УСТРОЙСТВО УРАВНОВЕШИВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
VOLTAGE-BALANCE DEVICE FOR SYSTEM OF ACCUMULATOR BATTERIES

Перекрестные ссылки на родственные заявки
По заявке испрашивается приоритет по патентным заявкам Японии № 2008-324082, поданной 19 декабря 2008 года, и № 2009-206126, поданной 7 сентября 2009 года, каждая из которых включена в полном объеме посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в основном к системе аккумуляторных батарей и более конкретно к системе аккумуляторных батарей, которая может регулировать равновесие напряжения блока, который включает в себя аккумуляторные батареи, соединенные последовательно.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В последние годы автомобильная промышленность разрабатывала электромобили (ЭМ) и гибридные электромобили (ГЭМ), чтобы вывести их на рынок для решения проблемы загрязнения воздуха и глобального потепления в соответствии с необходимостью снижения выбросов диоксида углерода. Также сделаны попытки разработать аккумуляторные батареи, пригодные для приведение в движение электродвигателя, что является ключом к возможности применения таких транспортных средств на практике. В аккумуляторных батареях, используемых в таких транспортных средствах, обычным является выполнение последовательного соединения множества аккумуляторных батарей.
Тем не менее, если аккумуляторные батареи, соединенные последовательно, имеют отклонения в напряжении, аккумуляторная батарея, напряжение которой меньше чем у остальных заряжается не полностью, что приводит к ухудшению производительности всего блока. По этой причине важно заряжать батареи как можно более равномерно.
Идея, в соответствии с которой осуществляется равномерная зарядка аккумуляторных батарей, соединенных последовательно, раскрыта в выложенной заявке на патент Японии (Tokkai) 2001-268815. В ней путем использования электрического тока, получаемого с помощью силового трансформатора, каждая аккумуляторная батарея периодически заряжается через переключатель, и, в соответствии с детектированным состоянием зарядки каждой аккумуляторной батареи, скорость переключений изменяется, чтобы тем самым добиться равномерной зарядки всех аккумуляторных батарей.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Тем не менее, в связи с использованием силового трансформатора в выложенной заявке на патент Японии (Tokkai) 2001-268815, производимая система аккумуляторных батарей не достигает удовлетворительных веса и стоимости.
Для решения указанной выше задачи предоставляется система аккумуляторных батарей, содержащая множество аккумуляторных батарей, соединенных последовательно; множество первых диодов, каждый из которых имеет анод и катод, причем анод соединен с отрицательным электродом соответствующей аккумуляторной батареи; множество вторых диодов, каждый из которых имеет анод и катод, причем катод соединен с положительным электродом соответствующей аккумуляторной батареи, а анод соединен с катодом соответствующего первого диода; множество конденсаторов, каждый из которых соединен с участком соединения между катодами первых диодов и анодами соответствующих вторых диодов; и источник питания переменного тока, обычно соединенный с участками соединения через конденсаторы, причем источник питания переменного тока избирательно работает для получения напряжения переменного тока.
В системе аккумуляторных батарей по данному изобретению регулирование равновесия напряжения аккумуляторных батарей достигается с помощью простой схемы, без использования силового трансформатора, так что достигаются удовлетворительные вес и стоимость аккумуляторной батареи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется описанием со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схематический вид конструкции системы аккумуляторных батарей согласно первому варианту осуществления изобретения;
Фиг.2 изображает вид в поперечном сечении конструкции литий-ионной аккумуляторной батареи биполярного типа;
Фиг.3 изображает общий вид модуля батарей, который включает в себя корпус, на который устанавливается подложка с установленными на ней диодами;
Фиг.4 изображает схематический вид первой вариации системы аккумуляторных батарей первого варианта осуществления изобретения;
Фиг.5 изображает схематический вид второй вариацию системы аккумуляторных батарей первого варианта осуществления изобретения;
Фиг.6 изображает схематический вид системы аккумуляторных батарей для моделирования первого варианта осуществления изобретения;
Фиг.7A изображает диаграмму результатов моделирования зависимости напряжения аккумуляторных батарей, имеющих изменяющееся напряжение, относительно тока зарядки схемы, изображенной на Фиг.6;
Фиг.7B изображает диаграмму результатов моделирования зависимости напряжения аккумуляторных батарей, имеющих равное напряжение, относительно тока зарядки схемы, изображенной на Фиг.6;
Фиг.8A-8C изображают диаграмму результатов моделирования зависимости частоты импульсов аккумуляторных батарей, имеющих меняющееся напряжение, относительно тока зарядки схемы, изображенной на Фиг.6;
Фиг.9 изображает диаграмму результатов моделирования схемы, изображенной на Фиг.6 с использованием конденсаторов емкостью 1 мкФ;
Фиг.10 изображает блок-схему последовательности операций способа, выполняемого блоком управления системы аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления изобретения при использовании в моторизированном транспортном средстве;
Фиг.11 изображает схему связей между модулем батарей и инвертором;
Фиг.12 изображает блок-схему последовательности операций, выполняемых блоком управления модификации системы аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления изобретения при использовании в моторизированном транспортном средстве;
Фиг.13 изображает схематический вид конструкции системы аккумуляторных батарей в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
Фиг.14 изображает блок потока энергии в вторичной системе аккумуляторных батарей по второму варианту осуществления изобретения;
Фиг.15A изображает диаграмму вольтамперной характеристики (ВАХ) аккумуляторной батареи;
Фиг.15B изображает диаграмму отношения между напряжением V1 и напряжением Vb аккумуляторной батареи;
Фиг.16 изображает диаграмму результатов эксперимента, в котором зарядка была применена к схеме, в которой аккумуляторные батареи, соединенные последовательно, системы аккумуляторных батарей по второму варианту осуществления заменены 32 электролитическими конденсаторами, соединенными последовательно;
Фиг.17 изображает схему конструкции системы аккумуляторных батарей в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
Фиг.18 изображает схему первой вариации конструкции системы аккумуляторных батарей по третьему варианту осуществления, в которой каждый переключатель расположен между участком соединения между катодом первого диода и анодом второго диода и конденсатором;
Фиг.19 изображает схему второго вариации конструкции системы аккумуляторных батарей по третьему варианту осуществления, в которой каждый переключатель расположен между катодом второго диода и положительным электродом каждой аккумуляторной батареи.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее варианты осуществления, содержащие систему аккумуляторных батарей согласно изобретению, подробно описаны со ссылкой на приложенные чертежи.
Система аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления содержит аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n, имеющие напряжения с V1 по Vn, диоды 101, конденсаторы с 10_1 по 10_n, имеющие значения с С1 по Cn емкостей, конденсатор Ccom_noiz, резистор 30, имеющий значение R сопротивления, и источник 102 питания переменного тока. Так как конденсатор Ccom_noiz представляет собой конденсатор, обычно используемый для предотвращения шума общего вида, возникающего в инверторе, его детальное разъяснение опущено. Ток из верхнего контакта источника питания переменного тока 102 в итоге входит в нижний контакт источника питания переменного тока 102 через конденсатор Ccom_noiz. Когда провода схемы длинные, конденсатор Ccom_noiz может быть установлен в системе 100 батарей, чтобы уменьшить шум.
Каждая из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n является, например, ячейкой аккумуляторной батареи биполярного типа, такой как та, что изображена на Фиг.2, которая составляет минимальный блок батареи. Тем не менее, в изобретении аккумуляторные батареи не ограничены раскрытыми батареями. То есть применим любой тип аккумуляторных батарей, включая множество ячеек, соединенных последовательно. Другими словами, применим каждый тип аккумуляторных батарей.
Как изображено на Фиг.2, литий-ионая аккумуляторная батарея биполярного типа 200 содержит множество ячеек (аккумуляторных батарей) 210, которые накладываются друг на друга. Более конкретно, литий-ионная аккумуляторная батарея биполярного типа 200 имеет множество электродов, каждый из которых включает в себя коллектор 214, который имеет одну поверхность, сформированную слоем 212 положительного активного материала, и другую поверхность, сформированную слоем 211 отрицательного активного материала. Электроды расположены таким образом, что слой положительного активного материала 212, сформированный на одном электроде, обращен к слою 211 отрицательного активного материла, сформированному на другом электроде. Ионопроводящий слой 213 расположен между слоем 212 положительного активного материала и слоем 211 отрицательного активного материала таким образом, что электроды и ионопроводящие слои 213 поочередно накладываются друг на друга. Блок 220 генератора, включающий в себя сложенные ячейки 210, герметично закрывается многослойной пленкой 230.
