УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА БЛОКА АККУМУЛЯТОРОВ С КОНТРОЛЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ
AUTOMATIC MONITORING OF BATTERY PACK WITH TEMPERATURE CONTROL

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, предназначенных для мониторинга и коррекции параметров аккумуляторов, включая контроль температуры каждого из аккумуляторов в блоке, установленном на транспортном средстве (ТС), например, гибридном автомобиле или электромобиле.
Из уровня техники известно устройство подзарядки аккумуляторных батарей гибридного автомобиля, установленных на ТС по патенту на изобретение (RU 2524352, МПК (2006.01): Н021М 10/48, H02J 7/2, Н02М 9/4, H02J 7/34, опубликованное 27.07.2014), содержащее источник питания, накопительную емкость, датчик тока и электронные электромеханические ключи, причем, в режиме подзарядки аккумуляторная батарея в блоке одним из электронных ключей, подключается по сигналу датчика тока к предварительно заряженному конденсатору от источника питания. Устройство обеспечивает оценку состояния заряда каждой аккумуляторной батареи и их заряда посредством источника питания.
К недостаткам известного аналога относится, в частности то, что оно не позволяет контролировать аккумуляторные батареи в блоке с общим напряжением свыше сотен вольт, поскольку мультиплексоры и полевые транзисторы, используемые в этой схеме, не выдерживают такие напряжения, а также не позволяет контролировать каждый отдельный аккумулятор в батарее.
Из уровня техники известно также устройство балансировки заряда с конденсаторным распределителем, описанное в книге
(IntroductiontoHybridVeMcleSysternModelingandControlCopyright © 2013 JohnWiley&Sons, Inc., Author(s):WeiLiuPublishedOnline: 14 MAR2013 10:41AMEST, PrintISBN: 9781118308400 OnlinelSBN: 9781118407400DOI: 10.1002/9781118407400AJOHNWILEY&SONS, INC., PUBLICATION, с. 181-185), содержащее систему выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов включающую микроконтроллер, источник питания в виде блока последовательно соединенных аккумуляторов, при этом все положительные полюса аккумуляторов блока с нечетными номерами подключены к одной общей электрической шине, а все положительные полюса блока аккумуляторов с четными номерами к другой общей электрической шине, группу однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей для коммутации проблемного аккумулятора, пару двухпозиционных электромеханических ключей осуществляющих коммутацию конденсатора к аккумулятору, конденсатор для выравнивания степени заряженности проблемного аккумулятора.
К недостаткам указанного устройства относится отсутствие возможности контроля степени заряженности и температуры каждого из аккумуляторов в блоке аккумуляторной батареи (АБ), а также отсутствие технической реализации автоматизации работы данного устройства на ТС, в частности на гибридных и электромобилях. Кроме того, из-за большого количества переключений надежность работы двухпозиционных электромеханических ключей в устройстве сильно ограничена.
Наиболее близко, по технической сущности к предлагаемому изобретению, относится устройство автоматического контроля и выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов комбинированной энергетической установки по патенту на изобретение (RU 2626378, МПК (2016.01): Н01М 10/48, опубликованное 26.07.2017), содержащее микроконтроллер, источник питания в виде блока последовательно соединенных аккумуляторов, устройство контроля и первичного выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов и систему управления процессом окончательного выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов.
К недостаткам прототипа относится отсутствие возможности одновременного контроля температуры каждого из аккумуляторов блока АБ, из-за чего существует необходимость в использовании дополнительной системы контроля температуры, что существенно усложняет всю систему контроля и выравнивания в целом. Кроме того, отсутствует индикация порядковых номеров аккумуляторов с недопустимым отклонением температуры.
Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности и увеличении срока эксплуатации аккумуляторов в блоке АБ, универсальности в режиме работы энергопотребления и зарядки блока аккумуляторов за счет расширенного арсенала диагностических признаков.
