Модуль интеллектульального управления сборками суперконденсаторов 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 компенсаторов пусковых токов, вторичных вспомогательных источников пусковых токов, а также аккумулирующих источников вторичного электропитания на базе суперконденсаторов и 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. 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 2,7 В), 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.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, и выбранным в качестве прототипа 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.
Задачей полезной модели является разработка новой схемотехники модуля управления аккумулирующим устройством на базе сборки СК с достижением технического результата — максимально полным использованием располагаемой энергоемкости СК.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый «Модуль интеллектуального управления сборками суперконденсаторов для повышения их энергоэффективности» включает в себя микроконтроллер для общего управления, измерители напряжения заряда сборки СК и тока нагрузки, систему активной дифференциальной балансировки СК и широтно-импульсные модуляторы (далее ШИМ) — преобразователи на входе и выходе модуля, управляемые микроконтроллером.
Существенными признаками заявляемого устройства, совпадающими с прототипами, являются следующие признаки: — наличие схем балансировки СК; — наличие силового ключа на металл-оксид-полупроводниковом (далее МОП) транзисторе, наличие микроконтроллера.
Отличительными от прототипа существенными признаками заявляемого устройства являются следующие:
— устройство для балансировки СК с помощью управляемого микроконтроллером коммутатора на МОП либо на биполярных транзисторах с изолированным затвором (далее БТИЗ транзисторах), позволяющего избирательно заряжать наименее заряженные суперконденсаторы 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 управление зарядом и разрядом сборки СК, 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 от первичного источника берется строго необходимое количество энергии и направляется на наименее заряженные суперконденсаторы сборки вплоть до достижения всеми суперконденсаторами 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, 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, возможностью заряда большими или меньшими по отношению к номиналу токами и напряжениями. 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 системах распределенной энергетики, компенсаторах пускового тока, вторичных источниках пусковых токов, накопителях электроэнергии для систем рекуперации и в составе гибридных батарей совместно с химическими аккумуляторами электроэнергии.
Раскрытие полезной модели.
В основу полезной модели положена задача создания устройства для управления процессами заряда и разряда сборки последовательно соединенных СК для достижения оптимальных параметров заряда/разряда, энергоэффективности 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.
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 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 двух входных (1, 2) и одного выходного (3) ШИМ-преобразователей, байпасного ключа (4), измерителей тока нагрузки (5) и напряжений в ключевых точках с мультиплексорным входом (6), балансировочных коммутаторов (7) — по одному на каждый СК (8), и микроконтроллера (9), управляющего всей работой устройства. СК (8) соединены последовательно в сборку через коммутирующие транзисторы, входящие в узел балансировочного коммутатора. 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 (3) 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 байпасным ключом (4) для работы на высокотоковую нагрузку. Дифференциальная балансировка СК осуществляется с помощью коммутатора (7), выполненного на транзисторах МОП и/или БТИЗ, управляемого непосредственно микроконтроллером (9), осуществляющего перераспределение питания либо нагрузки между СК в сборке в соответствии со значением уровня фактического заряда СК, 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 с ко всем ключевым точкам модуля. Узел измеряющего напряжение АЦП и мультиплексора обозначен на схеме цифрой (6). Таким образом происходит перераспределение токов зарядки в пользу наименее заряженных СК в сборке вплоть до достижения напряжения на всех СК номинального (проектного) значения, что означает, что располагаемая энергоемкость СК использована максимально — все СК заряжены на 100 %. При этом общее напряжение на сборке, равное сумме всех напряжений на СК в сборке, также достигает проектного значения, о чем измеритель напряжения (6) информирует микроконтроллер (9), а последний осуществляет перевод входного силового преобразователя (2) в режим ожидания (энергосберегающий режим, преобразователь осуществляет только подзарядку сборки СК 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, обеспечивая таким образом их равномерный разряд на нагрузку и достигая при этом максимально возможного использования накопленной в СК энергии. Измеритель тока нагрузки (5) предназначен для формирования сигнала обратной связи в схему управления выходного преобразователя (3) и при выборе алгоритма работы на особо тяжелую нагрузку (например, запуск ДВС автомобиля с помощью электростартера) исключается вместе с выходным преобразователем (3) из цепи, соединяющей сборку СК с нагрузкой, методом шунтирования байпасным ключом (4).