенту РФ (RU 2626378, МПК (2016.01): Н01М 10/48, опубл. 26.07.2017), содержащее источник питания в виде блока последовательно соединенных аккумуляторов, систему режима потребления и зарядки аккумуляторов блока, группу однопозиционных нормально-разомкнутых ключей с малым внутренним сопротивлением общим количеством n+1, две электрические шины а и б, при этом положительные полюса аккумуляторов блока с нечетными номерами подключены к электрической шины а, а все положительные полюса аккумуляторов блока с четными номерами к электрической шине б.
В этом устройстве по сигналам микроконтроллера, подаваемым на вход адресной коммутации сдвоенного демультиплексора с числом выходов n в каждом демультиплексоре с помощью одновременного замыкания двух однопозиционных нормально-разомкнутых электромеханических ключей с малым внутренним сопротивлением, осуществляется последовательное подключение аккумуляторов блока (КЭУ) к общим шинам а и б; при этом полярность напряжения для аккумуляторов с четными номерами на шинах а и б будет положительной, а для аккумуляторов с нечетными номерами отрицательной. В результате на электрических шинах а и б происходит чередование положительных и отрицательных напряжений прямоугольной формы.
Если все аккумуляторы блока имеют одинаковое напряжение, то при дальнейшем выпрямлении на выходе выпрямителя получается постоянное напряжение, а в случае неодинаковости на постоянное напряжение накладываются прямоугольные импульсы по величине пропорциональные разбалансу относительно среднего значения по всем последовательно соединенным аккумуляторам блока (формула патента на изобретение RU2626378) и описание из книги (Introduction to Hybrid Vehicle System Modeling and Control Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Inc., Author(s): WeiLiu Published Online: 14 MAR 2013 10:41 AMEST, Print ISBN: 9781118308400 Onlinel SBN: 9781118407400DOI: 10.1002/9781118407400A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION, c. 181-185),
К недостаткам аналога относится отсутствие возможности непрерывного контроля и выравнивания степени заряженности каждого из аккумуляторов блока по току и напряжению при их параллельно-последовательном соединении в блоке, отсутствие возможности одновременного контроля тока и напряжения каждого из параллельно соединенных аккумуляторов при напряжении в батарее аккумуляторного блока 100 (АКБ) достигающем нескольких сотен вольт.
Известен также способ автоматического контроля технического состояния элементов смешанной (последовательное соединение групп параллельных элементов) аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления по патенту (RU 2610147, H01M 10/48 (2006.01), опубликованного 08.02.2017). В данном устройстве объединение аккумуляторов в общий вывод горизонтального ряда осуществляют через диоды. Однако при малых величинах разбаланса по напряжению не превышающих десятых долей вольта их сопротивление превышает десятки Ом, что практически исключает целесообразность подачи импульсов напряжения выравнивания на общие выводы горизонтальных рядов из-за потери всей мощности импульсов выравнивания на этих диодах.
Из уровня техники также известна система сигнализации по международной заявке (WO 2000005596, приоритет 21.07.1999, опубл. 03.02.2000), в которой представлено устройство контроля, состоящее из параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов, снабженных для каждого горизонтального ряда отдельным блоком питания, микроконтроллером и системой передачи сигналов.
Недостатком указанного аналога является отсутствие возможности непрерывного выравнивания электрических параметров в горизонтальных рядах для каждого из последовательно соединенных аккумуляторов, а также избыточное количество электронных устройств, необходимых для контроля аккумуляторов горизонтальных рядов батареи.
Существуют также устройства контроля и выравнивания тока в вертикальных рядах блоков аккумуляторов при их параллельно-последовательном соединении в блоке, в которых для измерения тока потребления в каждом вертикальном ряду требуются дорогостоящие датчики тока. Примером является устройство источника питания аккумуляторной батареи и способ определения тока для него по патенту (ЕРИ 17045, приоритет от 27.11.2002, опубл. 07.10.2009). Другим аналогом является дифференциальный контроль тока для параллельно подключенных батарей по патенту (WO ЕР US KR JP 2018066757А, приоритет от 2011.01.18, опубл. 2018.04.26), в котором патентуются устройства и способы измерения тока в вертикальных рядах параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов. Недостатком указанного аналога является отсутствие возможности одновременно с измерением проведение активного выравнивания.
Общим недостатком перечисленных аналогов является отсутствие одновременного контроля и выравнивания по напряжению и току.
Наиболее близко, по технической сущности к предлагаемому изобретению, относится устройство мониторинга и выравнивания степени заряженности аккумуляторов блока АКБ по патенту на изобретение (RU 2695646, С1 МПК (2019.05): Н01M 10/48, опубл. 25.07.2019) и содержащее:
- источник питания в виде блока аккумуляторов (БА) с параллельно -последовательно соединенными аккумуляторами, в котором каждый аккумулятор блока аккумуляторов (БА) представлен источником питания напряжением Е с внутренним сопротивлением Ri, снабжен резистором одинаково малой величины R, одними выводами который электрически подключен к положительному контакту каждого аккумулятора. Параллельное соединение аккумуляторов в блоке аккумуляторов (БА) для каждого горизонтального ряда из m аккумуляторов выполнено объединением вторых выводов резисторов в общий вывод горизонтального ряда аккумуляторов блока, при этом число горизонтальных рядов равно n. Вертикальные ряды получены последовательным соединением анода предыдущего аккумулятора с катодом последующего в каждом горизонтальном ряду и образуют m вертикальных рядов по последовательному соединению при общем количестве аккумуляторов в блоке m*n.
Устройство включает также систему измерения температуры каждого аккумулятора, систему режима потребления и зарядки с датчиком тока потребления, блок управления коммутацией, блок коммутации аккумуляторов, две шины а и б для измерения электрических параметров, вывод от общего провода h-го ряда блока аккумуляторов (БА), микроконтроллер и цифровые индикаторы проблемных по температуре и по электрическим параметрам аккумуляторов.