Технический результат предложенного изобретения заключается в следующем:
осуществляется одновременный автоматический контроль электрических параметров и температуры каждого из аккумуляторов блока АБ посредством того, что функциональная схема снабжена блоком измерительных терморезисторов, шинами коммутации и компенсирующим блоком, образующим измерительный мост, позволяющий измерять разницу температур двух соседних четного и нечетного рабочих аккумуляторов блока АБ по разнице напряжения между шинами коммутации;
осуществляется индикация порядковых номеров аккумуляторов с недопустимым отклонением температуры посредством установки цифрового индикатора порядковых номеров проблемных по температуре аккумуляторов блока АБ, связанного с микроконтроллером информационной шиной;
осуществляется отображение на дисплее измеренных значений через информационную шину в виде гистограммы, отклонений температуры каждого из рабочих аккумуляторов блока АБ от температуры An аккумулятора блока АБ.
Технический результат достигается за счет того, что устройство автоматического мониторинга блока аккумуляторов с контролем температуры, содержит источник питания в виде последовательно соединенных (n) рабочих аккумуляторов блока АБ, систему режима потребления и зарядки аккумуляторов блока АБ, группу однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей с малым внутренним сопротивлением, общие электрические шины (а) и (б), при этом, положительные полюса из последовательно соединенных (n) рабочих аккумуляторов блока АБ с нечетными номерами подключены к электрической шине (а), а все положительные полюса блока из последовательно соединенных рабочих аккумуляторов блока АБ с четными номерами к другой электрической шине (б), блок системы автоматического контроля (САК) и первичного выравнивания степени заряженности и блок системы окончательного выравнивания (СОВ) степени заряженности рабочих аккумуляторов блока АБ, блок коммутации (БК) переключающий общие электрические шины (а) и (б) с блока (САК) на блок (СОВ) и осуществляющий выравнивание степени заряженности проблемного аккумулятора от резервного аккумулятора на определенный период времени, цифровой индикатор порядковых номеров проблемных аккумуляторов блока АБ, информационной шиной связанный с микроконтроллером, а управляющей шиной с входом адресной коммутации сдвоенного демультиплексора. Отличие, согласно изобретения, состоит в том, что устройство дополнительно снабжено блоком измерительных терморезисторов с большим внутренним сопротивлением и шинами коммутации (в) и (г), причем каждый из измерительных терморезисторов одним концом связан с соответствующим выходом сдвоенного демультиплексора, другим концом измерительные терморезисторы с нечетными порядковыми номерами подключены к шине коммутации (в), а с четными порядковыми номерами подключены к шине коммутации (г), причем порядковые номера измерительных терморезисторов совпадают с порядковыми номерами рабочих аккумуляторов блока АБ, температуру которых они измеряют; снабжено компенсирующим блоком, состоящим из левого и правого компенсирующих терморезисторов, балансировочного потенциометра и сглаживающих конденсаторов, причем к шине коммутации (в), подключены верхние выводы левого компенсирующего терморезистора и левого сглаживающего конденсатора, а к шине коммутации (г) подключены верхние выводы правого компенсирующего терморезистора и правого сглаживающего конденсатора, нижние концы компенсирующих терморезисторов подключены соответственно на левый и правый выводы балансировочного потенциометра, а его движок и нижние концы сглаживающих конденсаторов подключены на землю; при этом пара соседних измерительных терморезисторов блока и компенсирующие терморезисторы компенсирующего блока через шины коммутации (в) и (г) образуют равноплечий измерительный мост, с двумя попарно меняющимися плечами с частотой коммутации, определяемой частотой опроса сдвоенного демультиплексора от микроконтроллера; снабжено диодным блоком, состоящим из двух встречно включенных диодов и трансформатором с двумя (I), (II) первичными и одной вторичной обмотками, причем анод верхнего диода и катод нижнего диода подсоединены к шине коммутации (в), катод верхнего диода подключен к нижнему выводу (II) первичной обмотки трансформатора, а анод нижнего диода к верхнему выводу (I) первичной обмотки трансформатора, причем, нижний вывод (I) первичной обмотки и верхний вывод (II) первичной обмотки трансформатора объединены и подключены к шине коммутации (г); снабжено операционным усилителем с неинвертирующим входом, инструментальным усилителем, точным измерителем температуры ближнего к земле рабочего аккумулятора An блока АБ, при этом верхний вывод вторичной обмотки трансформатора подсоединен к не инвертирующему входу операционного усилителя, а нижний вывод подключен к земле, выход операционного усилителя подключен к 1 входу микроконтроллера, входы инструментального усилителя подключены к шинам коммутации (в) и (г), его выход подключен ко 2 входу микроконтроллера, а к 3 входу микроконтроллера подается сигнал от точного измерителя температур; также снабжено цифровым индикатором порядковых номеров проблемных по температуре аккумуляторов блока АБ и дисплеем отображения температурного поля по всем аккумуляторам блока АБ, информационной шиной связанные с микроконтроллером.
