СПОСОБ ЗАРЯДКИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ИЗ N ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ С ПОДКЛЮЧЕННЫМИ К НИМ ЧЕРЕЗ КОММУТАТОРЫ БАЛАНСИРОВОЧНЫМИ РЕЗИСТОРАМИ
METHOD OF CHARGING LITHIUM-ION ACCUMULATOR BATTERIES FROM N SERIES-CONNECTED BATTERIES WITH BALANCING RESISTORS CONNECTED TO THEM THROUGH SWITCHES

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей, преимущественно, в автономных системах электропитания мобильных систем.
Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их заряда, заключающиеся в контроле напряжения аккумуляторов и ограничении заряда по максимальной величине напряжения аккумуляторов и описанные в книге А.А. Таганова, Ю.И. Бубнова, С.Б. Орлова «Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации». Санкт-Петербург: Химиздат, 2005 г., глава 5, 7, а также в патенте Виссемборски Рюдигер (DE), Бюлер Гуннар (DE), Маркманн Йоахим (DE), Кюммет Давид (DE) «ОРТОФОСФАТ ЖЕЛЕЗА(III) ДЛЯ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ» (2C 5849742 UR).
Недостатком описанных способов является то, что они не решают вопроса повышения эффективности использования многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи при длительной ее эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением является способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов и отключении заряда по достижении напряжением любого из аккумуляторов заданного максимального значения, отличающийся тем, что при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением, а к остальным аккумуляторам подключают балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора и пропорциональное величине его разбаланса по напряжению относительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением (Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторам, RU 2479894 С2, разработки авторов Коротких Виктор Владимирович (RU), Нестеришин Михаил Владленович (RU), Опенько Сергей Иванович (RU), патентообладателя: Открытое акционерное общество «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетнёва» (RU)).
i
i
min
i
min
i
Данный способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи заключается в том, что время t подключения резистора к каждому аккумулятору рассчитывают исходя из соотношения t=(1-U/U)*k*R, где U - наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, B; U - напряжение i-го аккумулятора из числа оставшихся, В; k - коэффициент пересчета разницы напряжений аккумуляторов в емкость разбаланса, А*ч/В; R - сопротивление балансировочных резисторов, Ом.
Этот способ принят за прототип заявляемого изобретения.
Недостатком известного способа заряда литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что проведение балансировки аккумуляторов по предложенному алгоритму при эксплуатации тяговых литий-железо-фосфатных аккумуляторных ячеек повлечет за собой значительные потери энергии и неэффективное использование временных ресурсов, вследствие продолжительной стадии балансировки.
Техническая проблема заявляемого изобретения заключается в необходимости повышения эффективности использования и упрощения эксплуатации тяговой литий-ионной аккумуляторной батареи.
Поставленная проблема решается тем, что при проведении заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через ключи балансировочными резисторами, с контролем напряжения аккумуляторов и ограничением заряда по достижению напряжения любой из ячеек аккумуляторной заданного максимального значения, при включении балансировки выбирают аккумуляторы с текущим напряжением, превышающим минимальное напряжение среди аккумуляторов на задаваемую уставку. К этим аккумуляторам подключают балансировочные резисторы до тех пор, пока их напряжение не окажется в задаваемом диапазоне, т.е. будет удовлетворять условию:
i
min
U≤U+∂,
min
i
где U - наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, B; U - напряжение i-го аккумулятора, В; ∂ - задаваемая уставка, В.
Действительно, вследствие различия внутренних свойств отдельных аккумуляторов при эксплуатации многоэлементной последовательно соединенной аккумуляторной батареи некоторые ячейки будут заряжаться быстрее, достигая критического максимального напряжения, в то время как несколько аккумуляторов значительно не достигнут заряженного состояния. При разряде на этих нескольких элементах критическое минимальное напряжение достигается быстрее, в то время как напряжение на остальных ячейках накопителя будет далеко от критического минимального напряжения. Это приведет к недоиспользованию ресурсов аккумулятора. Задачей является уменьшение разницы между максимальным и минимальным напряжением среди всех последовательно соединенных аккумуляторных ячеек по окончании заряда.
