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

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, предназначенных для непрерывного автоматического контроля и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов в блоке, установленном на транспортном средстве, например, гибридном автомобиле или электромобиле.
а
а
Из уровня техники известно устройство автоматического контроля и выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов комбинированной энергетической установки (КЭУ) по патенту на изобретение (RU 2626378, МПК (2016.01): H01M 10/48, опубликованное 26.07.2017, содержащее источник питания в виде блока последовательно соединенных аккумуляторов, систему режима потребления и зарядки аккумуляторов блока, группу однопозиционных нормально-разомкнутых ключей с малым внутренним сопротивлением общим количеством n+1, две электрические шины  и б, при этом, положительные полюса аккумуляторов блока с нечетными номерами подключены к электрической шины , а все положительные полюса аккумуляторов блока с четными номерами к электрической шине б.
а
а
а
В этом устройстве по сигналам микроконтроллера, подаваемым на вход адресной коммутации сдвоенного демультиплексора с числом выходов n в каждом демультиплексоре с помощью одновременного замыкания двух однопозиционных нормально-разомкнутых электромеханических ключей с малым внутренним сопротивлением осуществляется последовательное подключение аккумуляторов блока (КЭУ) к общим шинам  и б; при этом полярность напряжения для аккумуляторов с четными номерами на шинах  и б будет положительной, а для аккумуляторов с нечетными номерами отрицательной. В результате на электрических шинах  и б происходит чередование положительных и отрицательных напряжений прямоугольной формы.
Если все аккумуляторы блока имеют одинаковое напряжение, то при дальнейшем выпрямлении на выходе выпрямителя получается постоянное напряжение, а в случае неодинаковости на постоянное напряжение накладываются прямоугольные импульсы по величине пропорциональные разбалансу относительно среднего значения по всем последовательно соединенным аккумуляторам блока по описанию из книги (Introduction to Hybrid Vehicle System Modeling and Control Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Inc., Author(s): WeiLiu Published Online: 14MAR2013 10:41 AMEST,Print ISBN: 9781118308400 Onlinel SBN: 9781118407400DOI: 10.1002/9781118407400A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION, с. 181-185),
К недостаткам аналога относится отсутствие возможности непрерывного контроля и выравнивания степени заряженности каждого из аккумуляторов блока по току и напряжению при их параллельно-последовательном соединении в блоке, отсутствие возможности одновременного контроля тока и напряжения каждого из параллельно соединенных аккумуляторов при напряжении в батарее аккумуляторного блока достигающем нескольких сотен вольт.
Известен также способ автоматического контроля технического состояния элементов смешанной (последовательное соединение групп параллельных элементов) аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления по патенту (RU 2610147, H01M 10/48 (2006.01), опубликованного 08.02.2017). В указанном способе объединение аккумуляторов в общий вывод горизонтального ряда осуществляют через диоды, однако при малых величинах разбаланса по напряжению не превышающих десятых долей вольта их сопротивление превышает десятки Ом, что практически исключает целесообразность подачи импульсов напряжения выравнивания на общие выводы горизонтальных рядов из за потери всей мощности импульсов выравнивания на этих диодах.
Из уровня техники также известна система сигнализации по международной заявке (WO 2000005596, приоритет 21.07.1999, опубликовано 03.02.2000), в которой представлено устройство контроля состоящее из параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов, снабженных для каждого горизонтального ряда отдельным блоком питания, микроконтроллером и системой передачи сигналов.
Недостатком указанного аналога является отсутствие возможности непрерывного выравнивания электрических параметров в горизонтальных рядах для каждого из последовательно соединенных аккумуляторов, а также избыточное количество электронных устройств, необходимых для контроля аккумуляторов горизонтальных рядов батареи.
Существуют также устройства контроля и выравнивания тока в вертикальных рядах блоков аккумуляторов при их параллельно-последовательном соединении в блоке, в которых для измерения тока потребления в каждом вертикальном ряду требуются дорогостоящие датчики тока. Примером является устройство источника питания аккумуляторной батареи и способ определения тока для него по патенту (ЕР 1317045, приоритет от 27.11.2002, опубликованого 07.10.2009).
Другим аналогом является дифференциальный контроль тока для параллельно подключенных батарей по патенту (WO ЕР US KR JP 2018066757  , приоритет от 2011.01.18, опубликованного 2018.04.26), в котором патентуются устройства и способы измерения тока в вертикальных рядах параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов. Недостатком указанного аналога является отсутствие возможности одновременно с измерением проведение активного выравнивания.
Общим недостатком перечисленных аналогов является отсутствие одновременного контроля и выравнивания по напряжению и току.