К недостаткам прототипа относится:
- отсутствие возможности измерять и выравнивать разбаланс токов вертикальных рядов блока, которые оказывают заметное влияние на степень заряженности аккумуляторов и срок их службы при соединении в горизонтальный ряд через сопротивления малой величины при неодинаковости электрических параметров отдельных аккумуляторов;
- отсутствие возможности непрерывного контроля и выравнивания степени заряженности каждого из аккумуляторов блока по току, напряжению, сопротивлению и разностной потребляемой мощности;
- недостаточно эффективно осуществляется активное выравнивание при объединении аккумуляторов в горизонтальный ряд через сопротивления малой величины из-за потери энергии выравнивающих импульсов на этих сопротивлениях;
- недостаточно эффективно осуществляется выявление проблемных электрически перегруженных аккумуляторов по величине перегрева при контроле температуры, связанное со значительной задержкой во времени из-за тепловой инерции.
Задача предлагаемого изобретения состоит в расширении функциональных возможностей устройства путем своевременного диагностического контроля и выравнивания блока параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов по более полному комплексу электрических параметров, что увеличивает срок службы, безопасность работы блока аккумуляторов, а также снижает энергозатраты в работе устройства и стоимость его изготовления.
Технический результат заключается в следующем:
1. Предлагаемое устройство осуществляет следующие функции.
- Контроль комплекса электрических параметров каждого аккумулятора обеспечивающий раннюю диагностику и выявление проблемных аккумуляторов, не только за счет разбаланса напряжений в горизонтальных рядах, но и дополнительно по разбалансу токов в вертикальных рядах, а также внутренних сопротивлений и разностной потребляемой мощности аккумуляторов при перезаряде и недозаряде.
- Отображение на блоке цифровой индикации не только порядковых номеров проблемных по напряжению ряда, но и дополнительно проблемных по току аккумулятора в горизонтальном ряду, а на экране дисплея отображение растрового двухкоординатного изображения с модуляцией по яркости амплитудным значением разностной потребляемой мощности аккумуляторов при количестве пикселей равном количеству аккумуляторов в блоке аккумуляторов.
- Использование результатов контроля по комплексу электрических параметров для индивидуального выравнивания проблемных аккумуляторов блока.
- Выравнивание степени заряженности осуществляется для каждого проблемного аккумулятора пропорционально степени разбаланса не только по напряжению, но и дополнительно по разбалансу токов, внутреннему сопротивлению и разностной потребляемой мощности, как при перезаряде, так и при недозаряде с учетом тока потребления блока аккумуляторов.
- Осуществляется активное и пассивное выравнивание не только напряжения в горизонтальных рядах, но и токов в вертикальных рядах аккумуляторов блока при интенсивном активном выравнивании импульсными токами регулируемой величины больше ампера при КПД более 90%.
Устройство реализуется серийной элементной базой и не требует разработки дополнительных оригинальных элементов, что значительно снижает стоимость и повышает надежность его работы.
Достигается технический результат за счет того, что:
устройство мониторинга и выравнивания степени заряженности аккумуляторов блока АКБ содержит источник питания в виде блока параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов, связанный с системой режима потребления и зарядки, с датчиком тока потребления, блоком коммутации горизонтальных рядов аккумуляторов управляемых, блоком управления коммутацией аккумуляторов, общие шины а и b для измерения электрических параметров, общий вывод h-го горизонтального ряда для выравнивания напряжения, блок цифровой индикации и микроконтроллер, при этом каждый аккумулятор блока снабжен резистором одинаково малой величины R, одним выводом резистор электрически присоединен к положительному контакту своего аккумулятора, а вторые выводы резисторов объединены в общий вывод, образуя n горизонтальных рядов, а вертикальные ряды образуются последовательным соединением анода каждого предыдущего аккумулятора с катодом последующего.
Отличие, согласно изобретению состоит в том, что предлагаемое устройство:
- дополнительно снабжено блоком коммутации токовых ключей (БКТ) вертикальных рядов аккумуляторов общим количеством m, каждый из которых по входу подключен к электрическому выводу от анода своего аккумулятора n-го горизонтального ряда блока аккумуляторов, при этом выходы токовых ключей блока с нечетными порядковыми номерами объединены в один общий вывод и подключены к общей шине j, а выходы токовых ключей с четными порядковыми номерами блока объединены в один общий вывод и подключены к общей шине g;
- блок коммутации токовых ключей (БКТ) вертикальных рядов аккумуляторов снабжен блоком управления коммутацией управляющих устройств токовых ключей (БУКТ) вертикальных рядов, выполненным на основе демультиплексора с количеством выходов m, по входу управляемым тактовой частотой опроса не менее чем в m раз превышающей частоту f опроса горизонтальных рядов блока аккумуляторов от микроконтроллера, а по выходу m выводами подключенному к блоку коммутации токовых ключей вертикальных рядов с возможностью последовательной подачи напряжения питания на управляющие устройства m токовых ключей указанного блока, обеспечивая их последовательное замыкание;
- блок измерения и выравнивания напряжения (БИВН), содержащий выпрямитель (В), импульсный согласующий усилитель (УС), ограничительный резистор (R303) и дополнительно снабжен делителем напряжения на двух резисторах (R301, R302), при этом выпрямитель блока содержит импульсный трансформатор с одной первичной и одной вторичной обмотками и двухполупериодный выпрямитель, причем первичная обмотка трансформатора подключена к общим шинам измерения электрических параметров а и b, а вторичная обмотка к входу двухполупериодного выпрямителя, нагрузкой выпрямителя является делитель напряжения на двух резисторах; выход выпрямителя подключен к входу импульсного согласующего усилителя и через ограничительный резистор связан с общим выводом горизонтального ряда блока аккумуляторов с порядковым номером h, а выход импульсного согласующего усилителя и средняя точка делителя напряжения подключены к микроконтроллеру (МК);
