СПОСОБ ЗАРЯДКИ ИЛИ РАЗРЯДКИ НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
CHARGING METHOD OR DISCHARGE OF ENERGY ACCUMULATOR

Изобретение касается способа зарядки или разрядки накопителя энергии, по меньшей мере, с блоком элементов, состоящим из нескольких последовательно соединенных друг с другом аккумуляторных элементов, с помощью протекающего через все аккумуляторы последовательного тока зарядки или разрядки, при этом, по меньшей мере, некоторые из аккумуляторных элементов могут иметь различные емкости.
У накопителей энергии (аккумуляторов), состоящих из нескольких последовательно соединенных друг с другом, повторно заряжаемых аккумуляторных элементов, для срока службы накопителя энергии, кроме прочего, важно, чтобы каждый отдельный элемент при зарядке накопителя энергии ни заряжался избыточно, ни заряжался недостаточно, и все элементы имели по возможности одинаковое состояние заряда. Это имеет силу, в частности, для накопителей энергии, состоящих из нескольких последовательно соединенных друг с другом литий-ионных аккумуляторов, литий-полимерных аккумуляторов и/или литий-железо-фосфатных аккумуляторов.
Поэтому, как правило, такого рода накопители энергии соединены соответственно с устройством, часто обозначаемым также как система управления аккумулятором, которое, с одной стороны, с помощью устройства контроля зарядки постоянно наблюдает за состоянием заряда отдельных аккумуляторных элементов, а, с другой стороны, при различных состояниях заряда отдельных аккумуляторных элементов пытается их выровнять. При этом выравнивание, обозначенное также как Balancing, состояний заряда аккумуляторных элементов может происходить пассивным или активным выравниванием. Кроме того, у известных систем управления аккумуляторами выравнивание заряда начинается только тогда, когда, по меньшей мере, один из аккумуляторных элементов полностью заряжен, поэтому весь процесс зарядки блока элементов отнимает относительно много времени.
При пассивном выравнивании у того аккумуляторного элемента, который первый достиг своего конечного напряжения зарядки, избыточная энергия преобразуется через сопротивление в тепло и, таким образом, для процесса зарядки теряется.
При активном выравнивании, напротив, энергия, которая отбирается у аккумуляторного элемента со слишком большим напряжением элемента, не преобразуется в термическую энергию, а используется для зарядки других элементов накопителя энергии. Однако и при активном выравнивании выравнивание заряда начинается только тогда, когда, по меньшей мере, один из аккумуляторных элементов блока элементов достиг своего конечного напряжения зарядки.
Из публикации EP 1 941 594 B1 известен способ зарядки накопителя энергии с блоком элементов, состоящим из нескольких последовательно соединенных друг с другом аккумуляторных элементов, при котором предлагается предпринимать зарядку аккумуляторных элементов с помощью последовательного тока зарядки, протекающего через все аккумуляторные элементы, и точно избыточно заряжать выбранный аккумуляторный элемент  с помощью дополнительного селективного процесса зарядки. Затем происходит приравнивание состояния заряда выбранного аккумуляторного элемента к состояниям заряда других аккумуляторных элементов. Для селективной зарядки выбранного аккумуляторного элемента предпочтительно используется блок элементов. Такого рода избыточная зарядка отдельных аккумуляторных элементов возможна именно у свинцово- или никель-кадмиевых аккумуляторов, в противоположность этому, невозможна у литий-ионных аккумуляторов, литий-полимерных аккумуляторов и/или литий-железо-фосфатных аккумуляторов, которые сразу же были бы разрушены.
Из публикации DE 10 2010 017 439 A1 известен способ зарядки накопителя энергии с несколькими последовательно соединенными друг с другом аккумуляторными элементами, при котором отдельные аккумуляторные элементы заряжаются раздельно через вспомогательные регуляторы зарядки, соединенные с сетью переменного напряжения, и затем предпринимается выравнивание заряда между отдельными элементами с помощью этих вспомогательных регуляторов зарядки.