Диод 101 является электронным элементом с функцией выпрямления. Диод 101 имеет анод (входной контакт) и катод (выходной контакт) и характеризуется тем, что при приложении прямого смещения, меньшего предварительно определенного порогового значения, проводимость через диод 101 не достигается, а при приложении прямого смещения, большего предварительно определенного порогового значения (то есть когда потенциал анода выше потенциала катода), достигается проводимость через диод 101 (то есть ток протекает от анода к катоду). Кроме того, когда проводимость достигается, диод 101 демонстрирует низкое полное сопротивление и его выходное напряжение фиксируется равным пороговому значению напряжения. Кремниевый диод подходит для использования в качестве диода 101. Как изображено, каждый диод 101 содержит диоды 101a, 101b.
Каждый конденсатор с 10_1 по 10_n является пассивным элементом, который накапливает и высвобождает электрический заряд с помощью емкости. При работе на высокой частоте, конденсатор демонстрирует низкое полное сопротивление, а при работе на низкой частоте, конденсатор демонстрирует высокое полное сопротивление. Таким образом, конденсаторы с 10_1 по 10_n могут быть использованы как элементы для отсекания постоянного тока (т.е. ПТ). Керамический конденсатор, алюминиевый электролитический конденсатор и/или пленочный, предпочтительно, используются в качестве каждого из конденсаторов с 10_1 по 10_n. То есть, если используется конденсатор, относящийся к типу, отказ которого приводит к короткому замыканию, система аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления, изображенная на Фиг.1, склонна демонстрировать, что из-за короткого замывания при отказе по меньшей мере одного из конденсаторов с 10_1 по 10_n, соответствующее одно из напряжений с V1 по Vn постоянного тока аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n прикладывается к источнику 102 питания переменного тока, тем самым, вызывая распространение отказа системы. Соответственно, предпочтительно использовать конденсатор, относящийся к типу, который приводит к разрыву цепи в случае его отказа. С помощью использования таких конденсаторов предоставляется надежная система аккумуляторных батарей.
Резистор 30 является пассивным элементом, который обеспечивает схему сопротивлением, чтобы ограничить ток, протекающий в схеме и уменьшить напряжение, прикладываемое к схеме. Бескорпусный резистор, выполненный из тонкого металлического слоя хрома, подходит в качестве резистора 30.
Источник 102 питания переменного тока является устройством, которое может выдавать, по меньшей мере, импульсы с амплитудой напряжения, которая обеспечивается сложением напряжения полностью заряженной ячейки с пороговыми напряжениями двух диодов 101a и 101b. Например, если напряжение V1 полностью заряженной ячейки 10_1 равно 4,2 B, а пороговые напряжения двух диодов 101a и 101b равны 0,6 B и 0,6 B, соответственно, то источником 102 питания переменного тока должно являться устройство, которое может выдавать импульсы с амплитудой напряжения, равной 5,4 B.
Диоды 101, конденсаторы с 10_1 по 10_n, резистор 30 и источник 102 питания переменного тока могут быть расположены вне многослойной пленки 230. То есть, например, эти элементы могут быть установлены в корпусе (металлическом корпусе) модуля батарей, в котором установлено множество блоков 220 генератора, каждый из которых герметично закрыт многослойной пленкой 230.
На Фиг.3 представлен модуль 300 батарей, который имеет корпус 301, на котором установлена подложка 310, имеющая наложенные на нее диоды 101. На Фиг.3 каждый диод 101 отделен от корпуса 301 модуля 300 батарей расстоянием, соответствующим толщине d подложки 310. Предпочтительно установить толщину d меньше 10 мм, таким образом, чтобы все диоды 101 были расположены на расстоянии не менее 10 мм от корпуса 301 модуля 300 батарей. Так как пороговое напряжение диода 101 (т.е. падение напряжение, вызванное диодом) имеет относительно сильную зависимость от температуры, причем пороговое напряжение влияет на точность, с которой регулируется уравновешивание напряжения аккумуляторной батареи. То есть, как будет описано здесь и далее, в системе аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления, напряжения аккумуляторных батарей становятся уравновешенными с точностью разброса пороговых напряжений диодов 101. Соответственно, диоды 101 расположены близко с металлическим корпусом 310 модуля 300 батарей, где теплопроводность больше, а распределение температуры мало, таким образом, что распределение температуры диодов 101 становится малым. Путем размещения всех диодов 101 на расстоянии около 19 мм от корпуса 301, точность уравновешивания напряжения аккумуляторных батарей может быть увеличена. Предпочтительно располагать диоды 101 как можно ближе друг к другу.
Как изображено на Фиг.1, диоды 101, конденсаторы с 10_1 по 10_n, резистор 30 и источник 102 питания переменного тока составляют схему (которая далее будет называться схемой 100 зарядки), которая заряжает аккумуляторные батареи и регулирует уравновешивание напряжения каждой аккумуляторной батареи.
Для зарядки каждой ячейки (т.е. каждой аккумуляторной батареи) с помощью схемы 100 зарядки электродные контакты (т.е. коллекторы 214) каждой ячейки 210 выводятся наружу из многослойной пленки 230 и соединяются со схемой 100 зарядки. Для вывода контактов электрода каждой ячейки 210 наружу из многослойной пленки 230 существуют различные способы. Например, одним из них является способ, при котором используется подложка в форме гребня с шибкими проводами, включающая в себя участок зубцов и участок стержня. Для изготовления подложки в форме гребня с гибкими проводами готовится конструкция, которая имеет как структуру, в которой каждый зубец проходит от контактного конца участка стержня до переднего конца каждого зубца, так и провода, с помощью которых коллектор 214 каждой ячейки 210, соединенный с передним концом каждого зубца, соединен с концом участка стержня, выведенного из многослойной пленки 230. То есть внутри многослойной структуры 230 передний конец каждого зубца подложки с гибкими проводами расположен так, чтобы иметь гибкий контакт с коллектором 214 каждой ячейки 210, и с концом участка стержня подложки с гибкими проводами, выступающим из многослойной пленки 230, причем блок 220 генератора может оставаться герметично окруженным многослойной пленкой 230. При такой компоновке контакты электрода каждой ячейки 210 могут быть выведены из многослойной пленки 230 для соединения со схемой 100 зарядки.
Как изображено на Фиг.1, схема 100 зарядки соединена с аккумуляторными батареями с 20_1 по 20_n, соответственно. То есть аноды первых диодов 101a соединены с соответствующими отрицательными электродами аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, катоды вторых диодов 101b, соответственно, соединены с положительными электродами аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, и участки соединения первого и второго диодов 101a, 101b соединены с источником 102 питания переменного тока через соответствующие конденсаторы с 10_1 по 10_n. Между конденсаторами с 10_1 по 10_n и источником 102 питания переменного тока обычно расположен резистор 30. Так как резистор 30 расположен таким образом, электрический ток протекает через резистор 30 для избирательной зарядки и разрядки конденсаторов с 10_1 по 10_n. В связи с наличием резистора 30, электрический ток, протекающий через диоды 101, регулируется, и, таким образом, возможно использование диодов малого размера (т.е. диодов, у которых значение допустимого тока мало). В связи с использованием таких диодов малого размера, система аккумуляторных батарей может быть выполнена компактной по размеру и низкой по стоимости.
Как и в схеме 100 зарядки, изображенной на Фиг.1, резистор 30 может быть обычно помещен между большим количеством конденсаторов с 10_1 по 10_n и источником 102 питания переменного тока. Тем не менее, по желанию, как изображено на Фиг.4, каждый из резисторов с 30_1 по 30_n, имеющих значения сопротивления c R1 по Rn, может быть помещен между каждым конденсатором с 20_1 по 20_n и источником 102 питания переменного тока. Из-за установки резисторов с 30_1 по 30_n между источником 102 питания переменного тока и большим количеством конденсаторов с 10_1 по 10_n, электрический ток протекает через резисторы с 30_1 по 30_n для зарядки и разрядки конденсаторов с 10_1 по 10_n. В этой структуре значение сопротивления с R1 по Rn каждого резистора с 30_1 по 30_n в «n» раз больше значения сопротивления R резистора 30, используемого в схеме 100 зарядки с Фиг.1. То есть каждое значение сопротивления с R1 по Rn получается умножением значения сопротивления R резистора 30 на «n», которое является количеством аккумуляторных батарей, которые соединены последовательно. При этом значение постоянной времени (т.е. число, получаемое умножением значения емкости на значение сопротивления) для зарядки каждого из конденсаторов с 10_1 по 10_n схемы 100 зарядки с Фиг.4 становится равным значению постоянной времени с Фиг.1. Соответственно, схема 100 зарядки с Фиг.4 имеет тот же эффект, что и с Фиг.1. В схеме 100 зарядки с Фиг.1 используется только один резистор 30, и, таким образом, по сравнению со схемой 100 зарядки с Фиг.4, цепь зарядки 100 с Фиг.1 имеет преимущество, которое заключается в том, что нет необходимости принимать во внимание относительное отклонение значений от R1 до Rn сопротивлений резисторов с 30_1 по 30_n.
