Сбоеустойчивый блок контроля параметров и управления состоянием литий-ионной аккумуляторной батареи

Полезная модель относится к области электротехники, а точнее, к устройствам поддержания в рабочем состоянии аккумуляторов, и может быть использована в системах электропитания космических аппаратов.
Известно устройство контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареей (патент РФ №142225, Бюл. №17, опубл. 20.06.2014), включающее в себя модульные блоки контроля и управления, каждый из которых обслуживает группу из двух и более аккумуляторов, осуществляет их балансировку, при этом при возникновении аварийной ситуации происходит замыкание сигнального аварийного ключа. Недостатком данного устройства является отсутствие резервирования, кроме того данное устройство не обеспечивает управление зарядом аккумуляторов.
Известно устройство контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареей (патент РФ №130455, Бюл. №20, опубл. 20.07.2013), включающий в себя модульные блоки контроля и управления, каждый из которых обслуживает группу их двух и более аккумуляторов, осуществляет их балансировку, включающий также модули заряда аккумуляторов батареи. Недостатком данного устройства является отсутствие резервирования, что снижает его надежность.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является блок электроники, в котором резервирование осуществляется по трехканальной схеме (патент РФ №83657, Бюл. №16, опубл. 10.06.2009).
Данный блок электроники состоит из датчика тока аккумуляторной батареи, модуля управления и обработки информации, имеющем в своем составе электрически связанные трехканальные устройства контроля, устройства управления и два модуля обмена, причем устройства контроля связаны своими входами с цепями контроля напряжения каждого аккумулятора, датчиками температуры аккумуляторной батареи и упомянутым датчиком тока. Кроме того, блок электроники содержит устройство управления байпасными переключателями для исключения отказавших аккумуляторов из цепи последовательно соединенных аккумуляторов батареи, устройство коммутации балансировочных резисторов, входящих в состав аккумуляторной батареи и предназначенных для выравнивания напряжений на аккумуляторах, устройство управления зарядом/разрядом, устройство приема релейных команд.
Основными недостатками данного блока является большое энергопотребление и значительные массогабаритные характеристики. Это связано с тем, что устройства блока электроники резервированы по трехканальной схеме с мажоритированием и работают одновременно.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение массогабаритных характеристик, снижение потребляемой мощности и расширение функциональных возможностей.
Поставленная цель достигается за счет построения устройства контроля и устройства управления по двухканальной схеме, с введением функций диагностики отказов, а также модульной конструкции.
Функционирование предлагаемой полезной модели поясняется структурной схемой, приведенной на фиг. 1 и фиг. 2.
Сбоеустойчивый блок контроля параметров и управления состоянием литий-ионной аккумуляторной батареи из N последовательно соединенных аккумуляторов, содержащий модули 1 балансировки напряжения N аккумуляторов и модули 2 управления N байпасными переключателями, выходы которых подключены, соответственно, к схемам балансировки и байпасных переключателей N аккумуляторов, двухкратно резервированные модули 3 контроля параметров N аккумуляторов, соответствующие входы которых подключены к датчикам тока, температуры и схемам контроля напряжения аккумуляторов, двухкратно резервированный модуль 4 управления, выход которого подключен к двунаправленной шине внешнего 5 интерфейса, модуль 6 управления зарядом/разрядом N аккумуляторов, подключенного к внешним схемам заряда/разряда аккумуляторов батареи, модуль 7 приема релейных команд, соединенного с внешним устройством формирования релейных команд, дополнительно введен трехкратно резервированный модуль 8 аппаратной логики, каждый подмодуль которого подключен к шине внутреннего интерфейса 9, к выходу модуля 7 приема релейных команд, входу модуля 6 управления зарядом/разрядом N аккумуляторов и входам подмодулей управления модуля 4 управления, к шине внутреннего интерфейса 9 подключены выходы модулей 3 контроля параметров N аккумуляторов, входы модулей 1 балансировки напряжения N аккумуляторов, модулей 2 управления байпасными переключателями N аккумуляторов. Причем двухкратно резервированный модуль 3 контроля параметров аккумулятора содержит два подмодуля 10 и 11 контроля параметров аккумулятора, двунаправленные выходы которых объединены и подключены к шине 9 внутреннего интерфейса, каждый подмодуль 10, 11 контроля параметров аккумулятора содержит мультиплексор 12, первый, второй, третий входы которого подключены, соответственно, к датчикам тока, температуры и схемам контроля напряжения аккумулятора, а четвертый и пятый входы - к выходам источников опорного напряжения (ИОН) 13 и контрольного ИОН 14, выход мультиплексора 12 соединен со входами аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15, выход которого подключен к входу схемы последовательного интерфейса 16, однонаправленный выход которой подключен к шестому входу мультиплексора 12, а двунаправленный выход является выходом подмодулей 10 и 11 контроля параметров аккумулятора.