В заключение, из публикации DE 10 2012 020 544 A1 известен способ зарядки накопителя энергии с несколькими последовательно соединенными друг с другом аккумуляторными элементами, при котором для ускорения процесса зарядки дополнительно к последовательному току зарядки, протекающему через все элементы, подводится вспомогательный ток зарядки к аккумуляторным элементам, у которых измеряют недостижение соответствующего предварительно заданного состояния заряда. Для селективной зарядки выбранных аккумуляторных элементов в этом способе используется предпочтительно отдельный источник постоянного тока.
У названных ранее известных способов для определения соответствующего состояния заряда соответствующего аккумуляторного элемента измеряется ее соответствующее напряжение элемента и затем при превышении или недостижении предварительно заданных значений напряжения элемента, при известных обстоятельствах, вводится выравнивание зарядки между аккумуляторными элементами различных состояний заряда. Однако при этом возникает та проблема, что напряжение элементы во время соответствующего процесса зарядки аккумуляторного элемента остается в значительной мере постоянным, поэтому сложно из напряжения элементы сделать заключение о мгновенном состоянии заряда соответствующего аккумуляторного элемента. Лишь незадолго до достижения соответствующего конечного напряжения зарядки, или соответственно, разрядки получается относительно сильный рост, или соответственно, падение соответствующего напряжения элемента, который может быть привлечен для соответствующих регулирующих процессов выравнивания зарядки.
В основу изобретения положена задача предоставления способа зарядки или разрядки накопителей энергии, который, по сравнению с известными способами, обеспечивает возможность надежной и быстрой зарядки или разрядки накопителя энергии, а именно, в частности, также тогда, когда отдельные аккумуляторные элементы блока элементов обладают различными емкостями. Кроме того, должна быть обеспечена возможность в каждый момент времени процесса зарядки или разрядки для каждого из аккумуляторных элементов показывать его соответствующее состояние зарядки или разрядки.
В отношении зарядки накопителя энергии данная задача решается в соответствии с изобретением с помощью признаков пункта 1, а в отношении разрядки накопителя энергии - с помощью признаков пункта 2 формулы изобретения. Другие, особо предпочтительные формы осуществления изобретения раскрывают подпункты.
N
N;max
N
О
N;max
N
N
N;max
O
N;max
O
N;max
O
N;max
,
В противоположность известным способам, при которых зарядка отдельных аккумуляторных элементов проверяется посредством измерения напряжений элементов и затем на основании измеренных напряжений элементов предпринимается выравнивание заряда между отдельными аккумуляторными элементами лишь только тогда, когда полностью заряжена, по меньшей мере, один из аккумуляторных элементов, изобретение предлагает измерять через регулярные промежутки времени емкости C N аккумуляторных элементов блока элементов и на основании измеренных емкостей и предварительно заданного C-коэффициента (отношение максимального тока I зарядки к емкости C) для каждого аккумуляторного элемента определять его ток зарядки. Тогда этими токами зарядки в течение предварительно заданного с помощью C-коэффициента времени t зарядки (t≤1/C) одновременно заряжать N аккумуляторных элементов. При этом аккумуляторные элементы, максимальный ток зарядки которых соответствует последовательному току I зарядки, заряжаются только от последовательного тока зарядки, аккумуляторные элементы, максимальный ток I зарядки которых больше последовательного тока зарядки, заряжаются одновременно от последовательного тока зарядки и вспомогательных токов I, получаемых через вспомогательные устройства зарядки/разрядки от блока элементов, для которых имеет силу I=I-I, и аккумуляторные элементы, максимальный ток I зарядки которых меньшей последовательного тока I зарядки, заряжаются от последовательного тока зарядки, при этом одновременно токи, превышающие максимальные токи I зарядки: I - I подводятся к блоку элементов от вспомогательных устройств зарядки/разрядки как вспомогательные токи разрядки.
N;max
О
N;max
Например, пока из-за имеющегося в распоряжении малого напряжения источника энергии рассчитанные максимальные токи (I) зарядки все больше, чем имеющийся в распоряжении последовательный ток (I) зарядки, происходит одновременная зарядка всех аккумуляторных элементов токами зарядки, значения которых находятся по отношению друг к другу в таком же соотношении, как и рассчитанные максимальные токи (I) зарядки.
Соответственно в отношении разрядки накопителя энергии имеет силу вышестоящее. Лишь направления тока изменяются на обратное, т.е. ток зарядки становится током разрядки, вспомогательные токи зарядки - вспомогательными токами разрядки и вспомогательные токи разрядки - вспомогательными токами зарядки.
