СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ACCUMULATOR BATTERY OPERATION AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации аккумуляторных батарей (АБ) в автономных системах электропитания, в частности в системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).
Известен способ эксплуатации литий-ионной батареи ("Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ. 563561.002 ПС", разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар), заключающийся в проведении заряд - разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и периодическом выравнивании аккумуляторов по емкости за счет проведении балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда их на резисторы до достижения напряжением на аккумуляторах величины напряжения наиболее разряженного аккумулятора.
Недостатком известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости является то, что процесс выравнивания может быть достаточно длительным и это ограничивает эксплуатационные возможности ИСЗ. Кроме того, приведение емкости всех аккумуляторов к емкости наименее заряженного аккумулятора представляется неэффективным, так как при этом часть энергии аккумуляторов теряется на резисторах и на момент достижения равенства напряжений на аккумуляторах батарея имеет емкость меньше ее потенциальных возможностей.
Известен также способ эксплуатации литий - ионной аккумуляторной батареи (Патент КНР CN 1607708), заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем индивидуального подзаряда или подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжениями наперед заданной величины.
Недостатками рассматриваемого способа выравнивания аккумуляторов по емкости являются низкая технологичность и надежность, обусловленные наличием многочисленных коммутаторов и необходимостью индивидуальной работы отдельно с каждым аккумулятором из состава АБ. Энергетический ресурс батареи при таком способе выравнивания растрачивается также не эффективно.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли (Патент РФ №2408958 C1 от 03.11.2009 г.), который выбран в качестве прототипа. Способ заключается в проведении заряд - разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора батареи и балансировке аккумуляторов по напряжению путем подзаряда их от индивидуальных источников напряжения, которые выполнены в виде выходных каскадов преобразователя постоянного напряжения, подключенного к системе электропитания. При этом с помощью резисторов производят ограничение тока индивидуальных источников напряжения, величину выходного напряжения которых выбирают не более максимально допустимого значения зарядного напряжения аккумулятора, а ток подзаряда ограничивают по его минимальному значению при минимальном существенном значении разницы напряжений аккумуляторов. Мощность индивидуальных источников напряжения выбирают из условия не превышения током подзаряда заранее выбранной величины, в пределах рабочего диапазона напряжений аккумуляторов.
Недостатком способа-прототипа является то, что для эффективной работы устройства балансировки аккумуляторов необходимо с высокой точностью устанавливать и непрерывно поддерживать напряжение питания преобразователя постоянного напряжения, что практически осуществить с помощью дискретной системы регулирования при малом числе уровней регулирования и большом диапазоне изменения напряжения системы электропитания не возможно.
При данном способе эксплуатации не представляется также возможным использование в качестве автономной системы электропитания источник ограниченной мощности в виде солнечной батареи и зарядного преобразователя, выходное напряжение которой зависит от степени освещенности ее фотоэлектрических преобразователей и может изменяться в широких пределах или совсем отсутствовать на отдельных временных интервалах. При этом моменты отсутствия напряжения солнечной батареи совпадают с моментами мощного разряда батареи на нагрузку, что обусловливает отключение процесса балансировки аккумуляторов батареи, когда эта процедура крайне необходима. А так как солнечная батарея с зарядным преобразователем широко используются в автономных системах электропитания ИСЗ, то последнее обстоятельство существенно ограничивает эксплуатационные возможности рассматриваемого способа.
Недостатком способа-прототипа является также необходимость непрерывного контроля напряжения каждого аккумулятора в процессе балансировки батареи, что делает эту операцию громоздкой и низкотехнологичной особенно при автоматизации процесса эксплуатации батареи.
К недостаткам способа-прототипа необходимо отнести и отсутствие байпасных заряд-разрядных цепей аккумуляторов, так как это может привести к выходу из строя батареи при возрастании внутреннего сопротивления одного из ее аккумуляторов, что, естественно, снижает надежность функционирования батареи.
Целью предлагаемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей способа эксплуатации аккумуляторных батарей, повышение надежности функционирования.
В способе эксплуатации аккумуляторных батарей автономной системы электропитания, заключающемся в проведении заряд-разрядных циклов, в балансировке аккумуляторов батареи по напряжению путем подзаряда их от индивидуальных источников напряжения с ограничением по величине тока балансировки с помощью резисторов, с этой целью в качестве автономной системы электропитания применяют источник ограниченной мощности, например, солнечную батарею с зарядным преобразователем, содержащим схему ШИМ-регулирования. Для питания индивидуальных источников напряжения используют электрическую энергию контролируемой аккумуляторной батареи. При этом аккумуляторы батареи защищают байпасными заряд-разрядными цепями, а на выходах индивидуальных источников формируют и непрерывно поддерживают напряжения, равные текущему среднему значению напряжений на аккумуляторах батареи.