Как изображено на Фиг.5, при желании, может быть использована модификация, в которой каждый резистор с 40_1 по 40_m, имеющий значения от R1 до Rm сопротивления (где m=n+1) расположен между анодом каждого из первых диодов 101а и отрицательным электродом каждой из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n или между катодом каждого из вторых диодов 101b и положительным электродом каждой из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n. Размещение резисторов с 40_1 по 40_m по такой структуре приводит к тому, что электрический ток протекает через резисторы с 40_1 по 40_m для зарядки и разрядки конденсаторов с 10_1 по 10_n. Также в этой структуре каждое значение сопротивления с R1 по Rm каждого резистора с 40_1 по 40_m в «n» раз больше значения сопротивления R резистора 30, используемого в схеме 100 зарядки с Фиг.1. То есть каждое значение с R1 по Rm сопротивления получается умножением значения R сопротивления резистора 30 на «n», которое является количеством аккумуляторных батарей, которые соединены последовательно. При этом значение постоянной времени для зарядки каждого из конденсаторов с 20_1 по 20_n становится равным ее значению с Фиг.1. Соответственно, схема зарядки с Фиг.5 имеет тот же эффект, что и схема зарядки с Фиг.1 или Фиг.4.
Далее описывается работа системы аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления изобретения, изображенному на Фиг.1. В начальном состоянии, то есть состоянии, взятом до времени, когда импульс напряжения снимается с источника 102 питания переменного тока, диоды 101a и 101b не проводят, и, таким образом, область соединения диодов P между катодом первого диода 101а и анодом второго диода 101b находится в условиях высокого полного сопротивления. Тем не менее, в связи с протеканием тока утечки через диоды 101а и 101b, потенциал участка P соединения обычно принимает значение между потенциалом положительных электродов аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n и потенциалом их же отрицательных электродов.
Выходное напряжение на источнике 102 питания переменного тока изменяется с высокого уровня на низкий за короткий промежуток времени. Так как каждый конденсатор с 10_1 по 10_n становится проводящим при работе на высокой частоте, потенциал участка P соединения диодов быстро уменьшается. При этом к первому диоду 101a приложено прямое напряжение, и, когда напряжение достигает его порогового значения, первый диод 101a становится проводящим. Так как падение напряжения первого диода 101a, который стал проводящим зафиксировано пороговым напряжением, потенциал участка P соединения диодов зафиксирован (т.е. потенциал остается на заданном значении). Каждый конденсатор с 10_1 по 10_n заряжается электрическим током, который протекает от отрицательного электрода соответствующей аккумуляторной батареи с 20_1 по 20_n через первый диод 101a и резистор 30.
Выходное напряжение источника 102 питания переменного тока изменяется с низкого уровня до высокого за короткий промежуток времени. Так как каждый конденсатор с 10_1 по 10_n становится проводящим при работе при высокой частоте, потенциал участка P соединения диодов быстро увеличивается. При этом на второй диод 101b подается прямое напряжение, и, когда напряжение достигает его порогового значения напряжения, второй диод 101b становится проводящим. Так как падение напряжения на втором диоде 101b, который стал проводящим ограничено пороговым напряжением, потенциал положительного электрода каждой из аккумуляторных батарей зафиксирован равным потенциалу, который обеспечивается снижением «высокого» потенциала участка P соединения диодов до напряжении, соответствующего пороговому напряжению. Каждый конденсатор с 10_1 по 10_n разряжается электрическим током, который протекает через соответствующий второй диод 101b и резистор 30, и каждая из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n заряжается электрическим током, протекающим от соответствующего конденсатора с 10_1 по 10_n к положительному электроду через второй диод 101b.
Когда при этих условиях выходная амплитуда источника 102 питания переменного тока устанавливается равной значению, которое получается добавлением пороговых напряжений первого и второго диодов 101a и 101b к напряжению полностью заряженных аккумуляторных батарей (здесь и далее называемому «полным зарядным напряжением»), к каждой аккумуляторной батарее приложено полное зарядное напряжение. Когда, например, полное зарядное напряжение равно 4,2 B, а пороговые значения диодов 101a и 101b, каждое равно 0,6 B, выходная амплитуда источника 102 питания переменного тока устанавливается равной 5,4 B. При этом идентичные амплитуды полного зарядного напряжения могут быть приложены к каждой из аккумуляторных батарей, даже если батарея имеет более низкое напряжение в связи с низкой скоростью зарядки или имеет более высокое напряжение в связи с высокой скоростью зарядки. От каждого конденсатора с 10_1 по 10_n до соответствующей аккумуляторной батареи с 20_1 по 20_n протекает ток с амплитудой, пропорциональной разнице между напряжением этой аккумуляторной батареи и полному зарядному напряжению, таким образом, что каждая из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n заряжается. Соответственно, аккумуляторная батарея с низкой скоростью зарядки заряжается высоким зарядным током, а аккумуляторная батарея с высокой скоростью зарядки заряжается низким зарядным током, таким образом, что напряжения с V1 по Vn аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n становятся уравновешенными с точностью отклонения пороговых напряжений диодов 101. Соответственно, система аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления уравновешивает напряжения аккумуляторных батарей с высокой точностью.
В этом варианте осуществления конденсаторы с 10_1 по 10_n выполняют функцию зарядки аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n и ограничения или фильтрации постоянного тока (ПТ). То есть, в связи с функцией ограничения ПТ конденсаторов с 10_1 по 10_n, к тем из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, что имеют различные напряжения, обычно могут быть приложена только составляющая переменного тока импульсов напряжения с использованием только одного источника 102 питания переменного тока.
Таким образом, в системе аккумуляторных батарей по данному варианту осуществления путем регулирования уравновешивания напряжения аккумуляторных батарей может быть реализовано уменьшение веса и стоимости системы аккумуляторных батарей.
Далее описаны результаты моделирования системы аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления. Фиг.6 является схематическим изображением схемы системы аккумуляторных батарей для моделирования. Схема моделирования является небольшой модификацией системы аккумуляторных батарей, изображенной на Фиг.5.
Как изображено на Фиг.6, в модели аккумуляторная батарея 20а имеет низкое напряжение V1 из-за низкой скорости зарядки, а аккумуляторная батарея 20d имеет напряжение V4 и скорость зарядки больше, чем у аккумуляторной батареи 20a. Аккумуляторные батареи 20b и 20c имеют фиксированные значения напряжения, равные 100 B и 50 B, соответственно. Аккумуляторные батареи 20b и 20c являются полностью заряженными аккумуляторными батареями, и они соединены последовательно. Фиксация напряжения аккумуляторных батарей 20b и 20c означает, что дальнейшая зарядка невозможна для батарей 20b и 20c. То есть считается, что амплитуда напряжения, прилагаемого источником 102 питания переменного тока, и напряжение аккумуляторных батарей 20b и 20c уравновешаны. Амплитуда напряжения источника 102 питания переменного тока была равна 5,5 B, а частота импульса была равна 500 кГц. Значения с R1 по R4 сопротивлений резисторов с 30a по 30d были все равны 5 Ом. Значения емкостей C1 и C2 конденсаторов 10a и 10b были оба равны 0,1 мкФ.
На Фиг.7A представлена диаграмма, изображающая результаты моделирования модели схемы с Фиг.6 в случае, когда напряжение V1 аккумуляторной батареи 20a было равно 3,5 B, а напряжение V4 аккумуляторной батареи 20d было равно 3,7 B. Так как напряжение аккумуляторной батареи при скорости зарядки в 100% равно порядка 4,2 B, аккумуляторные батареи 20a, 20d имеют более низкие скорости зарядки чем аккумуляторные батареи, скорости зарядки которых составляют 100%. Кривые, обозначенные ромбами и квадратами, изображают электрический ток, который протекает через резисторы 30a и 30b c Фиг.6, соответственно. Кривые, обозначенные кругами и треугольниками, изображают электрический ток, который протекает через резисторы 30c и 30d c Фиг.6, соответственно. Как видно из диаграммы на Фиг.7A, ток зарядки, который протекает через резисторы 30a и 30b, к аккумуляторной батарее 20a, которая имеет более низкое напряжение V1, имеет более высокое значение по сравнению с током зарядки, который проходит через резисторы 30c и 30d к аккумуляторной батарее 20d, которая имеет более высокое напряжение V4. Это означает, что аккумуляторные батареи 20a и 20d заряжаются таким образом, что соответствующие напряжения V1, V4 становятся уравновешенными.