- дополнительно снабжено блоком измерения и выравнивания тока (БИВТ), содержащим выпрямитель (В), импульсный согласующий усилитель (УС), четыре однопозиционных нормально разомкнутых ключа (Кл1, Кл2, Кл3, Кл4), импульсные инвертирующий (УИ) и неинвертирующий (УН) усилители напряжения, компаратор (К), регулируемый по напряжению преобразователь (ДС/ДС), блок питания низковольтной электроники (БПН) и ограничительный резистор (R401), при этом выпрямитель содержит импульсный трансформатор с двумя первичными и одной вторичной обмотками и двухполупериодный выпрямитель, причем первичные обмотки трансформатора подключены встречно к общим шинам j и g, а средняя точка трансформатора подключена к сигнальной земле; выход выпрямителя связан с входом импульсного согласующего усилителя, а его выход подключен к микроконтроллеру; первые два однопозиционных нормально разомкнутых ключа, управление замыканием которых осуществляется микроконтроллером, по входу связаны с выходом выпрямителя, а выходами соответственно подключены к входам импульсных инвертирующего и неинвертирующего усилителями напряжения; инвертирующий и неинвертирующий импульсные усилители напряжения по входу связаны соответственно с входами первых двух ключей, а по выходу с первым входом компаратора; компаратор по первому входу связан с выходами инвертирующего и неинвертирующего импульсными усилителями напряжения, а по второму входу с микроконтроллером, по выходу компаратор подключен к устройству управления замыканием третьего однопозиционного нормально разомкнутого ключа; третий однопозиционный нормально разомкнутый ключ, управление замыканием которого осуществляется компаратором, по входу связан с регулируемым по напряжению преобразователем, а по выходу через ограничительный резистор с выпрямителем; регулируемый по напряжению преобразователь, управление напряжением которого осуществляется микроконтроллером, по входу связан с блоком питания низковольтной электроники, а по выходу с третьим и четвертым однопозиционными нормально разомкнутыми ключами; четвертый однопозиционный нормально разомкнутый ключ, управление замыканием которого осуществляется микроконтроллером, по входу связан с регулируемым по напряжению преобразователем, а по выходу через ограничительный резистор с выпрямителем;
- микроконтроллер (МК) выполнен с возможностью:
задавать необходимую тактовую частоту опроса блока управления коммутацией управляющих устройств токовых ключей вертикальных рядов не менее чем в m раз превышающей частоту f опроса горизонтальных рядов блока аккумуляторов;
принимать измерительную информацию от блока измерения и выравнивания напряжения, блока измерения и выравнивания тока и программно определять средние значения импульсов напряжения, тока и их отклонения от средних значений, с учетом знака определять максимальную величину отклонения от среднего значения напряжения разбаланса горизонтальных рядов и тока вертикальных рядов и вычислять разностную потребляемую мощность;
программно генерировать и передавать управляющее воздействие по выравниванию тока в вертикальных рядах с учетом максимальной величины и знака напряжения разбаланса в горизонтальных рядах и тока разбаланса в вертикальных рядах, а так же тока потребления и зарядки;
программно выполнять управляющее воздействие по интенсивному активному выравниванию тока в вертикальных рядах при наличии как положительного, так и отрицательного разбаланса в горизонтальных рядах с приоритетом положительного знака напряжения разбаланса в горизонтальных рядах;
программно с заданной периодичностью переводить устройство в режим измерения, путем размыкания первого и второго ключей, замыкания четвертого ключа и подачей опорного запирающего напряжения на вход компаратора от выхода микроконтроллера;
программно генерировать команду аварийного отключения устройства при недопустимых отклонениях контролируемых параметров от заданных значений;
программно обрабатывать и передавать в блок цифровой индикации измерительную информацию по напряжению, току и разностной потребляемой мощности;
- блок цифровой индикации (БЦИ) содержащий цифровой индикатор порядковых номеров проблемных по электрическим параметрам аккумуляторов, дополнительно снабжен растровым двухкоординатным экраном с количеством пикселей равном количеству аккумуляторов в блоке аккумуляторов для отображения относительного изменения потребляемой мощности в виде яркостной модуляции по амплитуде этого параметра при опросе горизонтальных и вертикальных рядов аккумуляторов, причем каждый из перечисленных индикаторных устройств управляется от микроконтроллера.
Дополнительно отличие также состоит в том, что ограничительные резисторы блоков измерения и выравнивания напряжения и измерения и выравнивания тока одновременно являются предохранителями; резисторы малой величины R конструктивно выполнены из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением в виде отрезков резистивной ленты электрически присоединенной между точками сварки соседних анодов и катодов аккумуляторов вертикальных рядов; отрезки резистивной ленты электрически присоединены сваркой к перемычкам вертикальных рядов и выполнены конструктивно той же конфигурации, при этом перемычки вертикальных рядов электрически присоединены к полюсам соседних аккумуляторов вертикальных рядов.
Предложенное изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 - функциональная схема устройства мониторинга и выравнивания степени заряженности аккумуляторов блока (АКБ);
фиг. 2 - функциональная схема коммутации аккумуляторов блока (АКБ);
фиг. 3 - функциональная схема блоков измерения и выравнивания напряжения и токов;
фиг. 4а - конструкторский монтаж горизонтальных рядов блока аккумуляторов с резистивной лентой;
фиг. 4б - эквивалентная электрическая схема;
фиг. 5 - осциллограмма перехода от режима измерения к выравниванию по току при перезаряде в вертикальных рядах;
фиг. 6 - осциллограмма выравнивания по току при перезаряде в вертикальных рядах;
фиг. 7 - осциллограмма выравнивания по току при недозаряде в вертикальных рядах и разбалансе напряжения по недозаряду в горизонтальных рядах;
фиг. 8 - осциллограмма выравнивания по току при перезаряде с переходом на выравнивание при недозаряде в вертикальных рядах.