В устройство эксплуатации аккумуляторных батарей в автономной системе электропитания, содержащее преобразователь постоянного напряжения с индивидуальными источниками напряжения, число которых равно числу аккумуляторов батареи и каждый из которых подключают к одному из ее аккумуляторов через ограничительный резистор и предохранитель, рассчитанный на критическую величину тока, дополнительно вводят устройство контроля напряжения аккумуляторной батареи, подключаемое параллельно этой батарее. В качестве автономной системы электропитания используют источник ограниченной мощности, например, солнечную батарею с зарядным преобразователем, содержащим схему ШИМ-регулирования. Выходное напряжение индивидуальных источников делают равным текущему среднему значению напряжений аккумуляторов батареи за счет соответствующего выбора коэффициента трансформации трансформатора преобразователя постоянного напряжения. При этом минусовую шину "-" автономной системы электропитания и преобразователя постоянного напряжения подключают к минусовой шине "-" аккумуляторной батареи, а ее плюсовую шину "+" и среднюю точку первичной обмотки трансформатора преобразователя постоянного напряжения подключают к плюсовой шине "+" аккумуляторной батареи, параллельно каждому аккумулятору батареи подключают диодные байпасные заряд - разрядные цепи.
Подключение цепей питания индивидуальных источников напряжений непосредственно к контролируемой аккумуляторной батарее, как это делается в заявляемом способе, дает возможность производить балансировку батареи даже в том случае, когда напряжение на выходе автономной системы электропитания отсутствует. Следовательно, при таком способе эксплуатации становится возможным использовать в качестве автономной системы электропитания солнечную батарею с зарядным преобразователем, что существенно расширяет эксплуатационные возможности этого способа.
C
Балансировка аккумуляторов согласно заявляемому способу осуществляется за счет перераспределения электрической энергии между аккумуляторами контролируемой батареи. Для этого величину коэффициента трансформации трансформатора преобразователя постоянного напряжения выбирают такой, чтобы выходные напряжения индивидуальных источников напряжения U были бы равны отношению:
АБ
где U - напряжение на аккумуляторной батарее;
m - количество аккумуляторов в батарее.
АБ
i
i
Так как U=ΣU,
i
C
i
где U - величина напряжения на i-м аккумуляторе батареи, то выходные напряжения индивидуальных источников U будут равны среднему значению напряжений U на аккумуляторах батареи:
C
Это существенно упрощает процедуру балансировки и делает ее более технологичной, так как напряжения на контролируемых аккумуляторах батареи стремятся к величине U и не могут превысить это значение. Поэтому отпадает необходимость в контроле напряжения каждого аккумулятора. Достаточно контролировать напряжение на всей аккумуляторной батарее, не допуская превышения им предельно допустимого значения, что практически реализуется в источнике ограниченной мощности, например, в виде солнечной батареи с зарядным преобразователем, состоящим из регулирующего ключа, схемы ШИМ-регулирования и вольтодобавочного узла при необходимости (см., например, патент РФ №2334337 C1 от 13.06.2007).
i
C
З
З
З
Б
C
При балансировке, в процессе подзаряда аккумулятора с пониженным выходным напряжением U от индивидуального источника напряжения U и одновременном заряде аккумуляторной батареи от источника ограниченной мощности с выходным напряжением U, через балансируемый аккумулятор с внутренним сопротивлением R протекают в одном направлении два тока: ток заряда I от источника U, и ток балансировки I от индивидуального источника U.
i
C
C
З
C
З
Б
На Фиг.1 изображена эквивалентная схема для этого случая, где отображены внутреннее сопротивление аккумулятора R с выходным напряжением U, к которому подключен индивидуальный источник напряжения U с внутренним сопротивлением R, источник ограниченной мощности с выходным напряжением U и суммарным значением его внутреннего сопротивления и внутренних сопротивлений аккумуляторов батареи Rs, к которым индивидуальные источники напряжения U не подключены, ток заряда I и ток балансировки I.
Для левого контура схемы Фиг.1 можно записать уравнение:
З
где U - выходное напряжение источника ограниченной мощности;
i
U - напряжение i-го аккумулятора;
З
I - ток заряда;
Rs - внутреннее сопротивление аккумуляторов, к которым индивидуальные источники не подключены;
Б
I - ток балансировки;
R - внутреннее сопротивление аккумулятора.
Из соотношения (3) получим:
C
Если бы индивидуальный источник напряжения U не был подключен, то ток заряда  был бы равен:
.
C
З
Подача на i-ый аккумулятор с пониженным выходным напряжением, напряжения от индивидуального источника U приводит к уменьшению тока заряда батареи I от автономной системы электропитания на величину :
С
С
что в свою очередь обусловливает снижение интенсивности заряда ее аккумуляторов с напряжением выше U и способствует более быстрому и точному выравниванию напряжений на аккумуляторах батареи относительно уровня U.
На Фиг.2 изображена электрическая схема устройства, реализующего заявляемый способ. В состав устройства входят: источник ограниченной мощности 1, который в частном случае может представлять собой солнечную батарею и зарядный преобразователь, содержащий схему ШИМ-регулирования; преобразователь постоянного напряжения 2 с силовыми транзисторами T1, T2, трансформатором Тp и индивидуальными источниками напряжений 2а-2м в виде диодных выпрямителей, подключенных к вторичным обмоткам трансформатора Тp; блок предохранителей 3 с предохранителями Па-Пм и ограничительными резисторами Ra-Rм; аккумуляторная батарея с аккумуляторами 4а-4м, каждый из которых снабжен диодными байпасными заряд-разрядными цепями; устройство контроля напряжения 5 аккумуляторной батареи 4.
