ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ТРЕХУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ БАТАРЕЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
HIERARCHICAL THREE-TIER CONTROL SYSTEM FOR HIGH-VOLTAGE BATTERY OF ELECTRIC ENERGY ACCUMULATORS

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании батарей электрических накопителей энергии различной природы: от литий-ионных аккумуляторов до ионисторов и химических источников тока в составе автономных систем электроснабжения, в том числе на транспорте, в устройствах бесперебойного питания, в системах оперативного постоянного тока и сетевых накопителях электроэнергии.
Известна иерархическая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии [см. статью «Особенности построения аппаратуры контроля и защиты высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей для систем электроснабжения космических аппаратов» / труды НПП «ВНИИЭМ», 2011, т.123, №4, с.29-34, авторы М.Ф.Ганзбург, А.И.Груздев, В.И.Трофименко (ОАО «АВЭКС»)].
Известная система на нижнем уровне управления содержит модули электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния, а также с устройствами выравнивания, коммутации, контроля и управления, связанными по последовательному каналу связи с модулем измерения тока и контроллером последовательного канала на среднем уровне управления, подключенным по последовательному каналу связи с блоком управления батареей верхнего уровня управления, к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ. Для повышения надежности работы в известной системе осуществляется резервирование (дублирование) модулей контроля и управления на нижнем уровне управления, а также использование на среднем уровне управления резервного канала обмена.
Недостатком известной системы является ее сложность, а также невозможность экстренного автоматического отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки в аварийных ситуациях перезаряда или переразряда накопителей батареи при отказах микроконтроллеров системы.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данной полезной модели является иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии [см. статью А.И. Груздева «Концепция построения системы контроля и управления высокоэнергоемких литиевых аккумуляторных батарей», «Электрохимическая энергетика», 2005, т. 5, №2, с. 90-93].
Известная трехуровневая иерархическая система, запитанная от батареи, состоит из микроконтроллерных блоков управления накопителями (БУН) на нижнем уровне управления, подключенных по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам управления модулями (БУМ) накопителей на среднем уровне управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку управления батареей (БУБ) верхнего уровня управления, связанному с бортовым зарядным устройством (БЗУ) и внешней ЭВМ и подключенному к электромагнитному коммутатору батареи.
Недостатком известной системы, выбранной в качестве прототипа, является невозможность экстренного отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки в аварийных ситуациях, когда какой-либо батарейный накопитель энергии приблизился к состоянию перезаряда или переразряда, а связанные с ним микроконтроллеры блоков БУН, БУМ или БУБ находятся в состоянии отказа.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача создания иерархической трехуровневой системы управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии с дублирующим каналом связи экстренного реагирования, позволяющим автоматически отключать батарею от зарядного устройства или нагрузки при перезаряде или переразряде накопителей батареи, минуя микроконтроллеры системы.
Поставленная задача решается тем, что предложена иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая связанные с борнами накопителей батареи блоки управления накопителями нижнего уровня управления, микроконтроллеры которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерам связанных с клеммами модулей блоков управления модулями накопителей среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллеру связанного с клеммами батареи блока управления батареей верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи и к электромагнитному коммутатору батареи через блок управления коммутатором.
Новым в предложенной системе является то, что в нее введен дублирующий канал связи экстренного реагирования, содержащий соединенные с борнами накопителей и с источниками соответствующих опорных напряжений компараторы верхнего и нижнего уровней напряжений накопителей блоков управления накопителями, подключенные через логический элемент ИЛИ к устройству гальванической развязки с открытым коллектором, соединенным по шине аварийного сигнала нижнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления накопителями, с источником питания соответствующего блока управления модулем через подтягивающий резистор и с входом устройства гальванической развязки с открытым коллектором, соединенным по выходу друг с другом для всех блоков управления модулями, с источником питания блока управления батареей через подтягивающий резистор и с входами микроконтроллера и блока управления коммутатором.
Технический результат заявленного изобретения состоит в создании возможности экстренного автоматического отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки при предаварийных состояниях накопителей батареи, минуя микроконтроллеры системы.