На Фиг.7B представлена диаграмма, изображающая результаты моделирования модели схемы с Фиг.6 в случае, когда напряжение V1 аккумуляторной батареи 20a и напряжение V4 аккумуляторной батареи 20d были одинаковы и равны 3,5 B. В отличие от случая с Фиг.7A, в случае с Фиг.7B ток зарядки, который протекает через резисторы 30a и 30b к аккумуляторной батарее 20a, демонстрирует то же значение, что и ток зарядки, который протекает через резисторы 30c и 30d к аккумуляторной батарее 20d. То есть в этом случае аккумуляторные батареи 20a и 20d заряжаются, поддерживая уравновешенное значение соответствующих напряжений V1 и V4.
На Фиг.8A представлена диаграмма, изображающая результаты моделирования модели схемы с Фиг.6 в случае, когда напряжение V1 аккумуляторной батареи 20a было равно 3,3 B, напряжение V4 аккумуляторной батареи 20d было равно 3,5 B, в частота импульсов источника 102 питания переменного тока было равна 500 кГц. На Фиг.8B представлена диаграмма, изображающая результаты моделирования схемы с Фиг.6 в случае, когда условия были такими же, что и в случае с Фиг.8A, за исключением того, что частота импульсов источника 102 питания переменного тока была равна 100 кГц. На Фиг.8C представлена диаграмма, изображающая результаты моделирования схемы с Фиг.6 в случае, когда условия те же, что и в случае с Фиг.8A, за исключением того, что частота импульсов источника 102 питания переменного тока была равна 10 кГц.
Когда диаграммы с Фиг.8A, 8B и 8C сравниваются друг с другом, становится ясно, что значение электрического тока, который протекает через резисторы 30a и 30b (или резисторы 30c и 30d) было самым низким в случае с Фиг.8C. Более высокое значение было в случае с Фиг.8B, и самое большое значение было в случае с Фиг.8A. Частота импульсов, равная 10 кГц, использованная при моделировании с Фиг.8C, соответствует циклу в 100 мкс. Этот цикл (т.е. 100 мкс) более чем в 100 раз больше, чем частота, которая соответствует постоянной времени резисторов с 30a по 30d и конденсаторов 10a, 10b. Если переменный ток от источника 102 питания переменного тока имеет слишком большой цикл относительно постоянной времени, период, в течение которого ток зарядки имеет более низкий уровень, увеличивается по сравнению с периодом, в течение которого ток зарядки имеет пиковый уровень, и, таким образом, уравновешивание напряжений V1, V4 аккумуляторных батарей 20a, 20d требует большего времени. То есть, если источник питания переменного тока подает переменный ток, цикл которого слишком велик относительно постоянной времени, значение тока зарядки уменьшается, и, следовательно, зарядка аккумуляторных батарей становится неэффективной.
Соответственно, желательно установить цикл напряжения переменного тока с источника 102 питания переменного тока соответствующим уровню, меньшему, чем увеличенная в 100 раз постоянная времени, которая получается перемножением значений сопротивлений с R1 по R4 резисторов с 30a по 30d на значения емкости C1, C2 конденсаторов 10a, 10b. С этим ограничением аккумуляторные батареи могут заряжаться за значительно более короткое время, и достигается равномерное уравновешивание напряжения аккумуляторных батарей.
На Фиг.9 представлена диаграмма, изображающая результаты моделирования, проведенного на модели схемы с Фиг.6 со значениями емкостей C1, C2 каждого из конденсаторов 10a и 10b, равными 1 мкФ. То есть в случае с Фиг.9 условия идентичны условиям с Фиг.8C, за исключением того, что значения емкостей C1, C2 каждого из конденсаторов 10a, 10b изменяется на 1 мкФ вместо 0,1 мкФ. При сравнении диаграмм с Фиг.8C и 9 становится ясно, что значение тока зарядки для аккумуляторных батарей V1, V4 увеличилось при увеличении значений емкости C1, C2 каждого из конденсаторов 10a и 10b с 0,1 мкФ до 1 мкФ.
На диаграмме Фиг.9 представлены результаты, которые были получены при условиях, которые аналогичны условиям с Фиг.8B, за исключением того, что значения емкости C1, C2 каждого из конденсаторов 10a и 10b изменились с 0,1 мкФ на 1 мкФ, и частота импульсов изменилась со 100 кГц до 10 кГц. При сравнении диаграмм с Фиг.9 и 8B становится ясно, что значение тока зарядки для аккумуляторных батарей 20a и 20d практически одинаковое. Это означает, что если значения емкости C1, C2 каждого из конденсаторов 10a и 10b увеличены с 0,1 мкФ до 1 мкФ, уменьшение в 10 раз частоты импульсов со 100 кГц до 10 кГц приведет к практически тому же значению тока зарядки.
Далее описан вариант реализации, в котором система аккумуляторных батарей по варианту осуществления изобретения применяется в механизированном транспортном средстве, со ссылкой на блок-схему с Фиг.10. Далее блок-схема описывается с помощью рабочих этапов. Следует отметить, что рабочие этапы с S1000 по S1008 могут быть автоматически осуществлены при использовании программы, хранящейся в памяти устройства управления. Такое устройство управления, или контроллер, может быть, например, микропроцессором, включающим в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и центральный процессор (ЦП) в дополнение к различным входным и выходными соединениям для получения контролируемых и/или измеряемых значений и для подачи команд, связанных с ними, в соответствии с установками программного обеспечения. Рабочие этапы осуществляются при выполнении ЦП программы, которая обычно является программой из программного обеспечения, хранящегося на ПЗУ. Хотя программа описывается включенной в программное обеспечение, она может быть включена во все или в часть элементов оборудования. Кроме того, программа может быть включена в стандартный блок управления двигателем вместо автономного устройства управления при применении в механизированном транспортном средстве.
На этапе S1000 измеряют напряжения всех аккумуляторных батарей. Измеренные значения напряжения хранят в запоминающем устройстве устройства управления или в запоминающем устройстве, каким-либо еще способом доступном для программы. Рабочий этап S1000 и следующий рабочий этап S1001 выполняют до запуска двигателя (то есть до выполнения включения). Так как напряжение каждой из аккумуляторных батарей медленно увеличивается или снижается после остановки механизированного транспортного средства, проводится диагностика напряжения до запуска двигателя.
На этапе S1001, если разность между самым высоким детектированным напряжением аккумуляторных батарей и самым низким детектированным напряжением аккумуляторных батарей больше порогового значения, устанавливается флажок регулирования напряжения. Пороговое значение определяется на основании точности измерения напряжения аккумуляторных батарей. То есть, так как точность измерения напряжения для аккумуляторных батарей составляет порядка 1% для 5 B, пороговое значение устанавливается равным 50 мВ. Таким образом, если определяется разница напряжений больше 50 мВ, желательно установить флажок регулирования напряжения, принимая дисбаланс напряжений аккумуляторных батарей существенным. Когда дисбаланс напряжений аккумуляторных батарей очень мал, система аккумуляторных батарей не управляется и, таким образом, эффективно достигается регулирование напряжения аккумуляторных батарей.
Когда установлен флажок регулирования напряжения, напряжение каждой из аккумуляторных батарей снова измеряется после остановки двигателя транспортного средства на этапе S1005, и на этапе S1006 включают источник питания переменного тока, чтобы подать импульс напряжения на каждую из аккумуляторных батарей.
На этапе S1002 после поворота ключа зажигания во включенное положение, транспортное средство начинает функционировать. Как будет описано здесь и далее, в процессе работы инвертора, то есть при работе транспортного средства, не проводятся измерения напряжения и зарядки аккумуляторных батарей.
На этапе S1003, определяют, находится ли ключ зажигания в выключенном положении. Затем, после определения того, что работа инвертора прекращена в связи с выключенным положением ключа, программа переходит к этапу S1004.
