Модуль интеллектуального управления гибридными накопителями электроэнергии, состоящими из суперконденсаторов и аккумуляторов, для повышения их энергоэффективности

Область техники, к которой относится полезная модель
.
Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам управления накопителями электрической энергии, и может быть использована при создании накопителей электрической энергии для рекуперативных приводов в электротранспорте и подъемном оборудовании, компенсаторов пусковых токов, вторичных вспомогательных источников пусковых токов, а так же аккумулирующих гибридных источников вторичного электропитания с совместным использованием суперконденсаторов и химических аккумуляторов.
Уровень техники
Суперконденсаторы (далее по тексту - СК) находят все более широкое применение в промышленности. Благодаря специфическим особенностям конструкции СК имеют емкость, многократно превышающую емкость обычных электролитических конденсаторов, и занимают нишу между ними и химическими аккумуляторами тока, аккумуляторными батареями (далее по тексту - АКБ). Но, по сравнению с последними, СК не имеют ограничений по температуре эксплуатации, количеству циклов заряд/разряд и величине тока заряда/разряда, т. е. способны очень быстро принимать и высвобождать энергию. Основные преимущества СК заключаются в большой энергоемкости при малых габаритах (плотности энергии) и малом значении эквивалентного последовательного сопротивления. Благодаря этим особенностям СК находят широкое применение в высокоинерциальных нагрузках, рекуперативных системах, приложениях с длительной регенерацией. Вместе с тем, у них есть и недостатки. Наиболее существенные - это невысокие рабочие напряжения (как правило, не более 2,7В), значительный разброс параметров даже у образцов одной партии, высокий (сравнимый с коротким замыканием) начальный ток заряда разряженного СК. Большинство решений в области управления устройствами на основе СК призвано компенсировать эти недостатки.
Близким по технической сущности и достигаемому результату является «Модуль управления аккумулирующим устройством на базе суперконденсаторов, включающий устройство сравнения» - патент на полезную модель RU 151747. В устройстве используются преимущественно дискретные элементы и простейшие интегральные схемы для решения, в основном, задачи зарядки суперконденсаторов (СК) от солнечных батарей. Недостатком этого устройства является узкая специализация - схемотехническое решение, реализованное в нем, позволяет использовать сборку СК практически исключительно как устройство накопления электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями и поставляемой к устройству специализированным контроллером. Кроме того, недостатками прототипа является отсутствие стабилизатора тока в цепи зарядки СК и реализация устройства на интегральных микросхемах низкой интеграции и дискретных элементах, что делает невозможным программное изменение настроек устройства и увеличивает стоимость промышленного изготовления устройства по сравнению с архитектурой, построенной на современных микроконтроллерах.
Также имеется разработка «БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ» RU 2404490, в которой используются программируемые микроконтроллеры для управления процессом заряда батареей. Однако, она предназначена для аккумуляторов - в ней микроконтроллеры управляют только процессом шунтирования отдельных ячеек - литий - ионных аккумуляторов. Система управления такой батареей не решает проблемы, специфической для суперконденсаторов - очень высокий ток заряда в начале процесса заряда и сильное падение напряжения в конце процесса разряда. Наконец, наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является «Модуль интеллектуального управления сборками суперконденсаторов для повышения их энергоэффективности» RU 197791. Однако функционал прототипа ограничен задачей исключительно управления сборками суперконденсаторов.
Задачей полезной модели является разработка новой схемотехники модуля управления аккумулирующим устройством на базе сборки СК и АКБ с достижением технического результата - максимально полным использованием располагаемой энергоемкости СК в каждом цикле рекуперации при одновременной работе с АКБ, что позволяет максимально бережно расходовать циклический ресурс АКБ.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый «Модуль интеллектуального управления сборками суперконденсаторов и аккумуляторов для повышения их энергоэффективности» включает в себя микроконтроллер для общего управления, измерители напряжения заряда сборки СК и АКБ и тока нагрузки, систему активной дифференциальной балансировки СК и АКБ и преобразователи, использующие широтно-импульсную модуляцию (далее ШИМ)  на входе и выходе модуля, управляемые микроконтроллером.
Существенными признаками заявляемого устройства, совпадающими с прототипами, являются следующие признаки: - наличие схем балансировки СК и АКБ; наличие силового ключа на металл-оксид-полупроводниковом (далее МОП)-транзисторе, наличие микроконтроллера.