При применении соответствующего изобретению способа все аккумуляторные элементы при зарядке или разрядке имеют одинаковое состояние заряда в пересчете на их соответствующую полезную емкость. Благодаря этому возможно в каждый момент времени, в пересчете на максимальное заряженное или разряженное состояние блока элементов, показывать соответствующее состояние заряда каждого из аккумуляторных элементов этого блока элементов.
max
При этом способе максимальное время зарядки или разрядки получается из отношения t=1/C и для всех аккумуляторных элементов является одинаковым и значительно короче, чем это возможно известными способами. При сохранении этого времени зарядки или разрядки не возникает избыточная или недостаточная зарядка отдельных элементов.
Поскольку все аккумуляторные элементы, независимо от их соответствующей емкости, после максимального времени зарядки обладают соответственно равным состоянием заряда в пересчете на их соответствующую полезную емкость, то можно отказаться от дополнительного активного или пассивного выравнивания.
Согласно первому предпочтительному примеру осуществления изобретения предусмотрено, что последовательный ток зарядки выбирается таким образом, что аккумуляторный элемент с наименьшей емкостью заряжается своим максимальным током зарядки, и, что остальные элементы дополнительно к последовательному току зарядки заряжаются соответственно максимальным вспомогательным током зарядки, который получается из разницы между емкостью соответствующего аккумуляторного элемента и аккумуляторного элемента с наименьшей емкостью.
Во втором примере осуществления предусмотрено, что последовательный ток зарядки выбирается таким образом, чтобы он соответствовал максимальному току зарядки средней емкости, вычисленной из всех аккумуляторных элементов. Тогда во время процесса зарядки у аккумуляторных элементов, имеющих меньшую емкость, чем средняя емкость, часть последовательного тока зарядки через соотнесенные с ними вспомогательные устройства зарядки/разрядки снова подводятся к блоку элементов. В противоположность этому, аккумуляторные элементы, обладающие большей емкостью, чем средняя емкость, заряжаются одновременно от последовательного тока зарядки и от вспомогательных токов зарядки.
В третьем примере осуществления предусмотрено, что последовательный ток зарядки выбирается таким образом, чтобы аккумуляторный(ые) элемент(ы) с максимальной емкостью заряжалась(лись) своим максимальным током зарядки. Другие элементы в этом случае заряжаются только частично от последовательного тока зарядки, и соответственно избыточная часть тока последовательного тока зарядки через соответствующие вспомогательные устройства зарядки/разрядки снова подводится к блоку элементов.
В свою очередь, для разрядки накопителя энергии для трех вышеописанных примеров осуществления имеет силу то, что меняются лишь направления тока, то есть ток зарядки на ток разрядки, вспомогательные токи зарядки на вспомогательные токи разрядки и вспомогательные токи разрядки на вспомогательные токи зарядки.
Чтобы для определения емкостей аккумуляторов происходила соответствующая назначению зарядка и разрядка накопителя энергии без отнимающего много времени перерыва, измерения емкости предпринимаются предпочтительно в определенные временные промежутки автоматически у последовательно подключенных аккумуляторных элементов.
Для этого в первом предпочтительном примере осуществления аккумуляторные элементы сначала заряжаются вплоть до достижения их конечного напряжения зарядки последовательным током зарядки, при этом избыточная зарядка тех аккумуляторных элементов, которые прежде достигли своего конечного напряжения зарядки, предотвращается тем, что избыточная часть тока через соответствующее вспомогательное устройство зарядки/разрядки, в свою очередь, подводится к блоку элементов. Затем аккумуляторные элементы разряжаются определенным последовательным током разрядки до тех пор, пока не будет достигнуто конечное напряжения разрядки аккумуляторного элемента с самой большой емкостью. Чтобы избежать недостаточной зарядки тех аккумуляторных элементов, которые до аккумулятора с самой большой емкостью достигли своих конечных напряжений разрядки, к этим аккумуляторным элементам через соотнесенные с ними вспомогательные устройства зарядки/разрядки после достижения своих конечных напряжений разрядки из блока элементов подводится ток.