Наиболее близко, по технической сущности к предлагаемому изобретению, относится способ автоматического мониторинга и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательного соединения аккумуляторов блока по патенту на изобретение (RU 2697185 С1, МПК (2006.01): H01M 10/48, опубликованное 13.08.2019) и содержащее:
- источник питания в виде блока аккумуляторов (БА) с параллельно -последовательно соединенными аккумуляторами, в котором каждый аккумулятор блока аккумуляторов (БА) представлен источником питания напряжением Е с внутренним сопротивлением Ri, снабжен резистором одинаково малой величины R, одними выводами который электрически подключен к положительному контакту каждого аккумулятора. Параллельное соединение аккумуляторов в блоке аккумуляторов (БА) для каждого горизонтального ряда из m аккумуляторов выполнено объединением вторых выводов резисторов в общий вывод горизонтального ряда аккумуляторов блока, при этом число горизонтальных рядов равно n. Вертикальные ряды получены последовательным соединением анода предыдущего аккумулятора с катодом последующего и образуют m вертикальных рядов по последовательному соединению при общем количестве аккумуляторов в блоке m*n.
а
Устройство включает также систему режима потребления и зарядки с датчиком тока потребления, блок коммутации аккумуляторов, блок управления коммутацией, две шины  и 6 для измерения электрических параметров, общий вывод горизонтального ряда блока аккумуляторов (БА) с порядковым номером h, блок измерения и выравнивания напряжения, микроконтроллер и цифровой индикатор проблемных по электрическим параметрам аккумуляторов.
К недостаткам прототипа относится:
- отсутствие возможности измерять и выравнивать разбаланс токов вертикальных рядов блока, которые оказывают заметное влияние на степень заряженности аккумуляторов и срок их службы при соединении в горизонтальный ряд через сопротивления малой величины при неодинаковости электрических параметров отдельных аккумуляторов;
- отсутствие возможности непрерывного контроля и выравнивания степени заряженности каждого из аккумуляторов блока по току, напряжению, сопротивлению и разностной потребляемой мощности;
- недостаточно эффективно осуществляется активное выравнивание при объединении аккумуляторов в горизонтальный ряд через сопротивления малой величины из-за потери энергии выравнивающих импульсов на этих сопротивлениях;
- недостаточно эффективно осуществляется выявление проблемных электрически перегруженных аккумуляторов по величине перегрева при контроле температуры, связанное со значительной задержкой во времени из-за тепловой инерции;
Задача предлагаемого изобретения состоит в расширении функциональных возможностей способа контроля и выравнивания, а также снижении стоимости изготовления за счет своевременного диагностического контроля и выравнивания блока параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов по более полному комплексу электрических параметров, что увеличивает срок службы и безопасность работы блока аккумуляторов, а также снижает энергозатраты в работе устройства
Поставленная задача реализуется следующим образом:
Увеличение срока службы блока аккумуляторов обеспечивается контролем и выравниванием по току, напряжению, внутреннему сопротивлению и разностной потребляемой мощности по каждому проблемному аккумулятору, при одновременной балансировке как перезаряженных, так и недозаряженных аккумуляторов при непрерывной работе в режиме зарядки и энергопотребления.
Повышение безопасности работы блока аккумуляторов при контроле и выравнивании по току, напряжению, сопротивлению и разностной потребляемой мощности в каждом из аккумуляторов этого блока обеспечивается за счет практически мгновенного выявления аккумуляторов с избыточным разностным потреблением энергии вызывающих их перегрев. В то время как, выявление проблемных аккумуляторов по косвенным признакам по величине перегрева при контроле температуры, как это сделано в прототипе, связано со значительной задержкой во времени из-за тепловой инерции. Это может привести к недопустимым изменениям в параметрах аккумуляторов блока аккумуляторов к моменту измерения завышенной температуры и снизить безопасность их работы. При этом так же отпадает необходимость сплошного контроля температуры каждого из аккумуляторов блока аккумуляторов и достаточно ограничиться выборочным контролем температуры.
Обеспечение высокой наглядности при отображении проблемных по разностной потребляемой энергии аккумуляторов вызывающей их перегрев, при их индикации на двухкоординатном дисплее с модуляцией по яркости величиной амплитудного значения относительного изменения потребляемой мощности.
Снижение энергозатрат и стоимости изготовления в предлагаемом способе обеспечивается подачей основной энергии при активном выравнивании по току в вертикальных рядах, при этом активное выравнивание по напряжению в горизонтальных рядах используют как вспомогательное к уже задействованному в прототипе пассивному выравниванию через сопротивления малой величины.
Технический результат заключается в следующем:
Предлагаемый способ одновременно осуществляет следующие функции.