Устройство по предложенному изобретению (фиг. 1) включает:
• аккумуляторный блок 100 (АКБ), содержащий блок аккумуляторов 101 (БА), состоящий из параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов, блок коммутации аккумуляторов 102 (БКА) и дополнительно снабжен блоком коммутации токовых ключей 103 (БКТ);
• блок управления коммутацией аккумуляторов 110 (БУКА);
• блок управления коммутацией токовых ключей вертикальных рядов 120 (БУКТ);
• систему потребления и зарядки 200 (СПЗ);
• блок измерения и выравнивания напряжения 300 (БИВН);
• блок измерения и выравнивания тока 400 (БИВТ);
• датчик тока 500 (ДТ);
• микроконтроллер 600 (МК);
• блок цифровой индикации 700 (БЦИ);
• общие шины а и b измерения напряжения горизонтальных рядов аккумуляторов 101 (БА);
• общий вывод горизонтального ряда блока аккумуляторов 101 (БА) с порядковым номером h;
• шины j и g выходов ключей с нечетными и четными порядковыми номерами блока 103 (БКТ) измерения напряжения пропорционального току вертикальных нечетных и четных рядов аккумуляторов 101 (БА).
При этом взаимодействие перечисленных блоков в статической части описания осуществляется следующим образом.
В блоке 101 (БА) (фиг. 2) каждый аккумулятор представлен источником питания с напряжением Е, внутренним сопротивлением Ri и снабжен резистором одинаково малой величины R. Одним выводом резистор R электрически присоединен к положительному контакту своего аккумулятора, а вторые выводы каждого резистора объединены в общий вывод горизонтального ряда аккумуляторов, образуя n горизонтальных рядов по m аккумуляторов в каждом общим количеством аккумуляторов в блоке 101 (БА) n*m. Количество общих выводов горизонтальных рядов равно n+1, причем n+1 общий вывод объединен через m резисторов одинаково малой величины R с отрицательным полюсом блока 101 (БА) который является сигнальной землей.
При этом величина численного значения резисторов малой величины R выбирается в зависимости от допустимого для используемого типа аккумуляторов разброса номинальной величины напряжения аккумуляторов и внутреннего сопротивления аккумулятора.
Вертикальные ряды получены последовательным соединением анода каждого предыдущего аккумулятора с катодом последующего и образуют m вертикальных рядов по последовательному соединению.
Блок аккумуляторов 101 (БА) дополнительно снабжен электрическим выводом от анода каждого аккумулятора n-го горизонтального ряда, через который подключен к входу своего ключа блока коммутации токовых ключей 103 (БКТ).
Блок коммутации горизонтальных рядов аккумуляторов 102 (БКА) содержит комплект управляемых однопозиционных нормально разомкнутых ключей с малым внутренним сопротивлением (далее ключей с малым внутренним сопротивлением) общим количеством n+1, каждый из которых по входу связан с общим выводом своего горизонтального ряда аккумуляторов, а по выходу ключи блока 102 (БКА) с нечетными порядковыми номерами объединены в один общий вывод и подключены к общей шине а, а выходы ключей с четными порядковыми номерами блока 102 (БКА) объединены в один общий вывод и подключены к общей шине b.
Блок коммутации горизонтальных рядов аккумуляторов 102 (БКА) так же снабжен общим выводом горизонтального ряда блока аккумуляторов101 (БА) с порядковым номером h, которому соответствует напряжение величиной U*h, где U - среднее по горизонтальному ряду аккумуляторов значение напряжения близкое к номинальному значению напряжения Е каждого из аккумуляторов блока 101 (БА).
Блок аккумуляторов 101 (БА) (фиг. 2) дополнительно снабжен блоком коммутации токовых ключей 103 (БКТ) содержащим комплект управляемых однопозиционных нормально разомкнутых ключей с малым внутренним сопротивлением общим количеством m, каждый из которых по входу подключен к электрическому выводу от анода своего аккумулятора n-го горизонтального ряда блока аккумуляторов 101 (БА), а по выходу ключи блока 103 (БКТ) с нечетными порядковыми номерами объединены в один вывод и подключены к общей шине j, а выходы ключей с четными порядковыми номерами блока БКТ (103) объединены в один вывод и подключены к общей шине g.
Блок управления коммутацией аккумуляторов 110 (БУКА) (фиг. 1) выполнен на основе сдвоенного демультиплексора с количеством выходов n+1, обеспечивающего через управляющие устройства попарное подключение двух соседних ключей нечетных и четных горизонтальных рядов блока аккумуляторов 101 (БА) к общим шинам измерения электрических параметров а и b с частотой последовательного опроса f.
Блок коммутации токовых ключей 103 (БКТ) снабжен блоком управления коммутацией токовых ключей 120 (БУКТ), выполненным на основе демультиплексора с количеством выходов m, обеспечивающим последовательную подачу напряжения питания на управляющие устройства m ключей блока коммутации токовых ключей 103 (БКТ) и их замыкание при частоте опроса токовых ключей не менее чем в m раз превышающей частоту f опроса ключей блока 110 (БУКА).
Система потребления и зарядки 200 (СПЗ), подключена между положительным и отрицательным полюсами блока аккумуляторов 101 (БА).