N
Тогда из временной характеристики тока разрядки между заряженным состоянием аккумуляторных элементов и достижением конечного напряжения разрядки соответствующего аккумуляторного элемента получается емкость соответствующего аккумуляторного элемента (емкость (C)=ток (Io‘) разрядки x время (t) разрядки), которая затем используется для следующих оптимальных процессов зарядки и разрядки блока элементов.
Само собой разумеется, для вычисления емкости может быть также привлечена временная характеристика процесса зарядки, или может быть использовано среднее значение между значениями емкости, вычисленными при разрядке и зарядке аккумулятора.
Во втором предпочтительном примере осуществления учитывается, что при последовательном подключении аккумуляторных элементов конечное напряжение зарядки всего блока элементов, как правило, ниже, чем сумма конечных напряжений зарядки отдельных аккумуляторных элементов.
Поэтому при измерении емкости сначала заряжается блок элементов до своего конечного напряжения зарядки, и, по завершении, далее заряжается каждый отдельный аккумуляторный элемент с помощью соотнесенных с ним вспомогательных устройств зарядки/разрядки вплоть до достижения своего конечного напряжения зарядки.
Затем из временной характеристики тока разрядки между заряженным состоянием аккумуляторных элементов и достижением конечного напряжения разрядки соответствующего аккумуляторного элемента получается, в свою очередь, емкость соответствующего аккумуляторного элемента. При этом сначала разряжается весь блок элементов через последовательный ток разрядки вплоть до величины разрядки (DoD) 80% (т.е. блок элементов еще обладает остаточной емкостью в 20%). По завершении каждый аккумуляторный элемент, в свою очередь, разряжается через соотнесенное с ним вспомогательное устройство зарядки/разрядки до своего соответствующего конечного напряжения разрядки.
Также и в этом случае для измерения емкостей аккумуляторных элементов может быть использована временная характеристика соответствующего процесса зарядки, или может быть использовано среднее значение между значениями емкостей, определенными при зарядке и разрядке аккумуляторов.
Дальнейшие особенности и преимущества изобретения получаются из следующих примеров осуществления, описанных с помощью блок-схемы.
На чертеже с помощью 1 изображено устройство зарядки и разрядки накопителя энергии, обозначенного с помощью 2, который служит, например, для энергоснабжения снабжающей сети здания и выполнен с возможностью заряжаться и разряжаться установкой для производства возобновляемой энергии (фотоэлектрическая установка, ветряная установка, установка био-газовая и другие), например, через двунаправленный преобразователь 100 переменного тока в постоянный.
В изображенном примере осуществления накопитель энергии 2 включает в себя блок 20 элементов с пятью последовательно соединенными друг с другом, повторно заряжаемыми аккумуляторными элементами 3-7 и может заряжаться, или соответственно, разряжаться с помощью регулируемого основного устройства 8 зарядки/разрядки.
Кроме того, каждый из аккумуляторных элементов 3-7 соединен через соотнесенное с ним регулируемое вспомогательное устройство 9-13 зарядки/разрядки с блоком 20 элементов. У вспомогательных устройств 9-13 зарядки/разрядки предпочтительно речь идет об управляемых двунаправленных DC/DC-преобразователях.
Для контроля состояния зарядки, или соответственно, разрядки отдельных аккумуляторных элементов 3-7 предусмотрено устройство 14 контроля и управления, которое соединено через соответствующие линии 15 передачи данных как со вспомогательными устройствами 9-13 зарядки/разрядки, так и с основным устройством 8 зарядки/разрядки.
Далее процесс зарядки накопителя 2 энергии соответствующего изобретению устройства 1 описывается более подробно:
N
3
5
6
4
7
Прежде всего измеряются емкости C отдельных аккумуляторных элементов 3-7 и заносятся в память устройства 14 контроля и управления (например, емкости C, C, C аккумуляторных элементов 3, 5 и 6 составляют около 2 Ач, емкость C аккумуляторного элемента 4 около 2,5 Ач и емкость C аккумуляторного элемента 7 около 3 Ач).