На Фиг.11 показаны связи между модулем 300 батарей и инвертором (например, трехфазным инвертором) 1100. Как описывается здесь и далее, в модуле 300 батарей установлено множество блоков генератора, каждый из которых герметично закрыт многослойной пленкой. Модуль 300 батарей выполняет функцию питания инвертора 1100 напряжением постоянного тока. Инвертор 1100 содержит верхнюю ветвь, включающую в себя верхний переключатель фазы U, верхний переключатель фазы V и верхний переключатель фазы W, и нижнюю ветвь, включающую в себя нижний переключатель фазы U, нижний переключатель фазы V и нижний переключатель фазы W. С помощью управляющих сигналов, подаваемых из схемы 1120 управления, шесть переключателей верхней и нижней ветвей управляются по принципу включен/выключен, чтобы осуществить преобразование постоянного тока в переменный ток. Участок соединения между верхним переключателем фазы U и нижним переключателем фазы U, участок соединения между верхним переключателем фазы V и нижним переключателем фазы V и участок соединения между верхним переключателем фазы W и нижним переключателем фазы W соответственно представляют собой выходной контакт фазы U, выходной контакт фазы V и выходной контакт фазы W, через которые подается энергия на трехфазный двигатель переменного тока, чтобы он работал. Такая структура инвертора обычна в данной области техники, поэтому она не проиллюстрирована подробно на Фиг.11. Более того, возможны другие варианты инвертора.
Схема 1120 управления может быть устройством управления, работающим по программе, как описано со ссылкой на Фиг.10. Как вариант, схема 1120 управления может быть автономным устройством управления.
До остановки инвертора 1100 при прекращении работы транспортного средства, напряжения аккумуляторных батарей, которые составляют модуль 300 батарей, изменяются в широком диапазоне в связи с влиянием большого тока 1100 инвертора при зарядке/разрядке. Например, на протяжении времени разрядки, на котором напряжение поддерживалось более низким, аккумуляторные батареи заряжаются системой аккумуляторных батарей по варианту осуществления изобретения, эффект уравновешивания напряжения не удовлетворительный. Соответственно, при прекращении работы инвертора 1100 и зарядке батареи на протяжении времени, на котором напряжение аккумуляторных батарей поддерживалось постоянным, может быть эффективно проведено уравновешивание напряжения.
На этапе S1004 определяется, установлен ли флажок регулирования напряжения, или нет. Если флажок регулирования напряжения не установлен, программа переходит на этап S1008, чтобы отключить систему аккумуляторных батарей. И наоборот, если флажок регулирования напряжения установлен, программа переходит на этап S1005.
На этапе S1005 система ожидает 2 минуты, а затем измеряют напряжение аккумуляторных батарей. Причиной ожидания в течении 2 минут является то, что 2 минуты являются примерно тем временем, которое требуется, чтобы дать аккумуляторным батареям достигнуть достаточно стабильного состояния. Соответственно, время ожидания может подходящим образом варьироваться в соответствии с характеристиками аккумуляторных батарей, то есть время ожидания может быть определено при проведении эксперимента для определения времени, необходимого для того, чтобы аккумуляторные батареи достигли достаточно стабильного состояния. Измеренное значение напряжение каждой из аккумуляторных батарей хранится в запоминающем устройстве устройства управления или на каком-либо еще запоминающем устройстве, доступном программе.
На этапе S1006 включают источник питания переменного тока. Для того, чтобы установить напряжения каждой из аккумуляторных батарей максимальными, измеряют одно из напряжений, источник питания переменного тока выдает импульсы с амплитудой напряжения, которая получается путем добавления 1,2 B к максимальному напряжению батарей. Эти выходные импульсы питают аккумуляторные батареи. Следует отметить, что значение 1,2 B определяется при учете падения напряжения, вызванного пороговым напряжением диодов 101, изображенных на Фиг.1, 4 и 5. Период импульсов напряжения от источника питания переменного тока является значением, которое меньше в 100 раз постоянной времени, которая получается перемножением значения R (или c R1 по Rn или Rm) сопротивления резистора 30 (или с 30_1 по 30_n) на значение с C1 по Cn емкости конденсаторов с 10_1 по 10_n.
На этапе S1007 определяют, прошло ли предварительно установленное время, или нет. Предпочтительно, предварительно определенное время определяют следующим способом. Во-первых, образцовая таблица хранится в запоминающем устройстве, причем таблица отображает оптимальное соотношение между разностью между максимальным значением напряжения аккумуляторных батарей и их же минимальным значением напряжения и временем работы источника питания переменного тока. Затем фактически измеренное значение разности между максимальным значением напряжения аккумуляторных батарей и их же минимальным значением напряжения используют в образцовой таблице для определения оптимального предварительно установленного времени. Предпочтительно устанавливать время каждый раз, когда оно нужно, так как если разность между напряжениями аккумуляторных батарей велика, аккумуляторные батареи с более низким напряжением требуют большего времени, чтобы достичь более высокого напряжения, по сравнению с другими батареями. Таким образом, предпочтительно изменять время работы источника питания переменного тока в соответствии с разностью между максимальным значением напряжения аккумуляторных батарей и их же минимальным значением напряжения. Когда время зарядки слишком большое, зарядка неэффективна. Когда время зарядки слишком мало, различие между напряжениями не удовлетворительно.
На этапе S1008 система аккумуляторных батарей выключают. Фиг.10 является примером, в котором система аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления изобретения применяется в механическом транспортном средстве. Тем не менее, система аккумуляторных батарей, описанная здесь, может также применяться в механизированном транспортном средстве другим образом.
Фиг.12 является блок-схемой, используемой во втором варианте осуществления, в котором система аккумуляторных батарей, описанная здесь, применяется в механизированном транспортном средстве. Блок-схема на Фиг.12 отличается от блок-схемы на Фиг.10 тем, что блок-схема на Фиг.12 не имеет рабочих этапов, которые соответствуют этапам S1003 и S1005 блок-схемы на Фиг.10. То есть на блок-схеме на Фиг.10 после поворота ключа зажигания в выключенное положение (этап S1003 на Фиг.10), источник питания переменного тока работает на этапе S1006. На блок-схеме на Фиг.12 работа источника питания переменного тока осуществляется (этап S1006 на Фиг.12) без поворота ключа в выключенное положение (т.е. при работе инвертора). При таком процессе нет необходимости ожидать в течение времени, которое требуется на блок-схеме на Фиг.10 (этап S1005 на Фиг.10) для того, чтобы напряжения аккумуляторных батарей достигли стабильного состояния. Соответственно, время зарядки для аккумуляторных батарей может быть сокращено. Разъяснение этапов блок-схемы на Фиг.12, которые соответствуют этапам на Фиг.10, опущено.
Система 300 аккумуляторных батарей, описанная здесь, может быть установлена под сидением, которое расположено в центре электрического транспортного средства. Когда система устанавливается в таком положении, кабина транспортного средства и багажное отделение могут иметь больше свободного пространства. Тем не менее, расположение, в котором находится система 300 аккумуляторных батарей, не ограничено таким расположением. То есть система аккумуляторных батарей по вариантам осуществления изобретения, раскрытым здесь, может быть установлена внизу багажного отделения или в двигательном отделении, расположенном в передней части транспортного средства. При использовании варианта осуществления изобретения в гибридном электромобиле с двигателем внутреннего сгорания и/или в электромобиле, транспортное средство может работать в течение длительного времени и быть транспортным средством высокой надежности.
В приведенном далее описании будут описаны система аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления изобретения и механизированные транспортные средства, в которые устанавливается система.
Преимущества системы аккумуляторных батарей по первому варианту осуществления следующие. Путем регулирования уравновешивания напряжения аккумуляторных батарей, включенных в последовательную схему, реализуется существенное уменьшение веса и уменьшение стоимости системы аккумуляторных батарей. Кроме того, напряжения аккумуляторных батарей могут быть уравновешены с высокой точностью.
Далее второй вариант осуществления системы аккумуляторных батарей согласно изобретению подробно описан со ссылкой на Фиг.13-16. Подробное описание элементов, которые соответствуют элементам по первому варианту осуществления, опущено.
Различие между вторым вариантом осуществления и первым вариантом осуществления заключается в том, что в первом варианте осуществления источник 102 питания переменного тока питается извне системы аккумуляторных батарей, тогда как во втором варианте осуществления источник 102A питания переменного тока питается от аккумуляторных батарей системы аккумуляторных батарей. Кроме того, во втором варианте осуществления, в отличие от случая первого варианта осуществления, измеряют значение c V1 по Vn напряжения каждой из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, и на основании измерений каждая из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n заряжается.
Система аккумуляторных батарей по второму варианту осуществления, как изображено на Фиг.13, содержит аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n, имеющие значения с V1 по Vn напряжения, диоды 101, конденсаторы с 10_1 по 10_n, имеющие значения с C1 по Cn емкости, преобразователь 105 постоянного тока в постоянный ток, источник 106 питания с регулируемым напряжением, однофазный инвертор 108, амперметр 107, интегральную схему 104 (ИС) управления батареями и переключатели с 109_1 по 109_n. Преобразователь 105 постоянного тока в постоянный ток, источник 106 питания с регулированием напряжения и однофазный инвертор 108 составляют источник 102A питания переменного тока.