Блок измерения и выравнивания напряжения 300 (БИВН) содержит выпрямитель 301 (В), импульсный согласующий усилитель 302 (УС), делитель напряжения на двух резисторах (R301), (R302) и ограничительный резистор (R303). При этом выпрямитель 301 (В) состоит из импульсного трансформатора с одной первичной и одной вторичной обмотками и двухполупериодного выпрямителя, первичная обмотка трансформатора подключена к общим шинам измерения электрических параметров а и b, а вторичная к входу двухполупериодного выпрямителя, нагрузкой выпрямителя является дополнительно введенный делитель напряжения на двух резисторах (R301), (R302), выход выпрямителя 301 (В) подключен к входу импульсного согласующего усилителя 302 (УС) и через ограничительный резистор (R303) связан с общим выводом горизонтального ряда блока аккумуляторов 101 (БА) с порядковым номером h, а выход импульсного согласующего усилителя 302 (УС) и средняя точка делителя напряжения подключены к микроконтроллеру 600 (МК).
Устройство по предложенному изобретению дополнительно снабжено блоком измерения и выравнивания тока 400 (БИВТ) (фиг. 1,3) содержащим выпрямитель 401 (В), импульсный согласующий усилитель 402 (УС), управляемые однопозиционные нормально разомкнутые ключи 403 (Кл1) и 404 (Кл2) (далее - ключи), инвертирующий усилитель напряжения 405 (УИ), компаратор 406 (К), ключ 407 (Кл3), регулируемый по напряжению преобразователь 408 (ДС/ДС), блок питания низковольтной электроники 409 (БПН), неинвертирующий усилитель напряжения 410 (УН), ключ 411 (Кл4) и ограничительный резистор (R 401).
При этом выпрямитель 401 (В) снабжен импульсным трансформатором с двумя первичными и одной вторичной обмотками, первичные обмотки подключены встречно к общим шинам j и g измерения напряжения пропорционального току вертикальных нечетных и четных рядов аккумуляторов 101 (БА) выходов ключей с нечетными и четными порядковыми номерами блока 103 (БКТ), а средняя точка первичной обмотки подключена к сигнальной земле.
К вторичной обмотке подключен для двухполупериодного выпрямления четырехдиодный мост, выход выпрямителя 401(B) подключен к входу импульсного согласующего усилителя 402 (УС), ключам 403 (Кл1) и 404 (Кл2) и через ограничительный резистор (R401) подключен к выходу ключей 407 (Кл3) и 411 (Кл4), выход ключа 403 (Кл1) связан с входом инвертирующего усилителя напряжения 405 (УИ), выход ключа 404 (Кл2) связан с входом неинвертирующего усилителя напряжения 410 (УН), а выходы инвертирующего 405 (УИ) и неинвертирующего 410 (УН) усилителей напряжения подключены на первый вход компаратора 406 (К), на второй вход которого подается регулируемое от микроконтроллера 600 (МК) опорное напряжение, по выходу компаратор 406 (К) управляет замыканием ключа 407 (Кл3).
На вход ключей 407 (Кл3) и 411 (Кл4) подается напряжение преобразователя 408 (ДС/ДС) регулируемое от микроконтроллера 600 (МК), вход преобразователя 408 (ДС/ДС) связан с выходом блока питания низковольтной электроники 409 (БПН), а управляющие устройства замыканием ключей 403 (Кл1), 404 (Кл2) и 411 (Кл4) подключены к микроконтроллеру 600 (МК).
Датчик тока 500 (ДТ) предназначен для измерения потребляемого тока в системе потребления зарядки 200 (СПЗ) и обработки результатов измерения в микроконтроллере 600 (МК).
Микроконтроллер 600 (МК) электрически связан со следующими блоками:
- блоками 110 (БУКА) и 120 (БУКТ) для подачи тактовых импульсов опроса;
- блоком 300 (БИВН) по приему измерительной информации по напряжению;
- блоком 400 (БИВТ) по приему измерительной информации по току, управляющего воздействия по напряжению и току и управлению замыканием ключей 403 (Кл1), 404 (Кл2) и 411 (Кл4);
- датчиком тока 500 (ДТ) по приему измерительной информации по току;
- блоком цифровой индикации 700 (БЦИ) для обеспечения цифровой индикации порядковых номеров проблемных по электрическим параметрам аккумуляторов блока БА (101) и отображение на двухкоординатном дисплее растрового изображения модулированного по яркости амплитудным значением относительного изменения потребляемой мощности количеством пикселей равным числу аккумуляторов в блоке.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Последовательность работы по контролю и выравниванию электрических параметров блока 100 (АКБ) в режиме измерения и активного выравнивания.
При первоначальном запуске устройства в работу, а также при незначимых отклонениях напряжения в горизонтальных рядах и тока в вертикальных рядах находящихся ниже установленного на микроконтроллере 600 (МК) значения порога чувствительности, устройство находится в режиме измерения.
В режиме измерения ключи 403 (Кл 1) и 404 (Кл2) разомкнуты, на втором входе компаратора 406 (К) микроконтроллером 600 (МК) установлено высокое запирающее напряжение, а напряжение на регулируемом по напряжению преобразователе 408 (ДС/ДС) установлено равным постоянному напряжению на выходе выпрямителя 301 (В), при этом ключ 411 (Кл4) замкнут.
По сигналу микроконтроллера 600 (МК), при подаче на вход сдвоенного демультиплексора блока управления коммутацией аккумуляторов 110 (БУКА) (Фиг. 1) с числом выходов п+1 при попарном замыкании ключей с малым внутренним сопротивлением блока коммутации горизонтальных рядов аккумуляторов 102 (БКА) осуществляется последовательное подключение горизонтальных рядов состоящих из m аккумуляторов в каждом к общим шинам а и b (фиг. 2).
При попарном опросе ключей с малым внутренним сопротивлением блока 102 (БКА) с частотой f от блока управления коммутацией 110 (БУКА) на общих шинах а и b измерения электрических параметров происходит чередование положительных и отрицательных импульсов напряжений прямоугольной формы с амплитудой, пропорциональной напряжению на каждом из горизонтальных рядов блока 101 (БА) (фиг. 2) и по общим шинам а и b эти импульсы поступают на вход блока измерения и выравнивания напряжения 300 (БИВН).