Блок электроники работает следующим образом.
Модуль аппаратной логики 8 через шину внутреннего интерфейса 9 и схему последовательного интерфейса 16 осуществляет настройку мультиплексора 12 для подключения источника опорного напряжения 13 ко входу АЦП 15 и осуществляет калибровку АЦП 15. Управление каждым подмодулем контроля параметров аккумулятора 3 осуществляет один из подмодулей аппаратной логики, остальные подмодули аппаратной логики принимают данные в пассивном режиме. После калибровки всех измерительных каналов осуществляется поочередная настройка мультиплексора 12 на подключение аналоговых сигналов напряжения аккумуляторов, датчиков тока, датчиков температуры и контрольного ИОН 14 ко входу АЦП 15. После преобразования аналоговых сигналов с датчиков кодовая информация о токе аккумулятора, напряжении на аккумуляторе, сопротивлениях термодатчиков, напряжении контрольного ИОН через схему последовательного интерфейса 16 и шину внутреннего интерфейса 9 непрерывно поступает в модуль аппаратной логики 8, а через него в модуль управления 4 и далее передается по запросу через шину внешнего интерфейса 5. Модуль управления 4, а при его неработоспособности модуль аппаратной логики 8 анализирует полученные данные на достоверность. Для этого полученное значение напряжения контрольного ИОН сравнивается с заданным. Если полученные параметры имеют достоверный характер, то по заданному алгоритму осуществляется формирование команды управления зарядом/разрядом аккумуляторов батареи в модуль управления зарядом/разрядом аккумуляторов батареи 6.
При отклонении измеренной величины напряжения контрольного ИОН 14 за допустимые пределы производится повторная калибровка АЦП 15. При отклонении вновь измеренной величины напряжения контрольного ИОН от предельного значения происходит задействование резервного подмодуля контроля параметров аккумулятора 3. Данный алгоритм позволяет минимизировать количество циклов калибровки АЦП 15 и тем самым снизить погрешность, возникающую вследствие деградации источника опорного напряжения 13.
Модуль аппаратной логики 8 контролирует исправность работы модуля управления 4 при помощи сторожевого таймера. При обнаружении отказа происходит переключение подмодуля управления. Для обеспечения бесперебойного контроля за состоянием аккумуляторной батареи, во время процесса переключения подмодулей управления, модуль аппаратной логики анализирует передаваемые из модуля контроля параметров аккумулятора 3 данные о состоянии аккумулятора и может сформировать сигналы управления самостоятельно.
Команды на управление байпасными переключателями и балансировочными резисторами поступают через шину внутреннего интерфейса 9 из модуля управления 4. При этом каждая команда в модуль управления байпасными переключателями 2 поступает три раза, что обеспечивает защиту от выдачи ложной команды. Аналогичным образом осуществляется управление модулем балансировки напряжений аккумуляторов 1.
Предложенное техническое решение блока электроники позволяет улучшить массогабаритные характеристики, примерно в 1,2 раза, снизить энергопотребление в 1,5 раза по сравнению с прототипом за счет уменьшения количества элементов с одновременным увеличением надежности. Кроме того, введение модуля аппаратной логики 8 исключает выдачу неверных сигналов управления зарядом/разрядом батареи из-за ошибок в программном обеспечении или сбоев в работе модуля управления 4.
Введение единой шины внутреннего интерфейса 9 позволяет обеспечить модульное построение блока контроля параметров и управления состоянием литий-ионной аккумуляторной батареи. Каждый модуль 3 контроля параметров аккумуляторов, модуль 1 балансировки напряжения аккумуляторов и модуль 2 управления байпасными переключателями аккумуляторов обслуживает один или несколько (благодаря наличию мультиплексора 12) последовательно соединенных аккумуляторов батареи. Таким образом, для обслуживания батареи с количеством аккумуляторов N необходимо использовать N/k однотипных модулей, где k - количество аккумуляторов, обслуживаемых одним модулем, что позволяет использовать типовые модули для контроля параметров батарей с различным количеством аккумуляторов без изменения их конструкции и значительно сокращает сроки разработки и внедрения.