Контроль
контролем комплекса электрических параметров каждого аккумулятора обеспечивают раннюю диагностику и выявление проблемных аккумуляторов не только по разбалансу напряжений в горизонтальных рядах, но и дополнительно по разбалансу токов в вертикальных рядах, а также внутренних сопротивлений и разностной потребляемой мощности аккумуляторов при перезаряде и недозаряде;
осуществляют отображение на блоке цифровой индикации не только порядковых номеров проблемных по напряжению ряда, но и дополнительно проблемных по току аккумуляторов в горизонтальном ряду;
осуществляют дополнительно на экране дисплея отображение растрового двухкоординатного изображения с модуляцией по яркости величиной амплитудного значения разностной потребляемой мощности аккумуляторов при количестве пикселей равном количеству аккумуляторов в блоке аккумуляторов;
используют результаты контроля по комплексу электрических параметров для индивидуального выравнивания проблемных аккумуляторов блока.
Выравнивание:
осуществляют выравнивание степени заряженности для каждого проблемного аккумулятора пропорционально степени разбаланса не только по напряжению, но и дополнительно по разбалансу токов, внутреннему сопротивлению и разностной потребляемой мощности, как при перезаряде, так и при недозаряде с учетом тока потребления блока аккумуляторов;
осуществляют активное и пассивное выравнивание не только напряжения в горизонтальных рядах, но и токов в вертикальных рядах аккумуляторов блока, причем особенно эффективно проявляется при переходе к интенсивному активному выравниванию импульсными токами регулируемой величины больше ампера при КПД более 90%;
Способ реализуется серийной элементной базой и не требует разработки дополнительных оригинальных элементов, что значительно снижает стоимость и повышает надежность его работы.
а
Достигается технический результат за счет того, что способ мониторинга и выравнивания степени заряженности аккумуляторов блока АКБ, включает контроль и выравнивание степени заряженности аккумуляторов установленных параллельно - последовательно в блоке, причем параллельное соединение аккумуляторов в блоке для каждого горизонтального ряда аккумуляторов осуществляют объединением вторых выводов резисторов одинаково малой величины в общий вывод ряда аккумуляторов блока, при этом блоками управления и коммутации аккумуляторов попарно подключают общие выводы горизонтальных рядов к двум шинам измерения электрических параметров  и б, а в блоке измерения и выравнивания электрических параметров измеряют напряжение, пропорциональное разбалансу горизонтальных рядов аккумуляторов и осуществляют его выравнивание сравнением с напряжением горизонтального ряда с порядковым номером h, датчиком тока измеряют ток в системе режима потребления и зарядки, микроконтроллером измеряют электрические параметры и осуществляют их индикацию в блоке цифрового индикатора.
Отличие, согласно изобретению, состоит в том, что блоком коммутации токовых ключей выполняют последовательную коммутацию m электрических выводов от анодов аккумуляторов n-го горизонтального ряда блока аккумуляторов с нечетными порядковыми номерами с шиной j, а с четными порядковыми номерами с шиной g;
блоком управления коммутацией управляющих устройств токовых ключей вертикальных рядов на основе демультиплексора с количеством выходов m выполняют последовательную подачу напряжения питания на управляющие устройства токовых ключей блока коммутации, вызывая их замыкание при частоте опроса не менее чем в m раз превышающей частоту f опроса ключей блока управления коммутацией аккумуляторов;
а
импульсным согласующим усилителем блока измерения и выравнивания напряжения выполняют выделение и усиление переменной составляющей из поступающих по входу с общих шин  и b импульсов напряжения пропорционального величине разбаланса напряжения горизонтальных рядов блока аккумуляторов и измеряют его микроконтроллером;
а
делителем напряжения блока измерения и выравнивания напряжения выполняют выделение постоянной составляющей из поступающих по входу с общих шин  и b импульсов напряжения пропорционального величине разбаланса напряжения горизонтальных рядов блока аккумуляторов для измерения микроконтроллером;
блоком измерения и выравнивания напряжения выполняют непрерывное активное выравнивание напряжения разбаланса горизонтальных рядов напряжением, подаваемым от общего вывода горизонтального ряда блока аккумуляторов с порядковым номером h через ограничительный резистор, как в режиме измерения, так и в режиме интенсивного активного выравнивания;
импульсным согласующим усилителем блока измерения и выравнивания тока выполняют выделение и усиление из прямоугольных импульсов напряжения, поступающих по входу с общих шин j и g переменной составляющей напряжения вызванного разбалансом токов в вертикальных рядах аккумуляторов;
блоком измерения и выравнивания тока в режиме измерения, при разомкнутых первом и втором ключах и замкнутом четвертом ключе, выполняют одновременное активное выравнивание по току, как при перезаряде, так и при недозаряде от регулируемого по напряжению преобразователя через ограничительный резистор, при этом напряжение преобразователя устанавливается равным постоянному напряжению на выходе выпрямителя блока измерения и выравнивания напряжения.
