АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕЕЙ
BATTERY AND BATTERY CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в зарядных устройствах литий-ионных батарей.
С появлением литиевых аккумуляторов остро встала проблема их правильного использования. Например, в электротранспорте при высоких емкостях и токах такие аккумуляторы оказались очень чувствительны к перезаряду и к переразряду, от этого они выходят из строя. Аккумуляторы также чувствительны к неправильной эксплуатации (эффект памяти, переполюсовка, сульфатация и пр.), но при малых емкостях и относительной дешевизне эта проблема не так актуальна. Система Управления Аккумуляторной батареей (СУАКБ) решает задачу поддержания аккумуляторной батареи в оптимальном состоянии на протяжении длительного времени без необходимости частого вмешательства специалистов для периодического обслуживания и диагностики. Также решается ряд второстепенных задач, связанных как с обслуживанием и диагностикой (в случае возникновения серьезных проблем), так и (в перспективе) с вводом дополнительного функционала, такого как отслеживание позиции транспортного средства.
В процессе функционирования аккумуляторных батарей (АКБ) на основе литий-ионной технологии возникает задача поддержания ячеек АКБ в сбалансированном состоянии, потому что ячейки сразу же после производства имеют чуть отличающиеся характеристики и эта разница с течением времени может усугубляться. Если не проводить постоянный мониторинг состояния ячеек, аккумуляторная батарея может выйти из строя достаточно быстро.
При заряде АКБ следует предотвращать перезаряд ячеек батареи, который приводит к тому, что одна перезаряженная ячейка вынуждает ЗУ останавливать процесс, и другие ячейки батареи могут остаться заряженными не полностью.
Традиционно данная задача решается использованием специальных устройств под названием BMS - Battery Management System, которые реализуют следующие функции:
- предотвращение переразряда ячеек (как только напряжение на любой ячейке становится ниже определенного порога, BMS принудительно отключает нагрузку до тех пор, пока батарею вновь не поставят на зарядку);
- предотвращение перезаряда ячеек (как только напряжение на любой ячейке становится выше определенного порога, BMS отключает ЗУ);
- балансировка ячеек (когда напряжение на любой ячейке становится выше определенного порога, который находится ниже порога отключения ЗУ, BMS начинает расходовать избыточный заряд из ячейки через специальный энергопотребляющий элемент).
При балансировке ячеек обычно выравнивают либо напряжение, либо заряд на ячейках. Существуют два способа реализации балансировки:
- пассивный,
- активный.
При пассивной схеме избыточный заряд некоторых ячеек расходуется вхолостую через резисторы, чтобы остальные ячейки могли продолжать заряжаться. Такая система проста, но выделяет много тепла, требует много времени и работает только при заряде. При разряде пассивная система может отключить только всю батарею, когда разрядится самая слабая ячейка. Таким образом, емкость всей батареи (в ампер-часах) будет равна емкости самой слабой ячейки.
Из уровня техники известна микросхема BQ77PL900 (Журнал по применению аналоговых компонентов. Первый квартал, 2009 г.), которая обеспечивает защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком. Сравнивая напряжение ячейки с пороговым, микросхема, при необходимости, включает режим балансировки для каждой из ячеек. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, включаются полевые транзисторы и подключают параллельно ячейке аккумулятора нагрузочный резистор, через который ток идет в обход ячейки и уже не заряжает ее. Остальные ячейки при этом продолжают заряжаться. При падении напряжения полевой транзистор закрывается, и зарядка может продолжаться. Таким образом, в конце зарядки на всех ячейках будет присутствовать одинаковое напряжение.
При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего сопротивления батарей, на котором падает часть напряжения, когда через аккумулятор протекает ток, что, в свою очередь, вносит дополнительную погрешность в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызван дисбаланс - разной емкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся заряженными на 100%.
В микросхеме BQ2084 (Журнал по применению аналоговых компонентов. Первый квартал, 2009 г.) используется улучшенная версия балансировки, также основанная на изменении напряжения, но, чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений, BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика.