Отличительными от прототипа существенными признаками заявляемого устройства являются следующие:
- устройство для дифференциального перенаправления энергии заряда-разряда между сборками СК и АКБ, управляемое микроконтроллером, обеспечивающее постоянное нахождение сборки СК в состоянии готовности как принять импульс энергии торможения с последующей выгрузкой накопленной энергии в сборку АКБ, так и выдать в нагрузку импульс энергии разгона с последующим восполнением потраченной энергии из сборки АКБ;
- устройство для балансировки ячеек СК и АКБ с помощью управляемого микроконтроллером коммутатора на МОП либо на биполярных транзисторах с изолированным затвором (далее БТИЗ транзисторах), позволяющего избирательно заряжать наименее заряженные суперконденсаторы и аккумуляторы  сборки и не заряжать наиболее заряженные из них;
- наличие на входе модуля управляемого микроконтроллером стабилизатора напряжения зарядки и стабилизатора зарядного тока;
- наличие на выходе модуля стабилизатора напряжения и тока нагрузки, управляемого микроконтроллером;
- наличие на выходе модуля байпасного ключа, управляемого микроконтроллером, для подключения высокотоковых нагрузок в обход стабилизатора выходного напряжения.
Между существенными признаками полезной модели заявляемого модуля и техническим результатом, который достигается, наличествует причинно-следственная связь, описанная в раскрытии и осуществлении полезной модели.
Новым в заявляемом устройстве является подсистема централизованного объединенного управления зарядом и разрядом сборки СК и АКБ, реализованная на коммутаторах, управляемых микроконтроллером, соотносящим управляющие воздействия с параметрами на входе и выходе модуля и одновременно управляющим входными и выходными преобразователями модуля. Устройство управления, получающее в реальном времени точные значения входных и выходных параметров модуля и напряжений на каждом из суперконденсаторов сборки преобразует их в управляющие воздействия на коммутатор на МОП либо БТИЗ транзисторах и входной и выходной преобразователи таким образом, что в процессе заряда суперконденсаторов и аккумуляторов от первичного источника берется строго необходимое количество энергии и направляется на наименее заряженные суперконденсаторы и/или аккумуляторы сборки вплоть до достижения всеми суперконденсаторами в сборке и всеми аккумуляторами в сборке одинакового напряжения, являющегося признаком окончания балансировки и достижения максимально возможного уровня заряда, а в процессе разряда - подачи строго необходимого количества энергии к выходному преобразователю, при этом в случае разбалансировки сборки при разряде, вызванной технологическим разбросом параметров суперконденсаторов и/или аккумуляторов, в первую очередь энергия снимается с наиболее заряженных. Управление входным и выходным преобразователями модуля и коммутатором сборки СК осуществляется ШИМ, при этом импульсы управления формируются непосредственно микроконтроллером, который, используя результаты измерений параметров в реальном времени, управляет коэффициентом заполнения и таким образом позволяет осуществлять все необходимые преобразования практически без тепловых потерь.
Все это позволяет решить задачу, поставленную в данной полезной модели, с достижением технического результата - максимально полным использованием располагаемой энергоемкости СК и АКБ, возможностью заряда большими или меньшими по отношению к номиналу токами и напряжениями и задачу максимально бережного расходования циклического ресурса АКБ за счет переноса кратковременных, но значительных по величине импульсов принимаемой и отдаваемой энергии на суперконденсаторы, имеющие практически неограниченный циклический ресурс. Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по научно-техническим и патентным источниками информации, с выявлением источников, содержащих информацию об аналогах технического решения, которое заявляется, позволяет установить, что заявителем не обнаружены полные аналоги, которые характеризуются всей совокупностью признаков, идентичной всем существенным признакам заявленного устройства, указанным в формуле полезной модели. Поэтому можно утверждать, что заявляемая полезная модель соответствует условию патентоспособности по критерию «новизна».
Кроме того, данная полезная модель промышленно применима, так как заявляемое техническое решение позволяет использовать его при разработке и изготовлении источников вторичного электропитания - в накопителях электроэнергии для систем рекуперации, в системах распределенной энергетики, во вторичных источниках пусковых токов.
Раскрытие полезной модели
В основу полезной модели положена задача создания устройства для управления процессами заряда и разряда сборки последовательно соединенных СК и АКБ для достижения оптимальных параметров заряда/разряда, энергоэффективности, максимально возможного  перераспределения кратковременных высокоэнергетических импульсов заряда и разряда с аккумуляторов в сторону суперконденсаторов и построения модульной архитектуры для простого наращивания рабочих токов и/или напряжений методом объединения нескольких модулей в одну схему. Техническим результатом настоящей полезной модели является максимально полное использованием располагаемой энергоемкости СК и максимально бережное расходование циклического ресурса АКБ.