блоком измерения и выравнивания тока осуществляют переход в режим интенсивного активного выравнивания при разомкнутом четвертом ключе и значимых положительных импульсах разбаланса токов в горизонтальных рядах при замыкании первого ключа, а при значимых отрицательных импульсах разбаланса замыканием второго ключа;
блоком измерения и выравнивания тока при значимых завышенных и заниженных относительно среднего значения токах в режиме интенсивного активного выравнивания осуществляют поочередное сравнение на компараторе усиленных на инвертирующем и неинвертирующем импульсных усилителях амплитуды напряжения импульсов разбаланса вертикальных рядов с опорным напряжением, подаваемым от микроконтроллера, и при превышении величины опорного напряжения вызывать срабатывание компаратора;
блоком измерения и выравнивания тока в режиме интенсивного активного выравнивания значимых токов разбаланса в вертикальных рядах, как при перезаряде, так и недозаряде подают от регулируемого по напряжению микроконтроллером преобразователя через третий ключ и ограничительный резистор, компенсирующие интенсивные импульсы выравнивания, амплитуда которых пропорциональна величине максимальных отклонений напряжений разбаланса горизонтальных рядов;
микроконтроллером осуществляют: подачу тактовых импульсов опроса блока управления коммутацией аккумуляторов с частотой f и блока управления коммутацией управляющих устройств токовых ключей вертикальных рядов с частотой f*m;
прием измерительной информации по переменной составляющей напряжения от согласующего усилителя и по постоянной составляющей от делителя напряжения на резисторах, а по току от согласующего усилителя и датчика тока потребления;
управление порогом срабатывания компаратора в зависимости от величины напряжения разбаланса в блоке измерения и выравнивания напряжения;
управление замыканием первого и второго ключей в зависимости от знака напряжения разбаланса в горизонтальных рядах пропорционального амплитуде напряжения разбаланса в горизонтальных рядах;
управление регулируемым по напряжению преобразователем в зависимости от амплитуды напряжения разбаланса в горизонтальных рядах блока измерения и выравнивания напряжения;
выдачу команды на аварийное отключение устройства от цепи питания при недопустимых отклонениях контролируемых параметров от заданных предельных значений;
выдачу информации на блок цифровой индикации;
блоком цифровой индикации выполняют цифровую индикацию порядковых номеров проблемных по напряжению и току аккумуляторов блока, а также дополнительно получают двухкоординатное растровое изображение с модуляцией по яркости амплитудным значением относительного изменения потребляемой мощности количеством пикселей равным числу аккумуляторов в блоке.
Дополнительно отличия также состоят в том, что коэффициенты трансформации трансформаторов блоков измерения и выравнивания напряжения и измерения и выравнивания тока выбирают одного численного значения;
резисторы малой величины R используют из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением в виде отрезков резистивной ленты электрически присоединенной между точками сварки соседних анодов и катодов аккумуляторов вертикальных рядов;
расстояние между точками сварки для выбранного материала отрезка резистивной ленты между точками сварки соседних анодов и катодов аккумуляторов вертикальных рядов выбирают таким образом, чтобы электрическое сопротивление между ними должно быть равным 4R;
отрезки резистивной ленты электрически присоединяют сваркой на перемычках вертикальных рядов и геометрически повторяют их конфигурацию;
общий электрический вывод горизонтального ряда устанавливают перпендикулярно отрезкам резистивной ленты и электрически присоединяют к серединам каждого из отрезков резистивной ленты;
электрически присоединяя сваркой к середине отрезка резистивной ленты общего электрического вывода горизонтального ряда, получают общее электрическое сопротивление между анодом каждого аккумулятора и общим электрическим выводом горизонтального ряда эквивалентным номиналу резистора с электрическим сопротивлением R.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 - функциональная схема устройства мониторинга и выравнивания степени заряженности аккумуляторов блока (АКБ);
фиг. 2 -функциональная схема коммутации аккумуляторов блока (АКБ);
фиг. 3 - функциональная схема блоков измерения и выравнивания напряжения и токов;
фиг. 4а - вид сверху горизонтальных рядов блока аккумуляторов с резистивной лентой;
фиг. 4б - вид сбоку по стрелке А горизонтальных рядов блока аккумуляторов с резистивной лентой;
фиг. 4в - эквивалентная электрическая схема, поясняющая конструктивную, реализацию резисторов малой величины R;
фиг.5 - осциллограмма перехода от режима измерения к выравниванию по току при перезаряде в вертикальных рядах;
фиг. 6 осциллограмма выравнивания по току при перезаряде в вертикальных рядах;
фиг. 7 осциллограмма выравнивания по току при недозаряде в вертикальных рядах и разбалансе напряжения по недозаряду в горизонтальных рядах;
фиг. 8 - осциллограмма выравнивания по току при перезаряде с переходом на выравнивание при недозаряде в вертикальных рядах.
