СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
OPERATING METHOD OF LITHIUM-ION STORAGE BATTERY

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей, в том числе в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).
Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их эксплуатации, заключающиеся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанные в книге «Д.А. Хрусталев, «Аккумуляторы», М., Изумруд, 2003 г., глава 4». В данной работе отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда только по текущим значениям напряжений аккумуляторов. При этом отмечается, что перезаряд и переразряд аккумуляторов категорически недопустим и в аккумуляторных батареях должны быть предусмотрены средства зашиты. Однако известная информация касается в основном наземного применения литий-ионных аккумуляторных батарей в мобильных телефонах и компьютерной технике и не решает вопросов надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.
Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО «Сатурн», г. Краснодар).
В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ.563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения отличия в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ.
Недостатком известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости, реализованного известной аккумуляторной батареей является то, что процесс выравнивания может быть достаточно длительным, что ограничивает функциональные возможности ИСЗ.
Кроме того, приведение емкости всех аккумуляторов к емкости наименее заряженного аккумулятора (а не наоборот) представляется неэффективным, так как на момент достижения выравнивания аккумуляторов батарея имеет емкость меньше ее потенциальных возможностей.
Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи (патент КНР CN 1607708), заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем индивидуального подзаряда или подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжения наперед выбранной величины.
Недостатками известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости являются низкие технологичность и надежность, обусловленные наличием многочисленных коммутаторов и необходимостью индивидуальной работы с каждым аккумулятором.
Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи (патент RU №2408958), заключающийся в проведении зарядно-разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора и балансировке аккумуляторов по напряжению, отличающийся тем, что балансировку аккумуляторов по напряжению проводят путем подзаряда от индивидуальных источников напряжения с ограничением по току посредством резисторов, при этом уровень напряжения индивидуальных источников выбирают не более максимального зарядного напряжения аккумулятора, а ток подзаряда ограничивают по его минимальному эффективному значению при минимальном существенном значении разницы напряжений аккумуляторов, но на уровне больше максимального тока саморазряда аккумуляторов, кроме того, мощность индивидуальных источников напряжения выбирают из условия непревышения током подзаряда заранее выбранной величины, в пределах рабочего диапазона напряжения аккумуляторов. Этот способ принят за прототип заявляемому техническому решению.
Известный способ устраняет указанные выше недостатки, однако требует обеспечения высокой точности и стабильности выходного напряжения индивидуальных источников, что при длительном ресурсе работы представляет существенную сложность и снижает надежность способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.
Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядно-разрядных циклов, хранении в заряженном состоянии и балансировке аккумуляторов по напряжению, путем подзаряда от индивидуальных источников напряжения или тока, балансировку аккумуляторов по напряжению от индивидуальных источников напряжения или тока проводят с одновременным разрядом каждого аккумулятора на индивидуальные резисторы, равные между собой по величине сопротивления. При этом величину сопротивления индивидуальных резисторов выбирают исходя из соотношения:
мax акк
подз
R = U/I,
где R - величина сопротивления резистора, Ом;
мax акк
U - максимальное значение напряжения аккумулятора, В;
подз
I - величина тока подзаряда при максимальном значении напряжения аккумулятора, А.
Кроме того, балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в процессе эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе ИСЗ или в процессе хранения литий-ионной аккумуляторной батареи в заряженном состоянии.
Действительно, предлагается использовать известные способы выравнивания напряжения аккумуляторов путем их индивидуального подзаряда или подразряда. Однако совмещение двух известных способов выравнивания напряжения аккумуляторов дает новый положительный эффект, а именно, позволяет обеспечить автономность процесса выравнивания, когда не требуется контроля напряжения аккумуляторов в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи. Процесс выравнивания идет непрерывно и без дополнительных корректирующих действий. Это повышает надежность процесса выравнивания и, соответственно, надежность эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи. Можно отметить, что это наиболее актуально, когда возможности контроля за процессом выравнивания напряжения аккумуляторов ограничены, например, при отсутствии в составе ИСЗ бортовой ЭВМ или эксплуатации аккумуляторной батареи в составе низколетящих ИСЗ, находящихся в зоне радиовидимости весьма ограниченное время.