В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Qneed, необходимый для полной ее зарядки, после чего находится разница между Qneed всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, которые разряжают все ячейки до уровня наименее заряженной, до тех пор, пока заряды не уравняются.
Вследствие того что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время как при зарядке, так и при разрядке аккумулятора. Основное преимущество этой технологии - более точная балансировка батарей по сравнению с другими пассивными методами.
Активные системы контроля делятся на емкостные (на конденсаторах) и индуктивные (на дросселях), все они характеризуются перераспределением заряда между ячейками, которое идет только между соседними ячейками или группами ячеек. Емкость и индуктивность могут накапливать и отдавать заряд. На этом принципе и строится балансировка. Накопительная ячейка (C или L) подключается к аккумулятору и запасает от него энергию, затем она подключается к соседнему аккумулятору и отдает запасенную энергию, если у подключенного аккумулятора напряжение ниже, чем у накопительной ячейки. Балансировка происходит за множество циклов передачи энергии между аккумуляторами и накопительными ячейками. Передача энергии осуществляется между двумя соседними ячейками аккумуляторной батареи. По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. осуществляет передачу энергии от более заряженной ячейки к менее заряженной с минимальными потерями энергии. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.
Из уровня техники для активной балансировки батарей известна микросхема BQ78PL114 компании TI (Журнал по применению аналоговых компонентов. Первый квартал, 2009 г.), произведенная по технологии PowerPump, которая использует индуктивный преобразователь для передачи энергии. PowerPump использует n-канальный p-канальный полевой транзисторы и дроссель, который расположен между парой батарей. Полевые транзисторы и дроссель составляют собой понижающий/повышающий преобразователь. Потери энергии при этом невелики и почти вся энергия перетекает из сильно заряженной в мало заряженную батарею. Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с рассеиванием энергии. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов, можно достичь эффективности балансировки в 12-20 раз лучше, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее 5%) можно достичь уже за один или два цикла.
Из уровня техники известна микросхема ICL7660/МАХ1044 (Журнал «Chip News» №3 2002 г.) или отечественный аналог КР1168ЕП1 (Журнал Радио, Измерения, номер 2, 2002 г.) перекачки заряда, в которой использован не индуктивный, а емкостной накопитель (преобразователи напряжения на коммутируемых конденсаторах). В основном микросхема используется для получения отрицательного напряжения, равного напряжению ее питания. Однако если отрицательное напряжение на ее выходе окажется по каким-то причинам больше по величине, чем положительное напряжение питания, то микросхема начнет качать заряд “в обратную сторону”, забирая из минуса и отдавая в плюс, т.е. она все время пытается уравнять эти два напряжения. Это свойство и использовано для балансировки двух аккумуляторных ячеек. Микросхема с высокой частотой подключает конденсатор либо к верхнему, либо к нижнему аккумулятору. Соответственно конденсатор будет заряжаться от более заряженного и разряжаться в более разряженный, каждый раз перенося какую-то порцию заряда. Со временем напряжения на аккумуляторах станут одинаковыми. Энергия в схеме практически не рассеивается, КПД схемы может достигать 95…98% в зависимости от напряжения на аккумуляторах и выходного тока, который зависит от частоты переключения и конденсатора. При этом потребление микросхемы составляет всего несколько десятков микроампер, т.е. находится ниже уровня саморазряда многих аккумуляторов, и поэтому микросхему можно не отключать от аккумулятора, и она будет выполнять работу по выравниванию напряжения на ячейках. Ток перекачки может достигать 30…40 мА, но КПД при этом снижается. Напряжение питания может быть от 1.5 до 10 В, а это значит, что микросхема может балансировать как обычные Ni-Mh пальчики, так и литиевые аккумуляторы.