Схема устройства, на которой осуществляется предложенный изобретением способ (фиг.1) включает:
• аккумуляторный блок 100 (АКБ) содержащий блок аккумуляторов 101 (БА) состоящий из параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов блок коммутации аккумуляторов 102 (БКА) и блок коммутации токовых ключей 103 (БКТ);
• блок управления коммутацией аккумуляторов 110 (БУКА);
• блок управления коммутацией токовых ключей вертикальных рядов 120 (БУКТ);
• систему потребления и зарядки 200 (СПЗ);
• блок измерения и выравнивания напряжения 300 (БИВН);
• выпрямитель 301 (В), выполненный по схеме двухполупериодного выпрямления с одной первичной обмоткой;
• импульсный согласующий усилитель 302 (УС);
• делитель напряжения на резисторах R301 и R302;
• ограничительный резистор R303;
• блок измерения и выравнивания тока 400 (БИВТ);
• выпрямитель 401 (В) выполненный по схеме двухполупериодного выпрямления с двумя первичными обмотками;
• импульсный согласующий усилитель 402 (УС);
• однопозиционный нормально разомкнутый ключ 403 (Кл1);
• однопозиционный нормально разомкнутый ключ 404 (Кл3);
• импульсный инвертирующий усилитель напряжения 405 (УИ);
• компаратор 406 (К);
• однопозиционный нормально разомкнутый ключ 407 (Кл2);
• регулируемый по напряжению преобразователь 408 (ДС/ДС);
• блок питания низковольтной электроники 409 (БПН);
• импульсный неинвертирующий усилитель напряжения 410 (УН);
• ограничительный резистор R401;
• датчик тока 500 (ДТ);
• микроконтроллер 600 (МК);
• блок цифровой индикации 700 (БЦИ);
а
• общие шины  и b измерения напряжения горизонтальных рядов аккумуляторов 101 (БА);
• общий вывод горизонтального ряда блока аккумуляторов 101 (БА) с порядковым номером h;
• шины j и g выходов ключей с нечетными и четными порядковыми номерами блока коммутации токовых ключей вертикальных рядов 103 (БКТ) измерения напряжения пропорционального току вертикальных нечетных и четных рядов аккумуляторов101 (БА);
Предложенный в изобретении способ позволяющий контролировать и выравнивать по току и напряжению степень заряженности аккумуляторов блока 100 (АКБ), осуществляется в следующей последовательности:
a
блоком коммутации аккумуляторов 102 (БКА) выполняют коммутацию n+1 общих выводов горизонтальных рядов с нечетными порядковыми номерами с шиной  измерения электрических параметров, а рядов с четными порядковыми номерами с шиной измерения электрических параметров b;
общий вывод n+1 горизонтального ряда аккумуляторов блока 101 (БА) (фиг. 2) связывают с отрицательным полюсом блока 101 (БА), являющимся сигнальной землей через m резисторов одинаково малой величины R, при этом, величина численного значения резисторов малой величины R выбирается в зависимости от допустимого для используемого типа аккумуляторов разброса номинальной величины напряжения аккумуляторов и внутреннего сопротивления аккумулятора;
блоком коммутации токовых ключей вертикальных рядов 103 (БКТ) (фиг. 2) выполняют коммутацию m электрических выводов от анодов аккумуляторов n-го горизонтального ряда блока аккумуляторов 101 (БА) с нечетными порядковыми номерами с шиной j, а с четными порядковыми номерами с шиной g;
блоком управления коммутацией горизонтальных рядов аккумуляторов 110 (БУКА) (фиг. 1) выполняют попарно подачу напряжения питания на управляющие устройства двух соседних ключей нечетных и четных горизонтальных рядов блока коммутации аккумуляторов 102 (БКА) вызывая их замыкание;
блоком управления коммутацией управляющих устройств токовых ключей вертикальных рядов 120 (БУКТ) с количеством выходов m обеспечивают подачу напряжения питания на управляющие устройства нечетных и четных ключей блока коммутации токовых ключей вертикальных рядов 103 (БКТ) вызывая их замыкание;
блоком измерения и выравнивания напряжения 300 (БИВН) (фиг. 3):
а
получают переменную составляющую напряжения на выходе выпрямителя 301 (В) из прямоугольных импульсов напряжения поступающих по общим шинам  и б, импульсным согласующим усилителем 302 (УС) усиливают переменную составляющую пропорциональную величине разбаланса напряжения горизонтальных рядов блока аккумуляторов 101 (БА) и измеряют микроконтроллером 600 (МК);
