УСТРОЙСТВО ДЛЯ БАЛАНСИРОВАНИЯ ЗАРЯДОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ ЯЧЕЕК АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Полезная модель относится к устройствам для заряда аккумуляторных батарей, и более точно, к устройствам для заряда аккумуляторной батареи, состоящей из множества ячеек, соединенных последовательно, и для выравнивания зарядов этих ячеек. Полезная модель может найти применение в автономных системах электроснабжения, преимущественно, космических аппаратов.
Оптимизация электрической зарядки батарей, содержащих несколько аккумуляторов, представляет собой сложную проблему, в частности, когда число последовательно соединенных элементов или аккумуляторов является достаточно большим. В случае литий-ионных или литий-полимерных батарей к этим проблемам оптимизации зарядки различных элементов или аккумуляторов добавляется опасность необратимого разрушения указанных элементов или аккумуляторов в случае перегрузки, в частности, при перегреве или при чрезмерном напряжении.
Неравномерный заряд является очень серьезной проблемой для батарей, состоящих из нескольких последовательно соединенных ячеек. Известны множество устройств предназначенных для оптимизации полезной емкости аккумуляторной батареи путем балансирования или выравнивания зарядов отдельных ячеек батареи в конце зарядного цикла. Большинство таких выравнивающих схем состоят из конвертора, содержащего высокочастотный трансформатор с несколькими вторичными обмотками и выпрямителями. Обычно они имеют одну первичную обмотку и вторичные обмотки выпрямителями для каждой ячейки, но возможны и другие комбинации Конвертор управляется в режиме ШИМ, и топология схемы такова, что ячейки аккумуляторной батареи через «свои» вторичные обмотки соединяются параллельно с конвертором. В результате, ячейки с пониженным напряжением будут потреблять больший ток и, таким образом, получать дополнительный заряд, увеличивая свое напряжение. Такие выравнивающие схемы достаточно просты, и испытания показывают, что они обеспечивают достаточно хорошую эффективность (например, патентная заявка Японии №8214454, патент США №5,594,320).
Известно также зарядное устройство с функцией выравнивания заряда, описанное в патенте США №5659237. Схема выравнивания включает в себя простой изолированный преобразователь dc/dc, а также конвертор dc/ac, соединенный с первичной обмоткой многообмоточного трансформатора. Вторичные обмотки этого трансформатора соединены с ячейками батареи. Сигналы, которые появляются на вторичных обмотках являются полуволнами, выпрямляемыми диодами, соединенными последовательно с обмоткам. Это приводит к появлению однонаправленного тока через ячейки. Цель преобразователя dc/dc - направить заряд от источника к наименее заряженной ячейке в батарее, в то же время, передавая меньший заряд к более полно заряженным ячейкам. Любая топология преобразователя может продуцировать напряжение на первичной обмотке многообмоточного трансформатора. Выбор топологии будет влиять на простоту выравнивающей схемы и выполнение управляющей системы.
Недостатком схемы является отсутствие регулирования зарядного тока. Такая выравнивающая схема требует устройства, способного к предотвращению условий перезаряда, в результате чего все устройство становится сложным и дорогостоящим в производстве.
AB
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для питания нагрузки постоянным током по а.с. РФ №1365243, в котором выравнивающая схема содержит инвертор с выходным трансформатором с N+1 выходными обмотками, соединенными через диоды с соответствующими N ячейками, в котором инвертор выполнен неуправляемым и включен непосредственно на клеммы батареи, диоды включены согласно последовательно, аноды и катоды их через выходные обмотки трансформатора инвертора соединены соответственно с отрицательными и положительными выводами соответствующих ячеек, а полярности выходных обмоток трансформатора, попарно подключенных к каждой ячейке, взаимно противоположны. Как только напряжение какой-либо ячейки уменьшается, в его зарядной цепи, образованной диодом и двумя обмотками, появляется уравнительный зарядный ток, определяемый отклонением напряжения i-той ячейки от среднего значения напряжения ячеек U/N. Для того, чтобы автоматически прекращался заряд ячеек и исключалось автоколебательное перераспределение энергии между ячейками с четными и нечетными номерами, коэффициент трансформации трансформатора выбирается из соотношения
.