В отличие от первого варианта осуществления в схеме с Фиг.13 нет сопротивлений. Это из-за того, что провода, по которым протекает электрический ток для зарядки/разрядки конденсаторов с 10_1 по 10_n, обязательно имеют сопротивление, которое может быть использовано как резистор. Тем не менее, при желании, как и в первом варианте осуществления, могут быть использованы резисторы.
Аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n по выходной спецификации аналогичны аккумуляторным батареям по первому варианту осуществления и составляют объединенную батарею (т.е. блок батарей, включающий в себя множество расположенных в нем модулей батарей, расположенных в нем и соединенных друг с другом). Тем не менее, аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n могут являться множеством элементов батарей (т.е. ячеек биполярного типа, которые соединены последовательно), одной отдельной ячейкой батарей (т.е. аккумуляторных батарей многослойного типа, каждая из которых закрыта многослойной пленкой или аккумуляторных батарей биполярного типа), или модулем батарей (т.е. множеством блоков отдельных ячеек батарей, расположенных в них и соединенных друг с другом).
Источник 102A питания переменного тока является устройством, которое может выдавать, по меньшей мере, импульсы с амплитудой напряжения, получаемой добавлением напряжения каждой из полностью заряженных аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n к пороговым напряжениям диодов 101a и 101b.
Напряжение, прикладываемое к преобразователю 105 постоянного тока в постоянный ток, является выходным напряжением всех аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, соединенных последовательно, и преобразователь постоянного тока в постоянный ток 105 снижает это выходное напряжение до уровня напряжения для источника 106 питания с регулируемым напряжением. Например, преобразователь 105 постоянного тока в постоянный ток преобразует уровень напряжения в 400 B, обеспечиваемый аккумуляторными батареями с 20_1 по 20_n, соединенными последовательно, в уровень напряжения в 12 B.
Источник 106 питания с регулируемым напряжением преобразует выходное напряжение преобразователя 105 постоянного тока в постоянный ток (например, 12 B) в желаемое напряжение в соответствии с управляющим сигналом с ИС 104 управления батареями. Желаемое напряжение является напряжением (например, 4 В), которое получается добавлением порогового напряжения двух диодов 101a и 101b к напряжению аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, которые полностью заряжены.
Однофазный преобразователь 108 преобразует напряжение постоянного тока от источника 106 питания с регулируемым напряжением в импульсы напряжения переменного тока. Однофазный инвертор 108 включает в себя верхний и нижний переключатели 108H и 108L, которые соединены последовательно. Верхний и нижний переключатели 108H и 108L включены/выключены в соответствии с соответствующими управляющими сигналами ИС 104 управления батареями. При управлении по принципу «переключение с разрывом до включения», состояние двух переключателей 108H и 108L соответствует тому, что, когда один переключатель выключен, другой переключатель включен. Когда верхний переключатель 108H находится в включенном состоянии, а нижний переключатель 108L находится в выключенном состоянии, однофазный инвертор 108 выдает напряжение Hi, которое равно выходному напряжению с источника 106 питания с регулируемым напряжением. Когда нижний переключатель 108L находится в включенном состоянии, а верхний переключатель 108H находится в выключенном состоянии, однофазный инвертор 108 выдает напряжение Lo, которое равно напряжению отрицательного электрода соединенных последовательно аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n. Соответственно, однофазный инвертор 108 питает каждый из конденсаторов с 10_1 по 10_n напряжением переменного тока, которое включает в себя напряжение Hi и напряжение Lo.
Однофазный инвертор 108 преобразует напряжение постоянного тока с источника 106 питания с регулируемым напряжением в напряжение переменного тока. Источник 106 питания с регулируемым напряжением также может изменять выходное напряжение. Соответственно, источник питания переменного тока 102A, который включает в себя сочетание однофазного инвертора 108 и источника 106 питания с регулируемым напряжением, составляет источник питания переменного тока с регулируемым напряжением, который может выдавать регулируемое выходное напряжение.
Предпочтительно, период напряжения переменного тока от источника 102 переменного тока является периодом, который меньше в 100 раз постоянной времени, определяемой значениями емкости с C1 по Cn каждого из конденсаторов с 10_1 по 10_n и электрическим сопротивлением, которым обладает электрическая схема, через которую протекает электрический ток для зарядки/разрядки конденсаторов с 10_1 по 10_n. После увеличения тока зарядки время, в течение которого ток зарядки поддерживается сниженным, может быть уменьшено. Соответственно, разница между значениями тока зарядки и пикового тока может быть снижена, и, таким образом, время зарядки может быть уменьшено.
Амперметр 107 включен последовательно между источником 106 питания с регулируемым напряжением и однофазным инвертором 108. Путем измерения выходного тока с источника 102A питания переменного тока (то есть выходного тока с однофазного инвертора 108) амперметр 107 может измерить ток зарядки последовательно соединенных аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n. То есть амперметр 107 измеряет ток зарядки одной или более одной из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n. Более конкретно, когда верхний переключатель 108H однофазного инвертора 108 включен, то есть когда однофазный инвертор 108 выдает напряжение Hi, измеряется ток зарядки, который протекает через однофазный инвертор 108 и аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n.
Каждый из переключателей с 109_1 по 109_n включен последовательно с соответствующим конденсатором с 10_1 по 10_n и однофазным инвертором 108. Путем выбора одного из переключателей с 109_1 по 109_n и переключения выбранного выключателя во включенное положение, только одна из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n приводится в состояние для зарядки через выбранный переключатель. Далее аккумуляторная батарея, которую привели в состояние для зарядки, называется выбранной аккумуляторной батареей 20. Конечно же, использование двух или более выбранных аккумуляторных батарей возможно. Каждый переключатель с 109_1 по 109_n может являться переключателем из полевого МОП-транзистора, которых сформирован, например, на кремниевой полупроводниковой подложке. Если измерение напряжений с V1 по Vn аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n и отдельная зарядка аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n не обязательны, переключатели с 109_1 по 109_n могут быть удалены.
ИС 104 управления батареями управляет источником питания с регулируемым напряжением 106, амперметром 107, однофазным инвертором 108 и переключателями со 109_1 по 109_n. ИС 104 управления батареями может состоять из, например, СИС (специализированной интегральной схемы) или ППВМ (программируемой пользователем вентильной матрицы). ИС 104 управления батареями включает в себя запоминающее устройство, которое может представлять собой ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ОЗУ (оперативное запоминающее устройство).
Во втором варианте осуществления энергия переменного тока, которая заряжает аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n, подается со всей сборки аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n в системе аккумуляторных батарей. В связи с этим, поток энергии в системе аккумуляторных батарей по второму варианту осуществления описан со ссылкой на Фиг.14.
Выходное напряжение, такое как 400 В, всей сборки аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, соединенных последовательно, преобразуется, например, в 4B в связи с действием преобразователя 105 постоянного тока в постоянный ток и источника питания с регулируемым напряжением 106. Напряжение постоянного тока, таким образом, преобразуется в напряжение переменного тока в связи с действием однофазного инвертора 108. В связи с ограничением или фильтрацией постоянного тока конденсаторами с 10_1 по 10_n, электрическая энергия подается на аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n, которые электрически изолированы друг от друга (т.е. осуществляется изолированная передача энергии). В связи с выпрямительным действием диода 101 напряжение переменного тока преобразуется в напряжение постоянного тока, и ток зарядки подается на аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n. На диод 101, соединенный с аккумуляторной батареей с более низким значением напряжения, подается большее значение напряжения по сравнению с другим диодом 101, соединенным со аккумуляторной батареей с более высоким напряжением. Так как вольт-амперная характеристика каждого диода 101 является экспонентной, большое количество энергии возвращается от диода 101, к которому приложили большее напряжение, к другому диоду 101, к которому приложили меньшее напряжение. Преобразователь 105 постоянного тока в постоянный ток питается электрической энергией (т.е. энергией) от всей сборки последовательно соединенных аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n. Так как система аккумуляторных батарей по второму варианту осуществления использует этот поток энергии, нет необходимости во внешнем источнике энергии. То есть, при разрядке всей сборки аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, энергия, которую нужно поглотить, получается и используется для зарядки батареи с низким напряжением. Таким образом, без помощи внешнего источника питания уравновешивание напряжения аккумуляторных батарей может быть эффективно осуществлено только с помощью системы аккумуляторных батарей (например, только с помощью транспортного средства).