- получают постоянную составляющую напряжения с выхода дополнительно введенного делителя напряжения на резисторах R301 и R302 и измеряют микроконтроллером 600 (МК);
- выравнивают напряжение разбаланса горизонтальных рядов подаваемого от общего вывода горизонтального ряда блока аккумуляторов 101 (БА) с порядковым номером h величиной Uh через ограничительный резистор R 301;
блоком измерения и выравнивания тока 400 (БИВТ) (фиг. 3):
- выпрямляют прямоугольные импульсы напряжения, поступающие по общим шинам j и g, получают постоянную и переменную составляющие напряжения на выходе выпрямителя 401 (В), усиливают и измеряют переменную составляющую пропорциональную величине разбаланса токов вертикальных рядов блока аккумуляторов 101 (БА) в микроконтроллере 600 (МК);
- при разомкнутых ключах 403 (Кл1), 404 (Кл2) и замкнутом ключе 411 (Кл.4) усиливают амплитуды прямоугольных импульсов переменной составляющей напряжения на выходе импульсного согласующего усилителя 402 (УС), а микроконтроллером 600 (МК) измеряют амплитуды прямоугольных импульсов;
- при разомкнутом ключе 411 (Кл.4) и положительном знаке импульсов разбаланса напряжения в горизонтальных рядах для перехода в режим интенсивного активного выравнивания замыкают ключ 403 (Кл1), а при отрицательном знаке разбаланса напряжения в горизонтальных рядах замыкают ключ 404 (Кл2);
- на компараторе 406 (К) поочередно сравнивают на инвертирующем и неинвертирующем усиленные на импульсных усилителях 405 (УИ) и 410 (УН) амплитуды импульсов разбаланса токов вертикальных рядов при перезаряде и недозаряде с опорным напряжением пропорциональным амплитуде разбаланса вертикальных рядов, подаваемым от микроконтроллера 600 (МК) и управляют замыканием ключа 407 (Кл3);
блоком измерения и выравнивания тока 400 (БИВТ) при значимых завышенных и заниженных относительно среднего значения токах в режиме интенсивного активного выравнивания осуществляют поочередное сравнение на компараторе 406 (К) усиленных на инвертирующем 405 (УИ) и неинвертирующем 410 (УИ) импульсных усилителях амплитуды напряжения импульсов разбаланса вертикальных рядов с опорным напряжением, подаваемым от микроконтроллера 600 (МК) и при превышении величины опорного напряжения вызывать срабатывание компаратора 406 (К);
- на выход выпрямителя 401 (В) при активном выравнивании в режиме измерения подают компенсирующие импульсы разбаланса токов от регулируемого по напряжению микроконтроллером 600 (МК) преобразователя 408 (ДС/ДС) через ключ 411 (Кл4) и ограничительный резистор R 401 как при перезаряде, так и при недозаряде;
датчиком тока потребления 500 (ДТ) (фиг. 1) измеряют ток потребления в системе потребления и зарядки 200 (СПЗ) и передают для обработки результатов измерения в микроконтроллере 600 (МК);
микроконтроллером 600 (МК) осуществляют:
- подачу тактовых импульсов опроса блока управления коммутацией аккумуляторов 110 (БУКА) с частотой f и блока управления коммутацией управляющих устройств токовых ключей вертикальных рядов 120 (БУКТ) с частотой f*m;
- прием измерительной информации по переменной составляющей напряжения от согласующего усилителя 302 (УС) и по постоянной составляющей от делителя напряжения на резисторах R301 и R302, а по току от согласующего усилителя 402 (УС) и датчика тока потребления 500 (ДТ);
- управление порогом срабатывания компаратора К (406) в зависимости от величины напряжения разбаланса в блоке 300 (БИВН);
- управление замыканием ключей 403 (Кл1) и 404 (Кл2) в зависимости от знака напряжения разбаланса в горизонтальных рядах пропорционального амплитуде напряжения разбаланса в горизонтальных рядах;
- управление регулируемым по напряжению преобразователем 408 (ДС/ДС) в зависимости от амплитуды напряжения разбаланса в горизонтальных рядах блока 300 (БИВН);
- выдачу команды на аварийное отключение устройства от цепи питания при недопустимых отклонениях контролируемых параметров от заданных предельных значений;
- выдачу информации на блок цифровой индикации 700 (БЦИ).