В блоке 300 (БИВН) (фиг. 3) на выходе выпрямителя 301 (В), выполненном по схеме двухполупериодного выпрямления формируется среднее значение постоянного напряжения по всем горизонтальным рядам аккумуляторов, которое при заданном коэффициенте трансформации и при отсутствии разбаланса горизонтальных рядов по величине, равно напряжению на выходе общего вывода горизонтального ряда блока аккумуляторов БА (101) с порядковым номером n.
При отличии амплитуды напряжения рассогласования на любом из горизонтальных рядов аккумуляторов от среднего значения, на выходе выпрямителя 301 (В) на среднее значение постоянного напряжения накладываются прямоугольные импульсы напряжения, амплитуда которых пропорциональна величине напряжения разбаланса проблемного горизонтального ряда (фиг. 5), причем положительное значение импульса напряжения разбаланса соответствует перезаряду, а отрицательное значение недозаряду контролируемого горизонтального ряда аккумуляторов блока 101 (БА).
При каждом последовательном подключении горизонтального ряда по сигналу микроконтроллера 600 (МК) с частотой f*m в m раз превышающей частоту опроса общих шин а и b горизонтальных рядов через блок управления коммутацией управляющих устройств токовых ключей вертикальных рядов 120 (БУКТ), блоком коммутации токовых ключей вертикальных рядов 103 (БКТ) осуществляется последовательное подключение анодов аккумуляторов n-го горизонтального ряда ключами с малым внутренним сопротивлением с нечетными порядковыми номерами (фиг. 2) к общей шине j, а ключами с четными порядковыми номерами к общей шине g измерения напряжения пропорционального току вертикальных нечетных и четных рядов аккумуляторов блока 101 (БА).
При подаче напряжения с общих шин j и g на встречно включенные первичные обмотки импульсного трансформатора выпрямителя 401 (В) выполненного по схеме двухполупериодного выпрямления на выходе выпрямителя 401 (В) после выпрямления, формируется среднее значение постоянного напряжения по всем вертикальным рядам аккумуляторов, которое при заданном коэффициенте трансформации при отсутствии значимого разбаланса вертикальных рядов равно напряжению на выходе регулируемого по напряжению преобразователя 408 (ДС/ДС), величина которого устанавливается равной постоянной составляющей на выходе выпрямителя блока измерения и выравнивания напряжения 300 (БИВН).
При отличии амплитуды напряжения рассогласования на любом из вертикальных рядов аккумуляторов от среднего значения, на выходе выпрямителя 401 (В) (фиг. 5) на среднее значение постоянного напряжения накладываются прямоугольные импульсы напряжения, амплитуда которых пропорциональна величине напряжения рассогласования проблемного по току вертикального ряда, причем положительное значение импульса напряжения рассогласования соответствует недозаряду, а отрицательное значение -перезаряду контролируемого вертикального ряда аккумуляторов блока 101 (БА).
В заявленном устройстве для трансформаторов выпрямителей 301 (В) и 401 (В) заданы одинаковые коэффициенты трансформации, при этом для блоков измерения и выравнивания напряжения и измерения и выравнивания тока постоянные составляющие напряжения на выходах их выпрямителей равны.
Микроконтроллер 600 (МК) по максимальной амплитуде импульсов рассогласования относительно среднего значения на выходе выпрямителя 401 (В) управляет величиной опорного напряжения на входе компаратора 406 (К), а по максимальной амплитуде импульсов разбаланса горизонтальных рядов управляет величиной напряжения смещения регулируемого по напряжению преобразователя 408 (ДС/ДС) относительно значения соответствующего напряжению постоянной составляющей на выходе выпрямителя блока измерения и выравнивания напряжения 300 (БИВН) с учетом знака напряжения разбаланса, при этом также учитывается величина тока потребления, измеренная датчиком тока 500 (ДТ).
Результаты измерения разбаланса относительно среднего значения и их величины по напряжению, току и вычисленной разностной потребляемой мощности в блоках 300 (БИВН) и 400 (БИВТ) передаются микроконтроллером 600 (МК) на управление выравниванием напряжения и тока, а также на индикацию в блок цифровой индикации 700 (БЦИ).
В блоке 700 (БЦИ) на цифровом индикаторе осуществляется цифровая индикация порядкового номера проблемного по напряжению ряда, порядкового номера проблемного по току аккумулятора в горизонтальном ряду и отображение на экране двухкоординатного дисплея растрового изображения по вертикали и горизонтали с модуляцией по яркости координат аккумуляторов амплитудным значением разностной потребляемой мощности, при количестве пикселей равном количеству аккумуляторов в блоке аккумуляторов 100 (БА).
В режиме измерения одновременно с измерением амплитуды разбаланса напряжения горизонтальных рядов от постоянного напряжения общего вывода горизонтального ряда блока аккумуляторов 101 (БА) с порядковым номером h через ограничительный резистор (R303) и выпрямитель 301 (В) происходит активное выравнивание напряжения рассогласования проблемных горизонтальных рядов, как при перезаряде, так и при недозаряде.
Также в режиме измерения одновременно с измерением амплитуды разбаланса токов вертикальных рядов от постоянного напряжения, регулируемого по напряжению преобразователя 408 (ДС/ДС) через замкнутый ключ 411 (Кл4), ограничительный резистор (R401) и выпрямитель 401 (В) происходит активное выравнивание токов разбаланса проблемных вертикальных рядов, как при перезаряде, так и при недозаряде.
При этом величина токов выравнивания не превышает сотни миллиампер, но при разбалансе незначительном по току - эффект от такого выравнивания достаточно заметен.
Последовательность работы по интенсивному активному выравниванию электрических параметров блока 100 (АКБ).