Данное изобретение предназначено для защиты, мониторинга состояний, балансировки АКБ при заряде/разряде и относится к большому и разнообразному классу устройств, известных в мире как BMS (Battery Manager System). Изобретение может использоваться с эффективными накопителями энергии на базе литий-ионных аккумуляторов для э/транспорта, систем ИБП, off-grid накопителей, в стационарных устройствах бесперебойного (аварийного) питания.
К основным преимуществам при использовании данного изобретения относятся: сокращение времени заряда и увеличение времени разряда батареи. При разряде менее емкие ячейки будут получать энергию от более емких, а при заряде менее емкие ячейки будут отдавать лишний заряд более емким ячейкам. При этом емкость всей батареи (в ампер-часах) будет примерно соответствовать средней емкости всех ячеек, а в ватт-часах - сумме ватт-часов всех ячеек.
При зарядке АКБ учитывается не только напряжение ячейки, но и ее внутреннее сопротивление. Это позволяет ускорить процесс заряда ячейки, т.к. избегает слишком ранних отключений ЗУ по причине того, что суммарное напряжение на ячейке (которое состоит из внутреннего напряжения ячейки плюс внутреннего сопротивления, умноженного на ток зарядки) превышает пороговое. При балансировке АКБ используется новое техническое решение, позволяющее перераспределять энергию из более емких ячеек в менее емкие. Используемое техническое решение позволяет достигать токов балансировки на три порядка выше токов балансировки традиционных BMS (десятки, сотни ампер против десятков и сотен миллиампер). Также используемое техническое решение дает выигрыш в энергопотреблении, т.к. избыточный заряд ячейки не рассеивается в нагревательном элементе, а перераспределяется в другие ячейки с высоким КПД (90% и выше).
Для достижения указанного результата была создана аккумуляторная батарея, состоящая из множества ячеек, отличающаяся тем, что ячейки аккумуляторной батареи по постоянному току соединены последовательно, а по переменному току - параллельно через систему трансформаторной балансировки. Причем каждая ячейка может быть снабжена преобразователем постоянного тока в переменный ток.
Для эффективной работы аккумуляторной батареи предлагается использовать систему управления, которая содержит блок общего управления и блоки управления каждой из множества ячеек аккумуляторной батареи. Причем каждой ячейкой множества управляет собственный блок, который может содержать микроконтроллер, выполненный с возможностью получения данных о состоянии ячейки, передачи полученной информации в блок общего управления и балансировки напряжения ячеек большими токами (при получении управлявшей команды от блока общего управления). Режим балансировки может работать при заряде, при разряде батареи, а также в состоянии покоя.
Предполагается, что преобразователи аккумуляторной батареи могут быть синхронизированы общим управляющим сигналом от блока общего управления или в зависимости от состояния ячейки по сигналу системы управления осуществляют синхронное преобразование постоянного тока в переменный и обратно из переменного в постоянный.
Ниже приведено детальное описание аккумуляторной батареи.
Аккумуляторная батарея представляет собой цепочку последовательно соединенных ячеек или групп из параллельно соединенных ячеек (такие группы далее рассматриваются как одна ячейка увеличенной емкости). Ток батареи один для всех ячеек как при заряде, так и при разряде, но так как в общем случае емкость ячеек различна (из-за технологического разброса или в результате старения), то к полному разряду (заряду) ячейки придут в разное время. Для того чтобы все ячейки пришли к этой точке одновременно, необходимо чтобы ток в каждой ячейке зависел от ее емкости, а это возможно только при параллельном соединении ячеек.
Предлагаемое решение позволяет соединить ячейки одновременно и последовательно, и параллельно. По постоянному току все ячейки соединены последовательно, а по переменному - параллельно, через трансформаторы. Для этого каждая ячейка снабжается индивидуальным преобразователем постоянного тока в переменный, который поступает на трансформатор и через него в общую шину балансировки. Вторичные обмотки трансформаторов со всех ячеек объединены параллельно. Все преобразователи синхронизированы общим управляющим сигналом. Пока есть синхросигнал, ячейки обмениваются энергией между собой по принципу сообщающихся сосудов, те ячейки, что имеют повышенный потенциал, сливают энергию в шину балансировки, а остальные подпитываются от нее. Процесс идет до полного выравнивания потенциалов ячеек или до отключения синхросигнала.