Кроме того, отличия также состоят в том, что устройство выполнено с возможностью одновременного автоматического контроля электрических параметров, и температуры каждого из аккумуляторов блока АБ посредством равноплечевого измерительного моста, позволяющего измерять разницу температур двух соседних четного и нечетного рабочих аккумуляторов блока АБ по разнице напряжения между шинами коммутации (в) и (г);
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная блок схема устройства автоматического мониторинга блока аккумуляторов 1 АБ.
Устройство по предложенному изобретению содержит следующие функциональные элементы блок схемы.
1
2
i
i+1
n-1
n
1
2
i
i+1
n-1
n
1
3
2
4
Источник питания в виде последовательно соединенных из (n) рабочих аккумуляторов (А, А, …, A, A, …, A, A) блока 1 АБ, систему режима потребления и зарядки 2 (СПЗ) аккумуляторов блока 1 АБ транспортного средства (ТС) в условиях эксплуатации, группу однопозиционных нормально разомкнутых электромеханических ключей 3 (SF, SF, …, SF, SF, …, SF, SF) с малым внутренним сопротивлением (например, герконы), общие электрические шины 4 (а) и 5 (б). При этом, положительные полюса из последовательно соединенных (n) рабочих аккумуляторов блока 1 АБ с нечетными номерами (SF, SF, …) подключены к электрической шине 4 (а), а все положительные полюса блока из последовательно соединенных рабочих аккумуляторов 1 с четными номерами (SF, SF, …) к другой электрической шине 5 (б).
Блок коммутации 6 (БК) общих шин 4 (а) и 5 (б), блок системы автоматического контроля 7 (САК) и первичного выравнивания степени заряженности аккумуляторов блока 1 АБ, блок системы окончательного выравнивания 8 (СОВ) степени заряженности аккумуляторов блока 1 АБ. Выходной сигнал блока 7 (САК) подается на вход микроконтроллера 9 (МК), который через блок коммутации 6 (БК) переключает шины 4 (а) и 5 (б) с блока 7 (САК) на блок 8 (СОВ) и осуществляет выравнивание степени заряженности проблемного аккумулятора от резервного аккумулятора на определенный период времени.
Микроконтроллер 9 (МК) информационной шиной связан с цифровым индикатором 10 (ЦИ1) порядковых номеров проблемных аккумуляторов блока 1 АБ при измерении их электрических величин, а управляющей шиной с входом адресной коммутации сдвоенного демультиплексора 11 (DMS).
Дополнительно устройство содержит:
t1
t2
i
i+1
n-1
n
блок измерительных терморезисторов 12 (ИТ) с большим внутренним сопротивлением (R, R, …, R, R, …, Rt, Rt), например, полупроводниковый терморезистор КМТ, шины коммутации 13 (в) и 14 (г), при этом каждый из измерительных терморезисторов 12 (ИТ) одним концом связан с соответствующим выходом демультиплексора 11 (DMS), а другим концом измерительные терморезисторы 12 (ИТ) с нечетными порядковыми номерами подключены к шине коммутации 13 (в), а с четными порядковыми номерами подключены к шине коммутации 14 (г), причем, порядковые номера измерительных терморезисторов 12 (ИТ) совпадают с порядковыми номерами рабочих аккумуляторов блока 1 АБ, температуру которых они измеряют;
k1
k2
b
1
2
k1
1
k2
2
k1
k2
b
1
2
компенсирующий блок 15, состоящий из левого (Rt) и правого (Rt) компенсирующих терморезисторов, балансировочного потенциометра R и сглаживающих конденсаторов (С, С), при этом к шине коммутации 13 (в), подключены верхние выводы левого компенсирующего терморезистора (Rt) и левого сглаживающего конденсатора (С), а к шине коммутации 14 (г) подключены верхние выводы правого компенсирующего терморезистора (Rt) и правого сглаживающего конденсатора (С), нижние концы компенсирующих терморезисторов (Rt, Rt) подключены соответственно на левый и правый выводы балансировочного потенциометра R, а его движок и нижние концы сглаживающих конденсаторов (С, С) подключены на землю.