Далее разъясняется способ измерения напряжений с V1 по Vn каждой из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, которые соединены последовательно в соответствии со вторым вариантом осуществления и способ зарядки аккумуляторных батарей, которые имеют низкое напряжение. Не ссылаясь на какую-то конкретную аккумуляторную батарею с 20_1 по 20_n как на выбранную батарею для измерения в следующем описании, напряжение выбранной батареи называется напряжением Vb.
Путем перевода одного из переключателей с 109_1 по 109_n в включенное положение с помощью ИС 104 управления батареями, одна из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, параметры которой нужно измерить, переводится в состояние зарядки. Напряжение V источника 106 питания с регулируемым напряжением увеличивается с постоянной скоростью, и однофазный инвертор 108 работает. При этом электрический ток I, измеряемый амперметром 107, снимается, чтобы получить зависимость (называемую вольт-амперной (VI) характеристикой здесь и далее) между напряжением V и током I, и зависимость сохраняется в ИС 104 управления батареями. При желании, напряжение V может быть управляющим напряжением, которое подается с ИС 104 управления батареями на источник 106 питания с регулируемым напряжением.
Как видно из диаграммы на Фиг.15A, VI характеристика изменяется в соответствии с напряжением батареи Vb. Ток I, измеренный амперметром 107, является током зарядки, используемым для зарядки каждой из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, и ток питания подается на выбранную одну из аккумуляторных батарей через соответствующий диод 101b. Так как на диод 101b, соединенный с выбранной аккумуляторной батареей, подается большое значение напряжения, ток зарядки, который протекает через диод 101b, увеличивается независимо от напряжения батареи Vb.
1
1
1
Из VI характеристики, получаемой таким образом, получают напряжение V при данном токе I и сравнивают с предварительно приготовленной таблицей данных, которая отображает отношение между напряжением V и напряжением Vb аккумуляторной батареи, чтобы определить напряжение Vb выбранной аккумуляторной батареи. На Фиг.15B представлена диаграмма, изображающая отношение между напряжением V и напряжением Vb аккумуляторной батареи.
Как и выше, измеряются напряжения с V1 по Vn всех аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n. Затем только одна из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, которая имеет низкое напряжение Vb, приводится к состоянию зарядки. То есть включается один из переключателей со 109_1 по 109_n, который связан с выбранной одной из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n. С помощью ИС 104 управления батареями предварительно устанавливают время зарядки, в течение которого будет проводиться процедура зарядки, и напряжение источника 106 питания с регулируемым напряжением устанавливают равным соответствующему значению. Затем, при работе однофазного инвертора 108 начинают зарядку выбранной аккумуляторной батареи. При осуществлении таких этапов только выбранная аккумуляторная батарея, напряжение на которой было снижено, может быть заряжена.
Как упоминается здесь и выше, во втором варианте осуществления в процессе зарядки выбранной аккумуляторной батареи измеряют напряжение других аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n. И если ИС 104 управления батареями считает, что зарядка выбранной аккумуляторной батареи завершена, один из переключателей со 109_1 по 109_n в ветви зарядки для выбранной аккумуляторной батареи выключается. После этого проводят зарядку других аккумуляторных батарей аналогичным образом. То есть в этом варианте осуществления точность регулирования уравновешивания напряжения аккумуляторных батарей определяют точностью ИС 104 управления батареями, а не зарядного тока, тем самым увеличивая точность зарядки. Зарядкой только выбранной аккумуляторной батареи, которая имеет более низкое значение напряжения Vb, может быть достигнуто уравновешивание напряжения аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n.
При изменении зарядного напряжения для каждой аккумуляторной батареи измеряется ток зарядки, так что из VI характеристики каждой аккумуляторной батареи определяется нужное напряжение для эффективной зарядки батареи. Таким образом, схеме управления батареями не нужно обеспечивать функцию измерения напряжения аккумуляторных батарей, и, таким образом, уменьшение стоимости системы аккумуляторных батарей может быть реализовано.
Если измеренная VI характеристика отображает аномальный феномен, то есть если измеренная VI характеристика существенно отличается от VI характеристики, изображенной на диаграмме Фиг.15A (которая имеет место при отсутствии тока зарядки), может быть установлено, что в электрической схеме от источника питания с регулируемым напряжением 106 до каждой из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n есть неисправность. Соответственно, во втором варианте осуществления любые неисправности, которые могут случиться в электрической схеме от источника питания с регулируемым напряжением 106 до каждой из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, могут быть определены, что увеличивает надежность системы аккумуляторных батарей по изобретению.
На Фиг.16 показана диаграмма результатов эксперимента, в котором зарядка была применена к схеме, в которой аккумуляторные батареи, соединенные последовательно как описано здесь, заменены 32 (тридцатью двумя) электролитическими конденсаторами, соединенными последовательно. Электролитические конденсаторы изменяют напряжение при накоплении электрического заряда, которое аналогично каждой аккумуляторной батарее. Соответственно, эффекты изобретения могут оцениваться при замене аккумуляторных батарей электролитическими конденсаторами.
Конденсатор, имеющий высокое значение напряжения, заряжается малым электрическим током, а конденсаторы, соединенные последовательно, осуществляют полную разрядку, и, таким образом, в результате конденсатор, имеющий высокое значение напряжения, разряжается. Конденсатор, имеющий низкое значение напряжения, в результате заряжается. Соответственно, во втором варианте осуществления изобретения напряжения электролитических конденсаторов могут быть быстро сбалансированы, как изображено на Фиг.16.
Система аккумуляторных батарей по второму варианту осуществления имеет следующие преимущества в дополнение к преимуществам, получаемым в первом варианте осуществления.
При разрядке аккумуляторные батареи, соединенные последовательно, становятся источником электрической энергии, с помощью которой батарея с низким значением напряжения может быть заряжена. Соответственно, нет необходимости соединять аккумуляторные батареи с внешним энергетическим устройством, и, таким образом, уравновешивание условий зарядки аккумуляторных батарей эффективно достигается только с помощью системы аккумуляторных батарей (т.е. только транспортного средства).
Напряжение каждой из аккумуляторных батарей измеряется в процессе зарядки, и, когда ИС управления батареями считает, что зарядка аккумуляторной батареи завершена, переключатель в схеме зарядки для заряженной аккумуляторной батареи выключается, тем самым, завершая зарядку аккумуляторной батареи. Так как точность управления уравновешиванием напряжения аккумуляторных батарей определяется точностью ИС управления батареями, а не схемой зарядки, точность зарядки может быть увеличена.
Неисправности в схеме зарядки могут быть детектированы с помощью амперметра, и, таким образом, надежность системы аккумуляторных батарей повышается.
Ток зарядки может быть измерен путем изменения зарядного напряжения для каждой аккумуляторной батареи, а напряжение выбранной аккумуляторной батареи может быть определено из VI характеристики каждой аккумуляторной батареи. С этим измерением становится возможным убрать функцию измерения напряжения аккумуляторных батарей из схемы управления батареями, что снижает стоимость системы аккумуляторных батарей.
Далее описан подробно со ссылкой на Фиг.17-19 третий вариант осуществления изобретения системы аккумуляторных батарей согласно изобретению.
В этом варианте осуществления аккумуляторные батареи, соединенные последовательно, разделены на несколько блоков для зарядки блоков.
Как изображено на Фиг.17, система аккумуляторных батарей по этому третьему варианту осуществления содержит аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n, соединенные последовательно и объединенные в первый блок 160a батарей и во второй блок 160b батарей. Первый и второй блоки 160a и 160b батарей обеспечены первой ИС 104a управления батареями и второй ИС 104b управления батареями, соответственно. Первая ИС 104a управления батареями и вторая ИС 104b управления батареями выполнены так, чтобы питаться электрической энергией от первого блока 160a батарей и второго блока 160b батарей, соответственно. Первая ИС 104a управления батареями управляет первым источником питания переменного тока с регулируемым 106a напряжением, первым амперметром 107a, первым однофазным инвертором 108a и первыми переключателями 109a. В то время как вторая ИС 104b управления батареями управляет вторым источником питания переменного так с регулируемым напряжением 106b, вторым амперметром 107b, вторым однофазным инвертором 108b и вторыми переключателями 109b.
Преобразователь 105 постоянного тока в постоянный ток, первый источник 106a питания переменного тока с регулируемым напряжением и первый однофазный инвертор 108a составляют первый источник 102Aa питания переменного тока.
Преобразователь 105 постоянного тока в постоянный ток питает одинаковым напряжением, как первый, так и второй источники 106a и 106b питания переменного тока с регулируемым напряжением. Например, напряжение 12 B обеспечивается путем преобразования выходного напряжения соединенных последовательно аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, обычно подается на источники 106a и 106b питания с регулируемым напряжением.