Устройство в базовой конфигурации состоит из двух типов блоков: платы общего управления и платы управления отдельными ячейками. Количество последних зависит от количества ячеек в батарее.
Плата общего управления выполняет общие функции по координации всех действий, выполняемых над аккумуляторной батареей. Именно она следит за функционированием индивидуальных ячеек (эту информацию она получает от плат управления отдельными ячейками) и решает, какие действия следует предпринимать. Краткий список того, что она делает:
- разрешает или запрещает режим заряда, общается с ЗУ и выбирает правильный ток зарядки (при наличии такой возможности в ЗУ);
- выключает нагрузку при переразряде батареи;
- осуществляет функции защиты батареи от аварийных перегрузок и короткого замыкания;
- в случае обнаружения разбалансированности батареи включает режим балансировки и управляет всеми индивидуальными платами управления ячейками, синхронизируя их работу;
- предоставляет при необходимости инженеру доступ к полной информации о состоянии батареи. Доступ осуществляется подключением компьютера к СУАКБ через специальную программу;
- реализует световую и звуковую сигнализацию в случае нештатных ситуаций.
Плата управления отдельными ячейками выполняет команды платы общего управления. На ней же находятся силовые элементы, обеспечивающие балансировку батареи большими токами; этими элементами также управляет плата общего управления. Плата управления отдельными ячейками отвечает за следующие функции:
- измерение напряжения ячейки;
- измерение тока балансировки;
- вычисление заряда ячейки, утекшего через балансировочную цепь (необходима плате общего управления для вычисления уровня заряда отдельных ячеек);
- передача измеренной и вычисленной информации по запросу плате общего управления;
- передача сигнала плате общего управления в случае, если напряжение ячейки выходит за максимально допустимые значения;
- балансировка напряжения ячеек по команде платы общего управления.
На фиг.1 изображена структурная схема модуля трансформаторной балансировки для каждой ячейки. Модуль каждой ячейки состоит из самой ячейки и схемы преобразователя, который состоит из ключей К1 (поз.1) и К2 (поз.2), соединенных с ячейкой (поз.3) через обмотки L1 (поз.4) и L2 (поз.5) трансформатора. При замыкании ключа К1 начинает течь ток через обмотку L1, при этом в обмотке L3 (поз.6) наводится ЭДС, пропорциональная напряжению ячейки. При замыкании ключа К2 ток течет через обмотку L2, в обмотке L3 также наводится ЭДС, пропорциональная напряжению ячейки, но противоположной полярности. Ключи К1 и К2 работают попеременно под управлением внешнего синхросигнала (поз.7 на фиг.2), таким образом, на выводах обмотки L3 присутствует переменное напряжение, пропорциональное напряжению ячейки. Коэффициент пропорциональности задается коэффициентом трансформации трансформатора. Если в системе присутствует более одного модуля и выводы обмоток L3 модулей объединены шиной балансировки (на фиг.2 изображена структурная схема батареи, снабженной системой трансформаторной балансировки), то на этой шине будет присутствовать напряжение, пропорциональное напряжению ячеек с самым высоким потенциалом, эти ячейки станут донорами, а остальные - реципиентами. У доноров обмотки L1 и L2 будут первичными, а обмотка L3 - вторичной. У реципиентов наоборот L3 - первичная, а L1 и L2 - вторичные, ключи К1 и К2 будут выполнять роль синхронных выпрямителей для питания ячейки-реципиента.
Через шину балансировки все ячейки соединены параллельно и равноправно, то есть энергия может перетекать от любой ячейки в любую другую, направление зависит от разницы потенциалов ячеек.