При таком соединении выше перечисленных элементов функциональной блок схемы, а именно: блока измерительных терморезисторов 12 (ИТ), шин коммутации 13 (в) и 14 (г) и компенсирующего блока 15 (КБ) образуется измерительный мост, определяющий разницу температур двух соседних - четного и нечетного рабочих аккумуляторов блока 1 АБ по разнице напряжения между шинами коммутации 13 (в) и 14 (г).
1
2
1
2
1
2
диодный блок 16, состоящий из двух встречно включенных диодов (D, D) и трансформатора 17 (Т) с двумя (I), (II) первичными и одной вторичной обмотками, при этом анод верхнего диода (D) и катод нижнего диода (D) подсоединены к шине коммутации 13 (в), катод верхнего диода (D) подключен к нижнему выводу (II) первичной обмотки трансформатора (Т), а анод нижнего диода (D) к верхнему выводу (I) первичной обмотки трансформатора (Т), причем, нижний вывод (I) первичной обмотки и верхний вывод (II) первичной обмотки трансформатора (Т) объединены и подключены к шине коммутации 14 (г);
операционный усилитель 18 (ОУ) с неинвертирующим входом, инструментальный усилитель 19 (ИУ), точный измеритель температуры 20 (ТИТ) с чувствительным элеменом, установленным на ближнем к земле рабочем аккумуляторе An блока 1 АБ, при этом верхний вывод вторичной обмотки трансформатора 17 (Т) подсоединен к неинвертирующему входу операционного усилителя 18 (ОУ), а нижний вывод подключен к земле, выход операционного усилителя 18 (ОУ) подключен к 1 входу микроконтроллера 9 (МК), входы инструментального усилителя 19 (ИУ) подключены к шинам коммутации 13 (в) и 14 (г), его выход подключен ко 2 входу микроконтроллера 9 (МК), а к 3 входу микроконтроллера 9 (МК) подается сигнал от точного измерителя температур 20 (ТИТ);
цифровой индикатор 21 (ЦИ2) порядковых номеров проблемных по температуре аккумуляторов блока 1 АБ, информационной шиной связанный с микроконтроллером 9 (МК);
дисплей 22 отображения температурного поля по всем рабочим аккумуляторам 1 блока АБ, информационной шиной также связанный с микроконтроллером 9 (МК).
Предложенное устройство работает следующим образом.
1
3
2
4
По сигналам микроконтроллера 9 (МК), подаваемым на вход адресной коммутации сдвоенного демультиплексора 11 с числом выходов (n) в каждом демультиплексоре 11 осуществляется последовательное подключение рабочих аккумуляторов блока 1 АБ через (n+1) однопозиционных нормально-разомкнутых электромеханических ключей 3 с малым внутренним сопротивлением к общим шинам 4 (а) и 5 (б). Причем, все положительные полюса аккумуляторов блока 1 АБ с нечетными номерами (SF, SF, …), подключены к одной общей электрической шине 4 (а), а все положительные полюса аккумуляторов блока 1 АБ с четными номерами (SF, SF, …) к другой общей электрической шине 5 (6).
В результате происходит чередование положительных и отрицательных напряжений, которые через электрические шины 4 (а) и 5 (б) подаются на блок коммутации 6 (БК), связанный с блоками 7 (САК) и 8 (СОВ).