N;max
N
N;max
N;max
N
Если потом отдельные аккумуляторные элементы 3-7 должны быть заряжены, например, током зарядки в 1C (C-коэффициент образует отношение максимального тока I зарядки к емкости C), то тогда устройство 14 контроля и управления рассчитывает затем для отдельных аккумуляторных элементов 3-7 максимальные токи I зарядки (при указанных выше емкостях они составляют с I=CxC для аккумуляторных элементов 3, 5, и 6 соответственно 2А, а для аккумуляторных элементов 4 и 7 получаются 2,5 и 3А) и эти значения заносит также в соответствующую память.
O
Как только не изображенное устройство контроля определит, что энергия, например, одной установки для производства возобновляемой энергии больше, чем энергия, необходимая снабжающей сети, то, по меньшей мере, часть избыточной энергии поступает через преобразователь 100 переменного тока в постоянный на основное устройство 8 зарядки/разрядки соответствующего изобретению устройства 1. Отсюда устройство 1 производит последовательный ток I зарядки предварительно заданной силы.
N;max
O
N;max
O
O
N;max
O
O
N
N
N;max
O
N;max
O
O
N;max
O
N;max
Теперь, чтобы зарядить все аккумуляторные элементы 3-7 максимальными токами I зарядки, соотнесенными с этими аккумуляторными элементами, устройство 14 контроля и управления на основании выбранного последовательного тока I зарядки следит за тем, чтобы аккумуляторные элементы 3-7, максимальный ток I зарядки которых соответствует последовательному току I зарядки, заряжались только от последовательного тока I зарядки. Аккумуляторные элементы 3-7, максимальный ток I зарядки которых, напротив, больше последовательного тока I зарядки, заряжаются одновременно от последовательного тока I зарядки и от получаемых от блока 20 элементов посредством соответствующих вспомогательных устройств 9-13 зарядки/разрядки вспомогательных токов I зарядки, для которых имеет силу: I=I-I. Наконец, аккумуляторные элементы 3-7, максимальный ток I зарядки которых ниже последовательного тока I зарядки, заряжаются от первого тока I зарядки, причем одновременно превышающие максимальные токи I зарядки токи: I - I в качестве токов разрядки подводятся к блоку 20 элементов.
O
max
O
O
Если, например, последовательный ток I зарядки выбран таким образом, чтобы аккумуляторные элементы 3, 5, 6 с наименьшей емкостью (в указанном выше примере соответственно 2Ач) заряжались своим максимальным током (I=2A) зарядки (т.е., I составляет 2А), то другие аккумуляторные элементы 4 и 7 должны заряжаться дополнительно к последовательному току I зарядки соответственно максимальным вспомогательным током зарядки (0,5А, или соответственно, 1А) из соотнесенного с ними вспомогательного устройства 10 и 13 зарядки/разрядки, который получается из разницы между емкостью соответствующего аккумуляторного элемента (4, 7) и аккумуляторного элемента с наименьшей емкостью (здесь аккумуляторные элементы 3, 5 и 6).
max
Путем наблюдения за конечными напряжениями зарядки на аккумуляторных элементах 3-7 устройство 14 контроля и управления следит за временем зарядки, в течение которого аккумуляторные элементы 3-7 могут быть заряжены их максимальным током зарядки без избыточной зарядки соответствующего аккумуляторного элементы (в предыдущем примере составляет t=1/C=60 мин).
N;max
O
N;max
O
Пока, например, из-за малого имеющегося в распоряжении напряжения источника энергии рассчитанные максимальные токи (I) зарядки все больше, чем имеющийся в распоряжении последовательный ток (I) зарядки, происходит одновременная зарядка всех аккумуляторных элементов токами зарядки, значения которых находятся в таком же равном соотношении друг к другу, как рассчитанные максимальные токи (I) зарядки. То есть, если в упомянутом выше примере осуществления последовательный ток I зарядки составляет лишь 1А, то аккумуляторные элементы 3, 5 и 6 заряжаются 1А, аккумуляторный элемент 4 1,25А и аккумуляторная элемент 7 1,5А.
Чтобы автоматически определить емкости аккумуляторных элементов 3-7 в предварительно заданных временных интервалах (н-р, после 100 циклов зарядки/разрядки соответственно) с подключенными последовательно аккумуляторными элементами 3-7, прежде всего блок 20 элементов заряжается вплоть до своего конечного напряжения зарядки, и затем каждая отдельная аккумуляторная элемент 3-7 заряжается дальше с помощью соотнесенных с ним вспомогательных устройств 9-13 зарядки/разрядки вплоть до достижения своего конечного напряжения зарядки.