СУАКБ в отличие от известных в мире методов балансировки строится на методе трансформаторной автобалансировки, который заключается в следующем. К каждой из аккумуляторных ячеек батареи первичной обмоткой подключается трансформатор и синхронный выпрямитель, тактируемый от Модуля Контроля Батареи, а вторичные обмотки трансформаторов подключены между собой, объединяя Модули Контроля Ячеек в общую систему. Это позволяет виртуально подключить параллельно все ячейки АКБ друг к другу через переменный ток. Что, в свою очередь, позволяет производить балансировку постоянно в любом режиме работы АКБ. Принцип работы основан на том, что генерируемые переменные напряжения на выходе вторичных обмоток трансформаторов будут различаться в зависимости от напряжения ячейки, к которой подключен трансформатор. И, соответственно, токи балансировки будут вытекать из тех трансформаторов, напряжение на вторичных обмотках которых выше, и втекать в те, у которых напряжения на вторичных обмотках ниже, за счет чего и будет осуществляться балансировка аккумуляторных ячеек батареи.
Главной отличительной особенностью предлагаемого решения является то, что система позволяет перекачивать энергию ячейки из любой в любую, и неважно на каком потенциале батареи находятся ячейки донора и реципиента. Также стоит выделить способность системы развивать балансировочные токи порядка 20-50 А на данном этапе разработки. Токи балансировки зависят от уровня разбалансировки батареи (чем разбалансировка выше, тем выше ток балансировки). Что позволяет использовать балансировку в любом режиме работы батареи, учитывая расчетные нагрузочные токи батареи и требуемую скорость балансировки.
Потребляемая мощность самой системой минимальна и сопоставима с токами утечки аккумуляторных батарей, что позволяет говорить о КПД системы не менее 90%.
По вышеизложенной классификации БМС, СУАКБ на данном этапе разработки, относится к БМС с активной балансировкой и алгоритмом балансировки по напряжению.
Через шину балансировки можно производить заряд батареи, для этого достаточно подать соответствующее питающее напряжение на шину балансировки, согласованное по частоте и фазе с работой ключей. Это будет эквивалентно подключению к балансировочной шине еще одной ячейки, но с бесконечной емкостью и напряжением, соответствующим полностью заряженной ячейке. Токи каждой ячейки будут различны и зависеть от их состояния, при этом все ячейки зарядятся за одно время.
Возможен и разряд батареи через шину балансировки. Так как напряжение на шине балансировки не зависит от количества ячеек в батарее, то одним нагрузочным устройством можно будет разряжать батареи с различным общим напряжением, что может быть удобным для проведения КТЦ (контрольно-тренировочных циклов).
При достаточной мощности трансформаторов и ключей система трансформаторной балансировки может заменить одну или несколько ячеек, отсутствующих в батарее по каким-то причинам, если нагрузочные токи будут сопоставимы с токами балансировки.
На экспериментальной установке, состоящей из двух ячеек по 200 А·ч, соединенных только по балансировочной шине, при разнице потенциалов ячеек 0,5 В ток перекачки из одной ячейки в другую составлял 20-25 А.
Разряжая одну ячейку током 20 А, был зафиксирован ток разряда второй ячейки, не подключенной к нагрузке. Ток рос до 20 А по мере разряда первой ячейки, и при достижении разницы потенциалов ячеек 0.5 В разряд первой ячейки практически прекратился, так как ток разряда сравнялся с током заряда, поступающего со второй ячейки.
При заряде одной ячейки стабильным током 20 А был зафиксирован ток заряда второй ячейки, не подключенной к зарядному устройству. Ток перекачки рос вместе с ростом разницы потенциалов ячеек, и при достижении 0.5 В первая ячейка практически перестала заряжаться, так как весь поступающий ток перекачивался через шину балансировки во вторую ячейку.
На фиг.3 изображен общий вид модуля трансформаторной автобалансировки.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретные варианты его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.