При значимой положительной величине импульса рассогласования по напряжению в горизонтальных рядах превышающей пороговое значение, установленное на микроконтроллере 600 (МК) замыкается ключ (Кл1) и размыкается ключ 411 (Кл4), а от выпрямителя 401 (В) на инвертирующий усилитель напряжения 405 (УИ) поступают отрицательные импульсы разбаланса вертикальных рядов (фиг. 5), пропорциональные по амплитуде току перезаряда и после инвертирования и усиления на инвертирующем усилителе напряжения 405 (УИ) усиленные положительные импульсы поступают на вход компаратора 406 (К).
По результатам измерения на второй вход компаратора 406 (К) подается положительное опорное напряжение от микроконтроллера 600 (МК) пропорциональное максимальной амплитуде разбаланса по току и несколько меньшее максимальной амплитуды усиленных импульсов разбаланса токов вертикальных рядов, что вызывает срабатывание компаратора 406 (К) и запускает процесс интенсивного активного выравнивания по току (фиг. 5).
Одновременно, на выходе регулируемого по напряжению преобразователя 408 (ДС/ДС), микроконтроллер 600 (МК) устанавливает напряжение меньшее исходного среднего значения, соответствующего сбалансированному устройству на величину, пропорциональную максимальному разбалансу в горизонтальных рядах.
При импульсном срабатывании компаратора 406 (К) через ключ 407 (Кл3) за счет уменьшенного относительного исходного среднего напряжения преобразователя 408 (ДС/ДС) на выходе ключа 407 (Кл3) формируются отрицательные импульсы, которые поступают через ограничительный резистор (R401) на вторичную обмотку импульсного трансформатора выпрямителя 401 (В) и через его первичную обмотку и шины j и g измерения напряжения пропорционального току вертикальных рядов аккумуляторов 101 (БА) осуществляют выравнивание проблемного вертикального ряда по току (фиг. 6).
Импульсный трансформатор выпрямителя 401 (В) в этом случае используется как обратимый элемент, в котором импульсы прямоугольного напряжения измерительной информации передается от первичной на вторичную обмотку, а управляющие импульсы выравнивания передаются от вторичной обмотки к первичной обмотке.
При прохождении увеличенного тока в проблемном вертикальном ряду вызванного перезарядом за счет возросшего падения напряжения на внутреннем сопротивлении Ri соответствующего аккумулятора в n-ом горизонтальном ряду (фиг. 2), происходит уменьшение напряжения на его аноде, что на выходе выпрямителя 401 (В) проявляется как импульс отрицательного напряжения (фиг. 5).
Когда при выравнивании по току на выход выпрямителя 401 (В) подается значительно усиленный отрицательный импульс напряжения выравнивания, происходит еще большее падение напряжения на внутреннем сопротивлении Ri соответствующего аккумулятора в n-ом горизонтальном ряду (фиг. 2). В результате общее напряжение вертикального проблемного ряда уменьшается, что приводит к соответствующему уменьшению тока в проблемном вертикальном ряду, обеспечивая его выравнивание, при этом происходит также частичное выравнивание разбаланса по напряжению в горизонтальных рядах.
В устройстве по предложенному изобретению, в режиме интенсивного активного выравнивания, токи выравнивания на шинах j и g измерения напряжения пропорционального току вертикальных рядов аккумуляторов могут составлять до нескольких ампер.
Если по мере выравнивания напряжения перезаряда аккумуляторов компаратор прекращает срабатывать, то устройство переходит в режим измерения и если при этом присутствуют значимые по величине напряжения разбаланса в горизонтальных рядах, то будет происходить выравнивание напряжения горизонтальных рядов аккумуляторов при недозаряде (фиг. 8).
Такая цикличность будет повторяться пока напряжение разбаланса в горизонтальных и вертикальных рядах не станет ниже установленного уровня порога срабатывания. При этом так же снижается напряжение, подаваемое с выхода, регулируемого по напряжению преобразователя 408 (ДС/ДС), пропорциональное максимальному разбалансу по напряжению в горизонтальных рядах при перезаряде и недозаряде.
Кроме того, микроконтроллер 600 (МК) программно с заданной периодичностью переводит устройство в режим измерения размыканием ключей 403 (Кл1) и 404 (Кл2), замыканием ключа 411 (Кл4) и подачей опорного запирающего напряжения на вход компаратора 406 (К).
Приоритетом всегда является наличие значимых по величине положительных импульсов разбаланса горизонтальных рядов при перезаряде. Поэтому, если при этом на вход микроконтроллера 600 (МК) так же поступают значимые по амплитуде отрицательные импульсы рассогласования, все равно замыкается только ключ 403 (Кл1). И только когда положительные импульсы рассогласования по амплитуде станут меньше порогового уровня значимости ключ 403 (Кл1) размыкается.
Если максимальные положительные прямоугольные импульсы напряжения рассогласования на выходе выпрямителя 301 (В) (фиг. 8) становятся ниже установленного порога срабатывания, но присутствуют значимые отрицательные импульсы соответствующие недозаряду, то периодичность работы устройства повторяется, начиная с измерения рассогласования по напряжению и току, но теперь уже для процесса измерения и выравнивания при недозаряде.
При этом замыкается ключ 404 (Кл2) и размыкается ключ 403 (Кл1), а от выпрямителя 401 (В) на неинвертирующий усилитель напряжения 410 (УН) поступают положительные импульсы разбаланса вертикальных рядов пропорциональные по амплитуде току недозаряда и после усиления на нем усиленные положительные импульсы поступают на вход компаратора 406 (К).
Далее процесс выравнивания по току при недозаряде (фиг. 7) происходит так же, как и при перезаряде, но только в этом случае от преобразователя 408 (ДС/ДС) подается положительное напряжение пропорциональное максимальному разбалансу горизонтальных рядов при недозаряде, положительными импульсами выравнивания. Благодаря этому при выравнивании по току при недозаряде, мы имеем дело с усиленными по величине положительными импульсами.