Для реализации этой проблемы в процессе заряда многоэлементной аккумуляторной батареи по достижении какой-либо аккумуляторной ячейки максимального критического напряжения необходимо запускать стадию балансировки ячеек. Стадия балансировки представляет собой подключение балластного сопротивления к ячейкам, напряжение на которых превышает минимальное напряжение среди ячеек на задаваемый диапазон. Процесс балансировки прекращается после того, как буду отсутствовать ячейки с напряжением, превышающим минимальное напряжение среди ячеек на задаваемый диапазон. В этом случае запускается стадия зарядки. Процесс заряда батареи продолжается до тех пор, пока по завершении стадии заряда стадия балансировки не запустится, вследствие отсутствия ячеек с напряжением, превышающим минимальное напряжение среди ячеек на заданный диапазон.
Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена упрощенная функциональная схема, поясняющая работу по предлагаемому способу.
Для реализации заявляемого способа предложено устройство, содержащее аккумуляторную батарею 1, модуль балансировки 2, устройство контроля 3, зарядное устройство 4, датчик тока 5, силовой контактор 6.
При этом, аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных ячеек, к которым посредством ключей 2-2 подключаются балластные резисторы 2-1.
Параллельно аккумуляторной батарее подключено устройство контроля 3 и зарядное устройство 4. В цепи заряда аккумуляторной батареи установлен датчик тока 5 и силовой контактор 6.
Устройство контроля собирает информацию о напряжениях на ячейках аккумуляторной батареи 1, величине тока, протекающего через датчик тока 5. Устройство контроля осуществляет управление подключением балластных резисторов 2-1 к ячейкам аккумуляторной батареи 1 по средствам ключей 2-2, подключением зарядного устройства 4 к аккумуляторной батареи 1 посредством силового контактора 6.
Способ осуществляют следующим образом. В процессе заряда аккумуляторной батареи 1 устройство контроля 3 замыкает силовой контактор 6, получает информацию о состоянии параметров заряда от зарядного устройства 4 и датчика тока 5, осуществляет контроль напряжений на ячейках аккумуляторной батареи 1. По достижении одной из ячеек заданного напряжения устройство контроля 3 отключает зарядное устройство 4 от аккумуляторной батареи 1 посредством силового контактора 6 и подключает балластные резисторы 2-1 через соответствующие ключи 2-2 к ячейкам, напряжение на которых превышает минимальное напряжение среди всех ячеек на заданный диапазон. По завершении стадии балансировки устройство контроля 3 подключает зарядное устройство 4 к аккумуляторной батарее 1 посредством силового контактора 6. Количество аккумуляторов с подключенными балансировочными резисторами определяют в соответствии с уровнем их напряжений, превышающим значение суммы напряжения аккумулятора с наименьшим текущим напряжением и задаваемым диапазоном, который определяет продолжительность последующего разряда выбранных аккумуляторов до момента совпадения этого уровня с текущим напряжением аккумуляторов, когда происходит отключение балансировочного резистора, при этом цикл балансировки завершают отключением последнего из включенных балансировочных резисторов. Количество циклов балансировки определяют моментом, когда при очередном отключении заряда по достижении напряжений любого из них заданного максимального значения не происходит ни одного подключения балансировочного резистора.
Пример практической реализации с решением проблемы.
Предложенный способ зарядки многоэлементного литий-ионного аккумулятора с процессом балансировки был применен для зарядки накопителя энергии электротранспортного средства напряжением 48 В и емкостью 300 Ач, состоящего из 15 аккумуляторных ячеек. Применение разработки свидетельствует об улучшении эксплуатационных характеристик накопителя в среднем на 8-10%.