При превышении амплитуды импульса рассогласования электрических параметров на проблемном аккумуляторе блока 1 АБ, на выходе блока 7 (САК) заданного граничного напряжения, на микроконтроллер 9 (МК) подается запускающий сигнал в ответ на который микроконтроллер 9 (МК) по управляющей шине останавливает опрос рабочих аккумуляторов блока 1 АБ, индицирует на цифровом индикаторе 10 (ЦИ1) порядковый номер проблемного по электрическим параметрам рабочего аккумулятора блока 1 АБ с указанием вида неисправности (перезаряд, недозаряд) и подает управляющий сигнал на блок коммутации 6 (БК) и блок 8 (СОВ). При этом, блок коммутации 6 (БК) переключает шины 4 (а) и 5 (б) с блока 7 (САК) на блок 8 (СОВ) и осуществляется выравнивание степени заряженности проблемного аккумулятора блока 1 АБ от резервного аккумулятора на определенный период времени, задаваемый от микроконтроллера 9 (МК).
Одновременно с последовательным переключением рабочих аккумуляторов блока 1 АБ происходит синхронное измерение температуры каждого из аккумуляторов блока 1АБ с помощью измерительных терморезисторов блока 12 следующим образом.
t1
t3
t12
t4
По сигналам микроконтроллера 9 (МК), подаваемым на вход адресной коммутации сдвоенного демультиплексора 11 (DMS) с числом выходов (n) в каждом демультиплексоре 11 (DMS), одновременно с последовательным подключением измерительных терморезисторов 12 (ИТ) с нечетным порядковым номером (R, R, …) к шине коммутации 13 (в), происходит подключение измерительных терморезисторов с четным порядковым HOMepOM(R, R, …) к шине коммутации 14 (г).
1
i+1
i+
i
i+1
При активизации каждой пары выходов сдвоенного демультиплексора 11 (DMS) происходит одновременное подключение А; рабочего аккумулятора блока 1 АБ к шинам 4 (а) и 5 (б) и соответствующих измерительных терморезисторов (Rt, Rt), к шинам коммутации 13 (в) и 14 (г), измеряющих его температуру и температуру следующего по порядку Ai аккумулятора. В результате, между шинами коммутации 13 (в) и 14 (г) появляется напряжение пропорциональное разнице температур A и A аккумуляторов.
k1
k2
b
1
2
b
t1
t2
tn
1
2
Шины коммутации 13 (в) и 14 (г) через компенсационные терморезисторы (Rt, Rt) блока 15 подключены соответственно на левый и правый выводы балансировочного потенциометра R, а его движок и нижние концы сглаживающих конденсаторов (C,C) подключены на землю, при этом балансировочным потенциометром R обеспечивается первоначальная балансировка измерительного моста, включающего: 12 ИТ, 13 (в), 14 (г) и 15 (КБ), а гашение напряжения выбросов, при коммутации измерительных терморезисторов (R, R, …, R) из блока измерительных терморезисторов 12 (ИТ) происходит сглаживающими конденсаторами (C,C).
k1
k2
n
n
n
n
Компенсационные терморезисторы (Rt, Rt) компенсирующего блока 15 (КБ), установленные на A аккумуляторе (первый из аккумуляторов блока 1 АБ ближайший к земле), измеряют его температуру. На A аккумуляторе также установлен чувствительный элемент точного измерителя температуры 20 (ТИТ). Аккумулятор A имеет наименьший электрический потенциал относительно земли, поэтому выбор его в качестве опорного при измерении температуры аккумуляторов блока 1 АБ обеспечивает наиболее благоприятные по гальванической развязке условия эксплуатации для установленных на нем компенсационных терморезисторов компенсирующего блока 15 (КБ) и датчика точного измерения температуры 20 (ТИТ) и не требует специальной гальванической развязки между аккумулятором A и перечисленными измерительными элементами, измеряющими температуру аккумуляторов блока 1 АБ.