блоком цифровой индикации 700 (БЦИ) выполняют индикацию порядковых номеров проблемных по напряжению и току аккумуляторов блока 101 (БА), а также получают двухкоординатное растровое изображение с модуляцией по яркости амплитудным значением относительного изменения потребляемой мощности количеством пикселей равным числу аккумуляторов в блоке 101 (БА).
Исходя из экономических соображений, используемые в данном способе резисторы малой величины R (фиг. 2) конструктивно выполнены в виде отрезков резистивной ленты 101.1 из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением соединяющих точки сварки 101.2 соседних анодов и катодов аккумуляторов 101.3 вертикальных рядов (фиг. 4а, 4б).
Расстояние между точками сварки 101.2 для выбранного материала отрезка резистивной ленты 101.1 выбирают таким образом, чтобы электрическое сопротивление между ними было равным 4R. Причем отрезки резистивной ленты 101.1 электрически присоединяют сваркой 101.2 к перемычках 101.4 вертикальных рядов и повторяют их конфигурацию.
Общий электрический вывод 101.5 горизонтального ряда устанавливают перпендикулярно отрезкам резистивной ленты 101.1 и электрически присоединяют сваркой 101.2 к серединам каждого из отрезков резистивной ленты 101.1, а присоединяя общий электрический вывод 101.5 горизонтального ряда в середине отрезка резистивной ленты 101.1, обеспечивают общее электрическое сопротивление между анодом каждого аккумулятора 101.3 (фиг. 4в) и общим выводом горизонтального ряда равным R.
Пример.
Эксперимент проводился при имитации работы фрагмента устройства по способу мониторинга и выравнивания аккумуляторов блока АКБ при общем количестве параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов в блоке равном шестнадцати, включающем четыре горизонтальных ряда в каждом из которых содержалось четыре аккумулятора соединенных параллельно через резисторы малой величины, подключенные к общему выводу горизонтального ряда.
Ряды из четырех параллельно включенных аккумуляторов формировались с использованием резисторов с номиналом 0,05 Ом, подключенных одним выводом к аноду аккумулятора, а другим к общему выводу горизонтального ряда.
При моделировании была использована эквивалентная схема замещения аккумулятора, включающая источник питания Е, к которому последовательно подключена цепочка из параллельно соединенных резистора Ri и конденсатора С.Моделирование осуществлялось по численным значениям параметров для Li-ion аккумуляторов 18650.
В качестве однопозиционных нормально разомкнутых ключей использовались электромеханические ключи с малым контактным сопротивлением. Дополнительно проверялась работоспособность устройства при замене электромеханических ключей на электронные ключи с конкретным значением их внутреннего сопротивления. Тактовая чистота опроса горизонтальных рядов аккумуляторов блока - 50 Гц, а вертикальных рядов - 200 Гц.
Выравнивание по напряжению в горизонтальных рядах при перезаряде и недозаряде осуществлялось подачей компенсирующего напряжения от общего вывода горизонтального ряда блока аккумуляторов 101 (БА) с порядковым номером h, а выравнивание по току в вертикальных рядах аккумуляторов происходило подачей импульсов выравнивания от преобразователя 407 (ДС/ДС).
На (фиг. 5) представлены осциллограммы:
разбаланса электрических параметров напряжения U и сопротивления Ri на выходе выпрямителя 301(B) при перезаряде и недозаряде в горизонтальных рядах блока 101 (БА) в виде отклонения от среднего значения;
измерительные отрицательные импульсы разбаланса в вертикальных рядах переходящие в усиленные отрицательные импульсы выравнивания по току на выходе выпрямителя 401(B) после срабатывания компаратора 405 (К) при перезаряде в вертикальных рядах блока 101 (БА);
импульсы на выходе компаратора 405(К) управляющие ключом 406 (Кл.3);
Из первой осциллограммы видно, что по величине амплитуды положительных и отрицательных импульсов при разбалансе относительно среднего значения можно говорить о величине перезаряда и недозаряда горизонтальных рядов аккумуляторов.
Из второй осциллограммы видно, что при одновременном присутствии перезаряда и недозаряда по напряжению в горизонтальных рядах осуществляется только выравнивание перезаряда по току в вертикальных рядах блока 101 (БА);
Из третьей осциллограммы видно, что процесс выравнивания по току начинается только после превышения порога срабатывания компаратора 405 (К).