Первый источник 106a питания с регулируемым напряжением преобразует напряжение с преобразователя 105 постоянного тока в постоянный ток в желаемое значение напряжения в соответствии с управляющим сигналом с первой ИС 104a управления батареями. Желаемое напряжение является напряжением (например, 4 B), которое получается добавлением пороговых напряжений двух диодов 101a и 101b к напряжению каждой из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, полностью заряженных. Желаемое напряжение также основано на источнике питания первой ИС 104a управления батареями. То есть опорный потенциал выходного напряжения первого источника 106a питания с регулируемым напряжением равен опорному потенциалу первой ИС 104a управления батареями (например, потенциалу отрицательного электрода первой ИС 104a управления батареями).
Первый однофазный инвертор 108a преобразует напряжение постоянного тока от первого источника 106a питания с регулируемым напряжением в импульсы напряжения переменного тока. Опорный потенциал импульса выходного напряжения первого однофазного инвертора 108a равен опорному потенциалу первой ИС 104a управления батареями.
Так как опорный потенциал импульса выходного напряжения первого однофазного инвертора 108a равен опорному потенциалу первой ИС 104a управления батареями, потенциал, приложенный к каждому конденсатору Ca, не меньше опорного потенциала первой ИС 104a управления батареями. Другой потенциал, приложенный к каждому из конденсаторов Ca, не больше потенциала, полученного добавлением значения порогового напряжения диода 101 к потенциалу первой ИС 104a управления батареями (т.е. потенциалу положительного электрода первого блока 160a батарей). При этом напряжение, приложенное к каждому конденсатору Ca, расположенному между первым однофазным инвертором 108a и первой ИС 104a управления батареями, становится равным напряжению источника питания первой ИС 104a управления батареями (более конкретно, напряжению, получаемому добавлением порогового напряжения диода 101 к напряжению источника питания).
Напряжение источника питания первой ИС 104a управления батареями может быть уменьшено путем разделения аккумуляторных батарей, соединенных последовательно, на блоки. Соответственно, в варианте осуществления характеристики (например, тип конденсатора, диэлектрическая постоянная, расстояние между пластинами и т.д.) каждого конденсатора Ca для ограничения постоянного тока или фильтрации, могут регулироваться в диапазоне выходного напряжения первого блока 160a батарей. Таким образом, размер каждого конденсатора может быть уменьшен, и, таким образом, достигается уменьшение в стоимости системы.
Как и описано выше, преобразователь 105 постоянного тока в постоянный ток, второй источник 106b питания переменного тока с регулируемым напряжением и второй однофазный инвертор 108b составляют первый источник 102Ab питания переменного тока.
Второй источник 106b питания с регулируемым напряжением преобразует напряжение с преобразователя 105 постоянного тока в постоянный ток в желаемое значение напряжения в соответствии с управляющим сигналом со второй ИС 104b управления батареями. Желаемое напряжение является напряжением (например, 4 B), которое получается добавлением пороговых напряжений двух диодов 101a и 101b к напряжению каждой из аккумуляторных батарей с 20_1 по 20_n, полностью заряженных. Желаемое напряжение также основано на источнике питания второй ИС 104b управления батареями. То есть опорный потенциал выходного напряжения второго источника питания с регулируемым напряжением 106b равен опорному потенциалу второй ИС 104b управления батареями (например, потенциалу отрицательного электрода второй ИС 104b управления батареями). Конечно же, опорный потенциал второй ИС 104b управления батареями отличен от опорного потенциала первой ИС 104a управления батареями.
Второй однофазный инвертор 108b преобразует напряжение постоянного тока от второго источника 106b питания с регулируемым напряжением в импульсы напряжения переменного тока. Опорный потенциал импульса выходного напряжения второго однофазного инвертора 108и равен опорному потенциалу второй ИС 104b управления батареями.
Так как опорный потенциал импульса выходного напряжения второго однофазного инвертора 108b равен опорному потенциалу второй ИС 104b управления батареями, потенциал, приложенный к каждому конденсатору Cb, не меньше опорного потенциала второй ИС 104b управления батареями. Другой потенциал, приложенный к каждому из конденсаторов Cb, не больше потенциала, полученного добавлением значения порогового напряжения диода 101 к потенциалу второй ИС 104b управления батареями (т.е. потенциалу положительного электрода второго блока 160b батарей). При этом напряжение, приложенное к каждому конденсатору Cb, расположенному между вторым однофазным инвертором 108b и второй ИС 104b управления батареями, становится равным напряжению источника питания второй ИС 104b управления батареями (более конкретно, напряжению, получаемому добавлением порогового напряжения диода 101 к напряжению источника питания).
Напряжение источника питания второй СИ 104b управления батареями может быть уменьшено путем разделения последовательно разделенных аккумуляторных батарей на блоки. Соответственно, характеристики каждого конденсатора Cb для ограничения постоянного тока или фильтрации, могут регулироваться в диапазоне выходного напряжения второго блока 160b батарей.
В системе аккумуляторных батарей, изображенной на Фиг.17, каждый первый переключатель 109a расположен между соответствующим конденсатором Ca и первым источником 102Aa питания переменного тока. Аналогично, каждый второй переключатель 109b расположен между соответствующим конденсатором Cb и вторым источником 102Ab питания переменного тока. С помощью расположения переключателей 109a и 109b между соответствующими конденсаторами Ca и Cb, предназначенными для ограничения постоянного тока или фильтрации, и источником питания переменного тока, интервал изменения потенциала управляющего сигнала переключателей 109a и 109b может совместно использоваться как сигнал напряжения, который равен опорному потенциалу схемы управления батареями. При этом нет необходимости создавать управляющий сигнал, который имеет множество интервалов изменения потенциалов для схемы сдвига уровня или подобного. Таким образом, может быть реализовано уменьшение стоимости системы.
Следует отметить, что положение каждого переключателя 109a или 109b не ограничено описанным положением, до тех пор, пока переключатель 109a или 109b расположен между каждой аккумуляторной батареей и каждым источником питания.
На Фиг.18 показана компоновка системы аккумуляторных батарей в случае, когда каждый переключатель 109a или 109b расположен между участком соединения между катодом первого диода 101a и анодом второго диода 101b и соответствующим конденсатором Ca или Cb.
На Фиг.19 показана компоновка системы аккумуляторных батарей в случае, когда каждый переключатель 109a или 109b расположен между катодом второго диода 101b и положительным электродом каждой соответствующей аккумуляторной батареи.
В системах аккумуляторных батарей, изображенных на Фиг.18 и 19, каждый переключатель 109a или 109b расположен между аккумуляторной батареей и источником питания переменного тока. Так как разъяснение этих систем аккумуляторных батарей совпадает с разъяснением системы аккумуляторных батарей с Фиг.17, это разъяснение опущено.
В третьем варианте осуществления описание направлено на компоновку, в которой аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n соединены последовательно и разделены на первых блок батарей 160a и второй блок батарей 160b. Тем не менее, при желании, аккумуляторные батареи с 20_1 по 20_n могут быть разделены на три или более блоков.
Система аккумуляторных батарей по третьему варианту осуществления имеет следующие преимущества в дополнение к преимуществам, полученным во втором варианте осуществления. Множество аккумуляторных батарей, соединенных последовательно, разделены на множество блоков, и процесс зарядки проводится в рамках выходного напряжения блока батарей. Таким образом, характеристики каждого конденсатора Ca, Cb для ограничения постоянного тока или фильтрации могут регулироваться в рамках выходного напряжения блока батарей. Таким образом, размер конденсаторов может быть уменьшен и, таким образом, реализуется уменьшение стоимости системы.
При расположении каждого переключателя между конденсаторами Ca, Cb, используемыми для ограничения постоянного тока или фильтрации, и источником питания переменного напряжения, управляющий сигнал для переключателей может быть совместно использован как сигнал напряжения, который равен опорному сигналу схемы управления батареями. Таким образом, нет необходимости создавать управляющий сигнал, который имеет множество интервалов изменения потенциалов для схемы сдвига уровня или подобного. Таким образом, может быть реализовано уменьшение стоимости системы.
Описанные выше варианты осуществления были описаны для того, чтобы помочь понять изобретение, а не для того, чтобы ограничивать изобретение. Напротив, предполагается, что изобретение включает в себя различные модификации и эквивалентные структуры, включенные в объем приложенной формулы изобретения, объем которой должен соответствовать наиболее широкой интерпретации, таким образом, чтобы включить в себя все подобные модификации и эквивалентные структуры в соответствии с законодательством.