Указанный технический результат достигается тем, что:
- общее управление устройством осуществляется микроконтроллером на основании измерений основных электрических параметров в процессе работы и выработки им управляющих воздействий (регулировании коэффициента заполнения ШИМ-регулирования);
- в качестве силовых элементов устройства используются элементы, выполненные по технологии МОП (металл-оксид-полупроводник, в зарубежных источниках - MOSFET) и/или БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором, в зарубежных источниках - IGBT), для стабилизации и установки требуемых уровней напряжения и тока использованы принципы широтно-импульсной модуляции (ШИМ); - с помощью управляемой дифференциальной балансировки СК и АКБ внутри сборки по напряжениям достигается максимально возможное количество запасаемой сборкой энергии; - при соединении нескольких модулей в последовательную, параллельную либо комбинированную схему для увеличения тока и/или напряжения нагрузки функции интеллектуального управления наследуются от исходного (первого) модуля автоматически, с внесением поправок на изменившиеся параметры нагрузки.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана упрощенная блок-схема устройства.
Осуществление полезной модели
Модуль, упрощенная блок-схема которого изображена на Фиг. 1, функционально состоит из одного вспомогательного (1), двух входных (3) и одного выходного (2) ШИМ-преобразователей, силовых коммутационных ключей (4), измерителей тока нагрузки (5) и напряжения (6, 6’), балансировочных схем (7) - по одной на каждый СК (8) и АКБ (12), микроконтроллеров (9,10), управляющих работой устройства, и интерфейса CAN/RS485 Накопитель энергии состоит из сборки суперконденсаторов (8) и сборки аккумуляторов (12). соединенных последовательно через коммутирующие транзисторы, входящие в узел балансировочного коммутатора. Сборка СК и сборка АКБ соединяются параллельно через силовой ключ (4) при разряде АКБ на сборку СК или нагрузку и через входной ШИМ-преобразователь (3) при заряде АКБ от принимаемой энергии рекуперации, при разгрузке ранее заряженных СК или от внешнего источника. Управление напряжениями и токами во всех преобразователях осуществляется изменением коэффициента заполнения, осуществляемым при формировании микроконтроллером управляющего импульса, подаваемого на затвор силовых транзисторов ШИМ-регуляторов. Для снижения потерь КПД все силовые элементы всех преобразователей выполнены по технологиям МОП и/или БТИЗ. Выходной ШИМ преобразователь (2) также управляется микроконтроллером (9) и осуществляет стабилизацию выходного напряжения при снижении напряжения вследствие разряда СК или/и стабилизацию тока в нагрузке, а также может быть отключен микроконтроллером (9) и зашунтирован силовым ключом (4) для работы на высокотоковую нагрузку. Дифференциальная балансировка СК и АКБ осуществляется с помощью коммутаторов (7), выполненных на транзисторах МОП и/или БТИЗ, управляемых непосредственно микроконтроллером (9), осуществляющим перераспределение питания либо нагрузки между СК в сборке и АКБ в сборке в соответствии со значением уровня фактического заряда СК и АКБ, возможностями источника и потребностями нагрузки. Информацию об этих параметрах микроконтроллер получает в результате измерения напряжения и оцифровки его значения с помощью АЦП, подключающегося мультиплексором поочередно ко всем ключевым точкам модуля. Узлы измеряющих напряжение АЦП и мультиплексоров обозначен на схеме цифрами (6’) и (6) соответственно. Таким образом происходит перераспределение токов зарядки в пользу наименее заряженных СК и АКБ в сборке вплоть до достижения напряжения на всех СК и АКБ номинального (проектного) значения, что означает, что располагаемая энергоемкость СК и АКБ заполнена максимально - все СК и все АКБ заряжены на 100 %. При этом общее напряжение на сборках, равное сумме всех напряжений на СК либо АКБ в сборке, также достигает проектного значения, о чем измеритель напряжения (6) информирует микроконтроллер (9), а последний осуществляет перевод входных силовых преобразователей (3) в режим ожидания (энергосберегающий режим, преобразователь осуществляет только подзарядку сборок СК и АКБ для компенсации потерь, вызванных нормальными токами утечки) и формирование сигнала «готов к включению нагрузки» (логической «1»). При ручном управлении нагрузкой этот сигнал может быть использован для включения индикатора готовности (например, светодиода), информирующим оператора о наступлении возможности запуска оборудования нагрузки, а при автоматическом - подан в соответствующие цепи устройства управления нагрузкой. При разряде на нагрузку балансировочная схема работает в обратную сторону, подавая в выходной преобразователь в первую очередь напряжение с наиболее заряженных СК и АКБ, обеспечивая таким образом их равномерный разряд на нагрузку и достигая при этом максимально возможного использования накопленной в СК и АКБ энергии. Измерители тока нагрузки (5) предназначены для формирования сигнала обратной связи в схему управления выходного преобразователя (2) и при выборе алгоритма работы на особо тяжелую нагрузку (например, запуск ДВС автомобиля с помощью электростартера либо пусковой ток электродвигателя подъемного механизма, пусковой ток электродвигателя привода транспортного средства) исключается вместе с выходным преобразователем (2) из цепи, соединяющей сборку СК с нагрузкой, методом шунтирования силовым ключом (4).