На (фиг. 6) представлены осциллограммы:
разбаланса электрических параметров напряжения U и сопротивления Ri на выходе выпрямителя 301(B) при перезаряде и недозаряде в горизонтальных рядах блока 101 (БА) в виде отклонения от среднего значения;
положительные импульсы выравнивания по току на выходе выпрямителя 401(B) при перезаряде в вертикальных рядах блока 101 (БА);
импульсы на выходе компаратора 405(К) управляющие ключом 406 (Кл.3);
Из первой осциллограммы видно, что по величине амплитуды положительных и отрицательных импульсов при разбалансе относительно среднего значения можно говорить о величине перезаряда и недозаряда горизонтальных рядов аккумуляторов.
Из второй осциллограммы видно, что при одновременном присутствии перезаряда и недозаряда по напряжению в горизонтальных рядах осуществляется выравнивание только перезаряда по току в вертикальных рядах блока 101 (БА);
На (фиг. 7) представлены осциллограммы:
разбаланса электрических параметров напряжения U и сопротивления Ri на выходе выпрямителя 301(B) при недозаряде в горизонтальных рядах блока 101 (БА) в виде отрицательных импульсов отклонения от среднего значения;
положительные импульсы выравнивания по току на выходе выпрямителя 401(B) при недозаряде в вертикальных рядах блока 101 (БА);
импульсы на выходе компаратора 405(К) управляющие ключом 406 (Кл.3);
Из первой осциллограммы видно, что по величине амплитуды отрицательных импульсов при разбалансе относительно среднего значения можно говорить о величине недозаряда горизонтальных рядов аккумуляторов.
Из второй осциллограммы видно, что при отсутствии значимых величин положительных импульсов перезаряда и наличии значимых отрицательных импульсов недозаряда по напряжению в горизонтальных рядах осуществляется только выравнивание недозаряда по току положительными импульсами в вертикальных рядах блока 101 (БА);
На (фиг. 8) представлены осциллограммы:
разбаланса электрических параметров напряжения U и сопротивления Ri на выходе выпрямителя 301(B) при перезаряде и недозаряде в горизонтальных рядах блока 101 (БА) в виде положительных и отрицательных отклонений от среднего значения за достаточно протяженный промежуток во времени;
отрицательные импульсы выравнивания по току на выходе выпрямителя 401(B) при перезаряде в вертикальных рядах блока 101 (БА), которые после выравнивания по перезаряду в горизонтальных рядах меняют знак на противоположный для выравнивания значимых импульсов недозаряда в горизонтальных рядах;
импульсы на выходе компаратора 405(К) управляющие ключом 406 (Кл.3);
Из первой осциллограммы видно, что величина амплитуды положительных импульсов при разбалансе относительно среднего значения в горизонтальных рядах по напряжению во времени снижается до величины ниже порога срабатывания установленного на компараторе, после чего устройство переходит в режим выравнивания по недозаряду.
Из второй осциллограммы видно, что при одновременном присутствии перезаряда и недозаряда по напряжению в горизонтальных рядах сначала осуществляется выравнивание только перезаряда по току в вертикальных рядах блока 101 (БА), а после уменьшения напряжения перезаряда в горизонтальных рядах ниже порога срабатывания установленного на компараторе устройство переходит в режим выравнивания недозаряда, что видно по смене знака импульсов выравнивания по току в вертикальных рядах, причем, на время перехода из одного режима выравнивания в другой наблюдается некоторая пауза в подаче импульсов компаратора.
Импульсы компаратора на (фиг. 5, 6, 7, 8) остаются положительны во всех режимах выравнивания.
В итоге выравнивание по напряжению в горизонтальных рядах и выравнивание по току в вертикальных рядах выполняют за счет:
непрерывного пассивного выравнивания через резисторы малой величины R;
непрерывного активного выравнивания по напряжению импульсами частоты f напряжения разбаланса горизонтальных рядов от общего вывода горизонтального ряда блока аккумуляторов с порядковым номером h, как при перезаряде, так и недозаряде;
активного выравнивания по току в режиме измерения в вертикальных рядах, импульсами частоты не менее чем в m раз превышающей частоту f опроса горизонтальных рядов блока аккумуляторов от регулируемого по напряжению преобразователя 408 (ДС/ДС) как при перезаряде, так и недозаряде;
выравнивания по току в режиме интенсивного активного выравнивания в вертикальных рядах, импульсами частоты не менее чем в m раз превышающей частоту f опроса горизонтальных рядов блока аккумуляторов от регулируемого по напряжению преобразователя 408 (ДС/ДС) как при перезаряде, так и недозаряде токами до нескольких ампер, обеспечивая в этом режиме основной эффект активного выравнивания.
Следует отметить, что при комплектации блока аккумуляторов 101 (БА) необходимо более тщательно отбирать аккумуляторы в n-ый горизонтальный ряд по одинаковости напряжения Е и внутреннего сопротивления Ri, поскольку они для этого ряда являются эталонными.