На чертеже представлена функциональная блок-схема заявленной системы.
м
б
Заявленная система запитана от батареи и содержит связанные с борнами «+» и «-» накопителей батареи блоки управления накопителями 1 нижнего уровня управления, микроконтроллеры 2 которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи 3 с гальванической развязкой 4 к микроконтроллерам 5 связанных с клеммами «+» и «-» модулей соответствующих блоков управления модулями накопителей 6 среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи 7 с гальванической развязкой 8 к микроконтроллеру 9 связанного с клеммами «+» и «-» батареи блока управления батареей 10 верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ (на чертеже не показаны) по последовательному каналу связи 11 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) и к электромагнитному коммутатору батареи (на чертеже не показан) через блок управления коммутатором 12. Блоки управления накопителями 1 содержат соединенные с борнами «+» и «-» накопителей и источниками соответствующих опорных напряжений Uon1 и Uon2 компараторы верхнего 13 и нижнего 14 уровней напряжений накопителей, подключенные через логический элемент ИЛИ 15 к устройству гальванической развязки 16 с открытым коллектором, соединенным по шине 17 аварийного сигнала нижнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления накопителями 1, с источником питания +U соответствующего блока управления модулем 6 через подтягивающий резистор 18 и с входом устройства гальванической развязки 19 с открытым коллектором, соединенным по шине 20 аварийного сигнала верхнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления модулями 6, с источником питания +U блока управления батареей 10 через подтягивающий резистор 21 и с входами микроконтроллера 9 и блока управления коммутатором 12.
Заявленная система работает следующим образом.
м
б
При отсутствии отказов в системе обмен информацией между микроконтроллерами 2, 5 и 9 блоков управления БУН, БУМ и БУБ соответственно осуществляется по последовательным каналам связи 3 и 7 через устройства гальванической развязки 4 и 8 соответственно. В случае отказа каналов связи 3, 7, устройств гальванической развязки 4, 8 либо микроконтроллеров 2, 5 и 9 обмен информацией между иерархическими уровнями управления батареей прекращается, и если при этом произойдет перезаряд или переразряд какого-либо накопителя батареи, то отключить батарею от зарядного устройства или нагрузки через канал последовательной связи будет невозможно. Однако в этом случае начинает работать дублирующий канал связи экстренного реагирования, а именно: сигналы о перезарядке накопителя с выхода компаратора 13, подключенного к опорному напряжению Uon1, соответствующего верхнему уровню напряжения накопителя, либо переразряде с выхода компаратора 14, подключенного к опорному напряжению Uon2, соответствующего нижнему уровню напряжения накопителя, через логический элемент ИЛИ 15 поступят на вход устройства гальванической развязки 16 с открытым коллектором и на шину 17 аварийного сигнала нижнего уровня управления. Шина 17 объединяет все другие такие выходы блоков БУН 1 соответствующего батарейного модуля накопителей по схеме «монтажное ИЛИ» и соединена с подтягивающим к источнику питания +U блока БУМ 6 резистором 18 и входом устройства гальванической развязки 19 с открытым коллектором соответствующего блока управления модулем 6. Выходы устройств гальванической развязки 19 всех блоков БУМ 6 объединены шиной 20 аварийного сигнала верхнего уровня управления по схеме «монтажное ИЛИ» и соединены с подтягивающим к источнику питания +U блока управления БУБ 10 резистором 21 и входом блока управления коммутатором батареи 12, поэтому аварийный сигнал, возникший на нижнем уровне управления батареей, отключит батарею через блок управления коммутатором 12, минуя микроконтроллеры блоков управления БУН, БУМ и БУБ. При этом для сообщения о срабатывании компараторов 13 и 14 аварийный сигнал верхнего уровня с шины 20 заводится также на вход микроконтроллера 9 блока управления батареей 10. Компараторы 13, 14 блока управления 1 накопителем могут быть выполнены на операционном усилителе LM2901D (Texas Instruments), логический элемент 15 ИЛИ - на микросхеме SN74LVC08AD (Texas Instruments), устройства гальванической развязки с открытым коллектором 16, 19 - на оптопаре FODM8801A (Fairchild).