В результате общее напряжение вертикального проблемного ряда возрастает, что приводит к соответствующему увеличению тока в проблемном вертикальном ряду, обеспечивая его выравнивание. Процесс перехода от выравнивания при перезаряде к выравниванию при недозаряде в горизонтальных рядах представлен на (фиг. 8).
Если значимые по амплитуде положительные и отрицательные импульсы рассогласования в горизонтальных рядах отсутствуют, то оба ключа 403 (Кл1) и 404 (Кл2) размыкаются, ключ 411 (Кл4) замыкается, а на регулируемый по напряжению преобразователь 408 (ДС/ДС) подается напряжение равное напряжению постоянной составляющей на выходе выпрямителя 301 (В) и устройство переходит в режиме измерения. При этом так же выполняется активное выравнивание слабым током через замкнутый ключ 411 (Кл4) от преобразователя 408 (ДС/ДС). Комбинация, когда оба ключа 403 (Кл 1) и 404 (Кл2) оказываются замкнутыми, является недопустимой.
В итоге выравнивание по напряжению в горизонтальных рядах и выравнивание по току в вертикальных рядах выполняется за счет:
- непрерывного пассивного выравнивания через резисторы малой величины R;
- непрерывного активного выравнивания по напряжению импульсами частоты f напряжения разбаланса горизонтальных рядов от общего вывода горизонтального ряда блока аккумуляторов с порядковым номером h, как при перезаряде, так и недозаряде;
- активного выравнивания по току в режиме измерения в вертикальных рядах, импульсами частоты не менее чем в m раз превышающей частоту f опроса горизонтальных рядов блока аккумуляторов от регулируемого по напряжению преобразователя 408 (ДС/ДС) как при перезаряде, так и недозаряде;
- выравнивания по току, в режиме интенсивного активного выравнивания в вертикальных рядах, импульсами частоты не менее чем в m раз превышающей частоту f опроса горизонтальных рядов блока аккумуляторов от регулируемого по напряжению преобразователя 408 (ДС/ДС), как при перезаряде, так и недозаряде токами до нескольких ампер, обеспечивая в этом режиме основной эффект активного выравнивания.
Следует отметить, что при комплектации блока аккумуляторов 101 (БА) необходимо более тщательно отбирать аккумуляторы в n-ый горизонтальный ряд по одинаковости напряжения Е и внутреннего сопротивления Ri, поскольку они для этого ряда являются эталонными.
Ограничительные резисторы блоков измерения и выравнивания напряжения и измерения и выравнивания тока одновременно являются предохранителями.
В целях экономии резисторы малой величины R (фиг. 2) конструктивно выполнены из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением в виде отрезков резистивной ленты с одной стороны, электрически присоединенной сваркой к перемычкам вертикальных рядов, и выполнены конструктивно той же конфигурации (фиг. 4а), а с другой стороны отрезки резистивной ленты электрически присоединены сваркой к общему электрическому выводу горизонтального ряда, при этом перемычки вертикальных рядов электрически присоединены к полюсам соседних аккумуляторов вертикальных рядов.
Электрическое сопротивление в резистивной ленте между точками сварки соседних анодов и катодов аккумуляторов вертикальных рядов должно быть равным 4R (фиг. 4б). Отрезки резистивной ленты электрически присоединены сваркой к перемычках вертикальных рядов и повторяют их конфигурацию, при этом перемычки вертикальных рядов электрически присоединены к полюсам соседних аккумуляторов вертикальных рядов.
Общий электрический вывод горизонтального ряда установлен перпендикулярно отрезкам ленты и электрически присоединен к серединам каждого из отрезков ленты, а присоединением общего электрического вывода горизонтального ряда в середине отрезка ленты, обеспечивается общее электрическое сопротивление между анодом каждого аккумулятора (фиг. 4б) и общим выводом горизонтального ряда равным R.
Реализация устройства по предложенному изобретению в энергетических установках гибридных автомобилей и электромобилей позволит:
- Увеличить срок службы блока аккумуляторов за счет контроля и выравнивания по току, напряжению, внутреннему сопротивлению и разностной потребляемой мощности по каждому проблемному аккумулятору, при одновременной балансировке как перезаряженных, так и недозаряженных аккумуляторов при непрерывной работе в режиме зарядки и энергопотребления.
- Повысить безопасность работы блока аккумуляторов при контроле и выравнивании по току, напряжению, сопротивлению и разностной потребляемой мощности в каждом из аккумуляторов этого блока за счет практически мгновенного выявления аккумуляторов с избыточным разностным потреблением энергии вызывающих их перегрев.
- Получить высокую наглядность при отображении проблемных по разностной потребляемой энергии аккумуляторов вызывающей их перегрев, при их индикации на двухкоординатном дисплее с модуляцией по яркости амплитудным значением относительного изменения потребляемой мощности.
- Уменьшить энергозатраты в работе устройства и стоимости его изготовления в предлагаемом изобретении, за счет подачи основной энергии активного выравнивания при выравнивании по току в вертикальных рядах, а активное выравнивание по напряжению в горизонтальных рядах использовать как вспомогательное.
- В схемотехническом решении, используемом в заявленном устройстве, обеспечивается значительная экономия в стоимости электронного оборудования, так как для выравнивания напряжения можно использовать дешевые ключи с относительно большим внутренним сопротивлением, а для выравнивания по току использовать ключи с малым внутренним сопротивлением, но с невысоким рабочим напряжением и не требующим высоковольтной развязки.
Поскольку количество горизонтальных рядов в несколько раз превышает количество вертикальных рядов экономический эффект может быть значительным. При этом основной эффект активного выравнивания осуществляется по току в вертикальных рядах, а выравнивание напряжения в каждом горизонтальном ряду осуществляется преимущественно за счет пассивного выравнивания через сопротивления малой величины и активного выравнивания по напряжению и току.