1
2
n
k1
k2
1
2
n
1
2
В результате измерительные терморезисторы (Rt, Rt, …, Rt) блока 12 (ИТ) и компенсационные терморезисторы (Rt, Rt) блока 15 (КБ) через шины коммутации 13 (в) и 14 (г) образуют равноплечий измерительный мост с двумя попарно меняющимися плечами с частотой коммутации, определяемой частотой опроса сдвоенного демультиплексора 11 (DMS) от микроконтроллера 9 (МК), возникающее при коммутации измерительных терморезисторов (Rt, Rt, …, Rt) блока 12 (ИТ), разностное напряжение между шинами коммутации 13 (в) и 14 (г) подается на первичную обмотку трансформатора 17 (Т), причем через диод D диодного блока 16, шина коммутации 13 (в) подключается к нижней первичной обмотке трансформатора 17 (Т), а через диод D диодного блока 16, шина коммутации 13 (в) подключается к верхней первичной обмотке трансформатора 17 (Т), средняя точка первичной обмотки трансформатора 17 (Т) подключена к шине коммутации 14 (г), таким образом разностное напряжение на первичной обмотке трансформатора 17 (Т) появляется только когда не равны сопротивления двух соседних измерительных терморезисторов из блока 12 (ИТ), и, следовательно, температуры двух соседних аккумуляторов блока 1 АБ, в результате на вторичной обмотке трансформатора 17 (Т) появляется импульс напряжения с амплитудой, пропорциональной величине разносного напряжения между шинами коммутации 13 (в) и 14 (г), т.е. пропорциональной измеряемой относительной разности температур соседних рабочих аккумуляторов блока 1 АБ и длительностью, определяемой частотой опроса сдвоенного демультиплексора 11 (DMS). Далее сигнал, усиленный на операционном усилителе 18 (ОУ) с неинвертирующим входом, поступает на вход 1 микроконтроллера 9 (МК) и в случае превышения порогового значения, отображается на цифровом индикаторе 21 (ЦИ2) в виде номера проблемного по температуре аккумулятора блока 1 АБ. Пороговое значение задается с помощью микроконтроллера 9 (МК) по допустимой величине импульса напряжения на 1 входе микроконтроллера 9 (МК), возникающего при появлении относительной разницы температур двух соседних рабочих аккумуляторов блока 1 АБ, что особенно важно в случае резкого изменения температуры одного из рабочих аккумуляторов блока 1 АБ.
i
n
n
Разностное напряжение между шинами коммутации 13 (в) и 14 (г), пропорциональное сигналу, представляющему собой ступенчатые абсолютные отклонения температуры рабочих аккумуляторов A блока 1 АБ относительно температуры A аккумулятора и после усиления на инструментальном усилителе 19 (ИУ) поступает на 1 вход микроконтроллера 9 (МК), который отображает измеренные значения через информационную шину в виде гистограммы, отображающей отклонения температуры каждого из рабочих аккумуляторов блока 1 АБ от температуры A аккумулятора на дисплее 22.
В микроконтроллере 9 (МК) программно осуществляется сложение сигналов, поступающих на его 2 вход от инструментального усилителя 19 (ИУ) и на его 3 вход от точного измерителя температур 20 (ТИТ), в результате восстанавливается полная абсолютная температура каждого из рабочих аккумуляторов блока 1 АБ с уменьшенной относительной погрешностью по сравнению с вариантом измерения этой температуры только с помощью измерительных терморезисторов из блока 12 (ИТ).
При превышении пороговой абсолютной температуры проблемного по температуре аккумулятора, микроконтроллер 9 (МК) осуществляет индикацию номера проблемного по абсолютной температуре аккумулятора через информационную шину на цифровом индикаторе 21 (ЦИ2) порядковых номеров проблемных по температуре аккумуляторов блока 1 АБ.
Использование предложенного изобретения в устройствах, предназначенных для мониторинга электрических параметров аккумуляторов и одновременного измерения их температуры за счет расширенного арсенала диагностических признаков, позволит значительно повысить не только надежность и увеличить срок эксплуатации аккумуляторов в блоке АБ, но также улучшить универсальность и глубину диагностики в режиме энергопотребления и зарядки блока аккумуляторов 1 АБ.