O
Затем после зарядки всех аккумуляторных элементов 3-7 с помощью устройства 1 происходит определенная разрядка аккумуляторных элементов 3-7. При этом, прежде всего, разряжается весь блок 20 элементов последовательным током I‘ разрядки, предварительно заданным основным устройством 8 зарядки/разрядки, до величины (DoD) разрядки 80%. Затем каждый отдельный аккумуляторный элемент 3-7 разряжается через соотнесенное с ним вспомогательное устройство 9-13 зарядки/разрядки до своего соответствующего конечного напряжения разрядки.
O
N
Затем из измеренной характеристики последовательного тока I‘ разрядки между началом разрядки всех аккумуляторных элементов 3-7 и достижением конечного напряжения разрядки соответствующего аккумуляторного элемента может быть рассчитана емкость C соответствующего аккумуляторного элемента.
Однако для измерения емкостей аккумуляторных элементов может быть привлечена также временная характеристика соответствующего процесса зарядки, или может быть использовано среднее значение от определенных при зарядке и разрядке аккумуляторов значений емкости.
Разумеется, изобретение не ограничивается данным примером осуществления.
O
Так, например, определение емкостей аккумуляторных элементов 3-7 может происходит таким образом, что сначала все аккумуляторные элементы 3-7 заряжаются вплоть до достижения своего конечного напряжения зарядки с помощью последовательного тока I зарядки, произведенного от основного устройства 8 зарядки/разрядки. Чтобы при этом предотвратить избыточную зарядку тех аккумуляторных элементов, которые обладают меньшим конечным напряжением зарядки, чем аккумуляторный(ые) элемент(ы) с максимальной емкостью (в предыдущем примере аккумуляторный элемент 7), избыточный ток через соотнесенное с ними вспомогательное устройство 9-13 зарядки/разрядки подводится к блоку 20 элементов.
O
Затем после зарядки всех аккумуляторных элементов 3-7 происходит точная разрядка аккумуляторных элементов 3-7 с помощью устройства 1. Для этого разрядка аккумуляторных элементов 3-7 происходит последовательным током I‘ разрядки, предварительно заданным основным устройством 8 зарядки/разрядки, а именно, до тех пор, пока не будет достигнуто конечное напряжение разрядки аккумуляторного элемента с самой большой емкостью. Чтобы предотвратить недостаточную зарядку тех аккумуляторных элементов, которые достигли своих конечных напряжений разрядки до аккумулятора с самой большой емкостью, к этим аккумуляторным элементам после достижения их конечных напряжений разрядки с помощью соотнесенного с ними вспомогательного устройства зарядки/разрядки подводится вспомогательный ток зарядки из блока 20 элементов.
O
N
Затем из измеренной характеристики последовательного тока I‘ разрядки между началом разрядки всех аккумуляторных элементов 3-7 и достижением конечного напряжения разрядки соответствующего аккумуляторного элемента может быть определена емкость C соответствующего аккумуляторного элемента.
Далее емкости не всех аккумуляторных элементов следует определять в одном цикле зарядки/разрядки. Также может быть гораздо более предпочтительным определять емкости аккумуляторных элементов друг за другом в нескольких циклах зарядки/разрядки.
Кроме того, последовательный ток зарядки или разрядки, разумеется, не должен быть принудительно выбран таким образом, чтобы он отвечал максимальному току зарядки или разрядки аккумуляторного элемента с наименьшей емкостью. Скорее он также может быть выбран, например, так, чтобы он соответствовал максимальному току зарядки или разрядки аккумуляторного элемента со средней емкостью или аккумуляторного элемента с наибольшей емкостью и т.д.
Наконец, накопитель энергии также может состоять из нескольких последовательных аккумуляторных накопителей, включающих в себя блоки элементов.
Список ссылочных обозначений
1 устройство
2 накопитель энергии
20 блок элементов
3-7 аккумуляторные элементы, элементы
8 основное устройство зарядки/разрядки
9-13 вспомогательные устройства зарядки/разрядки
14 устройство контроля и управления
15 линия передачи данных
O
I последовательный ток зарядки
O
I‘ последовательный ток разрядки