Это гарантирует отсутствие токов в диодах во всем диапазоне изменения напряжения ячейки Ua от Uамин до Ua макс при отсутствии разбаланса между ячейкми батареи.
Недостатком устройства является то, что ячейки заряжаются до среднего напряжения, которое может отличаться от целевого необходимого напряжения, а также невозможность регулирования зарядного тока.
Целью заявляемой полезной модели является создание простого и недорогого выравнивающего устройства последовательно соединенных ячеек аккумуляторной батареи с повышением точности выравнивания зарядов со снижением риска повреждения ячеек за счет возможности регулирования зарядного тока.
Для решения поставленной задачи, устройство для балансирования последовательно соединенных ячеек аккумуляторной батареи, также как и прототип, содержит инвертор с выходным трансформатором с одной первичной и N вторичными обмотками, соединенными через диоды с соответствующими N ячейками.
В отличие от прототипа в устройство введена система управления с программируемым контроллером, а в диагональ переменного тока инвертора введен резонансный контур с регулируемым волновым сопротивлением ρ, при этом, каждая вторичная обмотка трансформатора соединяется с соответствующей ячейкой через управляемый ключевой элемент и выполнена в виде двух встречно-параллельно включенных ветвей, одна из которых имеет диод, включенный в прямом направлении, а другая - в обратном. Для регулирования волнового сопротивления ρ емкость резонансного контура выполнена в виде параллельного соединения нескольких ветвей, содержащих конденсатор, и ключа. При этом инвертор может быть выполнен полумостовым или мостовым.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунка, на котором представлена схема предлагаемого устройства балансирования с полумостовым инвертором и регулировкой сопротивления путем переключения параллельно соединенных конденсаторов.
1
Устройство для балансирования батарей на фиг.1 включает n ячеек аккумуляторной батареи 1-1…1-n, соединенных последовательно, и подключенных к инвертору 2 с ключевыми элементами 3 и 4, диагональ переменного тока которого нагружена на первичную обмотку 5 трансформатора 6. Вторичная обмотка этого трансформатора выполнена в виде двух встречно-параллельно включенных ветвей 7 и 8, одна из которых имеет диод 9, включенный в прямом направлении, а другая - диод 10, включенный в обратном направлении. Эти ветви соединяются параллельно с каждой ячейкой через управляемый ключевой элемент 11. Кроме того, в диагональ переменного тока инвертора включен резонансный контур 12, включающий емкостной и индуктивный элементы 13 и 14, соответственно. Емкостной элемент в этом варианте выполнен в виде набора переключаемых емкостей 13…13k для регулирования волнового сопротивления. Система управления 15 с программируемым контроллером содержит в памяти алгоритмы управления устройством выравнивания заряда. Система управления 15 используется для отслеживания процесса, который может быть закончен, когда все ячейки достигнут своего состояния полного заряда.
1
k
Устройство работает следующим образом: Контроллер, находящийся на борту, контролирует во время заряда параметры каждой ячейки 1-1n, в том числе и напряжение. Кроме напряжения, контролируются токи и другая информация о ячейках. При необходимости включается выравнивающее устройство, и замыкаются соответствующие ключи 11 ячеек с минимальным напряжением. Включается инвертор 2, который преобразует постоянное напряжение в переменное, которое приложено к первичной обмотке 5 трансформатора 6. Это переменное напряжение индуцируется во вторичные обмотки 7 и 8. Это напряжение, выпрямленное диодами 9 и 10, соответственно, вызывает однонаправленный зарядный ток, который поступает в соответствующую ячейку через диод 9 в одном полупериоде, и через диод 10 в другом полупериоде, заряжая ее. Поскольку контроллером контролируется заряд ячейки и ток, при необходимости регулирование зарядного тока происходит путем подключения соответствующих емкостей 13-13. При этом величина тока определяется по формуле:
2
, где U - напряжение источника питания, Е' - напряжение на ячейке, a ρ - волновое сопротивление' резонансного контура, равное ρ=√L/C, где L - индуктивность резонансного контура, а С - емкость резонансного контура. Меняя величину С регулируют зарядный ток ячейки. В результате повышается точность выравнивания зарядов со снижением риска повреждения ячейки неконтролируемым током.