При этом наиболее эффективно балансировку аккумуляторов по напряжению по заявляемому способу проводить в процессе эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе ИСЗ или в процессе хранения литий-ионной аккумуляторной батареи в заряженном состоянии.
На фиг. 1 приведены графики изменения тока подзаряда аккумулятора при подзаряде его от источника напряжения - 1, тока подзаряда аккумулятора при подзаряде его от источника тока - 2 и тока подразряда аккумулятора на индивидуальный резистор - 3, в зависимости от текущего напряжения аккумулятора U.
Руководствуясь соотношением настоящего изобретения:
мax акк
подз
R=U/I,
где R - величина сопротивления резистора, Ом;
мax акк
U - максимальное значение напряжения аккумулятора, В;
подз
мax акк
I - величина тока подзаряда при максимальном значении напряжения аккумулятора, А, все перечисленные выше графики пересекутся в точке &, соответствующей максимальному значению напряжения аккумулятора U.
Иными словами, в точке & ток подзаряда аккумулятора становится равным току подразряда и процесс автоматически переходит в равновесное состояние.
На фиг. 2 приведена упрощенная функциональная схема литий-ионной аккумуляторной батареи с преобразователем постоянного напряжения в постоянное напряжение, поясняющая работу по предлагаемому способу.
1
Аккумуляторная батарея 1 содержит «n» последовательно соединенных аккумуляторов 2-2n.
Параллельно аккумуляторам подключены резисторы 2/1-2/n через контакты 2-1 - 2-n.
Дополнительно введен маломощный преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение 4 с «n» гальванически развязанными (посредством трансформатора 5) выходами (индивидуальными источниками) с выпрямителями постоянного тока.
1
1
1
Каждый из индивидуальных источников (выходов преобразователя) состоит из вторичной обмотки 6-6n трансформатора 5 и диодов 7-7n и 8-8n. Первичная обмотка 9 трансформатора 5, имеющая среднюю точку, предназначена для подключения к источнику стабилизированного постоянного напряжения (к выходу автономной системы электропитания) - клеммы «+» и «-» через преобразователь постоянного напряжения в переменное 10 на транзисторах 11 и 12.
1
1
n
Для ограничения тока подзаряда предусмотрены резисторы 3-3n, а для защиты от отрицательного влияния схемы подзаряда отказавшего (закороченного) аккумулятора (на случай появления такового), в цепях подзаряда предусмотрены плавкие предохранители 13-13, рассчитанные на критичную величину тока подзаряда.
Кроме того, предусмотрена схема контроля напряжения питания 14 преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение 4 для управления замыканием контактов 2-1 - 2-n включения резисторов 2/1 - 2/n.
Аккумуляторная батарея 1 в составе автономной системы электропитания работает следующим образом.
1
1
1
Если преобразователь постоянного напряжения в постоянное 4 по входу не запитан, то диоды 7-7n и 8-8n заперты напряжением аккумуляторов 2-2n и процесс балансировки не проводится.
При подаче стабилизированного напряжения на вход маломощного преобразователя постоянного напряжения в постоянное 4 (например, с выхода автономной системы электропитания - на схеме не показано), на его гальванически развязанных выходах появятся равные друг другу стабильные напряжения, при этом на каждый аккумулятор потечет ток подзаряда, причем его величина будет обратно пропорциональна текущему значению напряжения каждого аккумулятора, что обеспечивает устранение (или компенсацию) разбаланса аккумуляторов, обусловленного различиями в их токах саморазряда.
Кроме того, схема контроля напряжения питания 14 подключит резисторы 2/1 - 2/n и с каждого аккумулятора потечет ток подразряда, причем его величина будет прямо пропорциональна текущему значению напряжения каждого аккумулятора, что также способствует устранению разбаланса аккумуляторов по напряжению.
При работе аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ, включение и отключение подзаряда аккумуляторов (подача стабилизированного напряжения на вход маломощного преобразователя постоянного напряжения в постоянное) решается в рамках оптимальной работы системы электропитания и с учетом текущих данных по величине напряжения аккумуляторов литий-ионной аккумуляторной батареи. При этом управляющие воздействия формируются через командно-измерительную радиолинию с наземного комплекса управления или от бортовой ЭВМ по заложенной программе.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить надежность эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.