С
Минусовая шина питания "-" преобразователя постоянного напряжения 2 (коллекторы транзисторов T1, T2), также как и минусовая шина "-" источника ограниченной мощности 1 соединены с минусовой шиной "-" аккумуляторной батареи 4. Устройство контроля напряжения 5 минусовой шиной "-" подключено к минусовой шине "-" аккумуляторной батареи 4, а своей шиной "+" подсоединено к шине "+" аккумуляторной батареи 4. Средняя точка первичной обмотки трансформатора Тр преобразователя постоянного напряжения 2 соединена с плюсовой шиной "+" аккумуляторной батареи 4 и с плюсовой шиной "+" источника ограниченной мощности 1. Преобразователь постоянного напряжения 2 содержит в своем составе индивидуальные источники напряжения 2а-2м, каждый из которых соединен через свой резистор R и предохранитель блока предохранителей 3 с одним аккумулятором батареи 4. Причем коэффициент трансформации трансформатора Тр подобран таким образом, что выходное напряжение индивидуальных источников напряжений 2а-2м равно среднему значению напряжений U на аккумуляторах батареи 4. Параллельно каждому аккумулятору батареи 4 подключены диодные байпасные заряд-разрядные цепи.
С
i
i
C
C
i
C
i
i
C
C
Устройство работает следующим образом. Преобразователь постоянного напряжения 2 формирует на выходах индивидуальных источников напряжения U, равные текущему среднему значению напряжений на аккумуляторах батареи 4. Если текущее значение напряжения U на i-м аккумуляторе батареи 4 оказывается меньше выходного напряжения подключенного к нему индивидуального источника напряжения (U<U), то диоды его выпрямителя оказываются открытыми, напряжение U подается на i-й аккумулятор и происходит дозаряд его до величины среднего значения напряжений на аккумуляторах батареи 4. Чем меньше напряжение на аккумуляторе U, тем больше разность напряжений ΔU=U-U, тем большим током заряжается этот аккумулятор от индивидуального источника, что способствует более быстрому выравниванию напряжений на аккумуляторах. Если же напряжение i-го аккумулятора оказывается меньше среднего значения напряжений на аккумуляторах батареи (U>U), то диоды выпрямителя его индивидуального источника оказываются закрытыми, напряжение U на i-й аккумулятор не подается, дозаряд его не производится. При этом каждый из аккумуляторов батареи 4 отдает преобразователю постоянного напряжения 2 тем больше энергии, чем больше напряжение на нем, что также способствует выравниванию напряжений на аккумуляторах батареи.
i
C
Непрерывное повторение приведенных операций обусловливает в режиме автомата выравнивание напряжений аккумуляторов U до величины среднего значения U, определяемого соотношением (2), и поддерживает их на этом уровне.
C
Аналогичным образом происходит операция балансировки аккумуляторов при одновременном заряде аккумуляторной батареи 4 от источника ограниченной мощности 1. При этом за счет подачи выходных напряжений индивидуальных источников 2а-2м на аккумуляторы с пониженным напряжением происходит выравнивание (балансировка) напряжений на аккумуляторах батареи 4 на уровне U с одновременным возрастанием напряжения на батарее. Если напряжение на батарее 4 достигает предельно допустимое значение, то устройство контроля напряжения 5 формирует сигнал, который поступает на вход управления источника ограниченной мощности 1 и далее на схему ШИМ-регулирования его зарядного преобразователя, который с помощью регулирующего ключа ограничивает ток заряда аккумуляторной батареи 4, или совсем прекращает его подачу. Аккумуляторная батарея 4 переводится в режим разряда. При этом отпадает необходимость в выборе и регулировании величины напряжения системы электропитания, в контроле напряжения каждого аккумулятора, что существенно сокращает объем контрольно-измерительного оборудования, упрощает процедуру балансировки и делает ее более технологичной.
Байпасные заряд-разрядные цепи за счет соответствующего включения диодов, при нормальном функционировании аккумуляторов батареи 4 выключены и существенного влияния на работу схемы не оказывают. Если же внутреннее сопротивление какого-либо аккумулятора батареи 4 значительно возрастает, то включенный параллельно аккумулятору одиночный байпасный диод обеспечит прохождение на нагрузку токов разряда аккумуляторов, а три последовательно включенных байпасных диода (количество диодов зависит от величины рабочего напряжения аккумулятора) обеспечивают прохождение тока заряда через аккумулятор с возросшим внутренним сопротивлением и защищают его от перенапряжения.
Таким образом, выявленные отличительные признаки обеспечивают достижение поставленной цели, они не встречались в ранее известных технических решениях в предложенной совокупности и могут быть квалифицированы как существенные отличия.
Источники информации
1 Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС, разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар.
2 Патент КНР CN 1607708.
3 Патент РФ №2408958 C1, H01M 10/44, от 03.11.2009 г.
4 Патент РФ №2334337 C1, H02J 7/35, от 13.08.2007 г.