БАЛАНСИР НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЗАРЯДА НА СОЕДИНЕННЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО N ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ
BALANCER OF VOLTAGES OF ELECTRIC ENERGY ACCUMULATORS AND A METHOD OF CHARGE VOLTAGE ALIGNMENT ON SERIES CONNECTED N ELECTRIC ENERGY ACCUMULATORS

Область техники, к которой относится изобретение
Группа изобретений относится к области электротехники, в частности, к электротехнической промышленности и может быть использована при разработке литий-ионных аккумуляторных батарей или батарей с химическими источниками тока для нужд транспорта и энергетики.
Уровень техники
Применение электрохимических накопителей энергии с каждым годом становится все более распространенным. Аккумуляторы различной емкости находят широкое применение в повседневной жизни людей в качестве источников питания мобильных телефонов, электроинструментов, электромобилей и т.д. В связи с этим к аккумуляторным батареям предъявляются новые требования по увеличению времени питания электрооборудования. При этом современные тенденции повышения продолжительности автономной работы мобильной техники вызывают необходимость увеличения емкости накопителей электроэнергии. Значение требуемой мощности химические аккумуляторы достигают путем соединения нескольких аккумуляторов. Для увеличения напряжения аккумуляторные ячейки соединяют последовательно. Проблемой является то, что при эксплуатации электрохимических накопителей энергии, состоящих из групп последовательно соединенных аккумуляторных ячеек, возникает несоответствие параметров отдельных элементов, негативно влияющее на энергетические характеристики и срок службы аккумуляторной батареи. С течением времени несоответствие параметров увеличивается. При этом стандартные зарядные устройства контролируют только общее напряжение на всей цепочке аккумуляторов. Расхождение таких параметров аккумуляторов как емкость, внутреннее сопротивление, ток утечки является причиной отличия необходимого времени для заряда накопленной энергии в отдельных аккумуляторах, что приводит к увеличению напряжения на отдельной ячейке выше оптимального и вызовет ускоренную деградацию элемента. В частности, литий-ионные батареи могут безопасно работать только при нормальном напряжении заряда. Иначе это приводит к уменьшению срока службы батареи. Учитывая все перечисленные выше особенности, сохранение и обеспечение максимального срока службы всей аккумуляторной батареи возможно только при постоянном мониторинге и контроле состояния ее отдельных ячеек.
Одним из решений указанной проблемы является выравнивание (нивелирование) разбаланса напряжений между отдельными элементами батареи путем непосредственной передачи энергии от накопительных элементов, находящихся в более заряженном состоянии, чем остальные накопительные элементы, в общую цепь батареи, либо от общей цепи батареи к элементам, находящимся в менее заряженном состоянии, чем остальные накопительные элементы в цепи. Вторым вариантом решения проблемы является способ попарного нивелирования соседних накопительных элементов в цепи.
Существует множество устройств, которые решают задачу выравнивания напряжения накопительных элементов батареи.
Известна батарея химических источников тока с балансом напряжений (патент RU №2360334 опубл. 27.06.2009). Балансир напряжений содержит множество единичных химических источников тока или модулей из нескольких химических источников тока, соединенных в последовательную электрическую цепь, выравнивающее устройство для каждых двух химических источников тока или модулей из нескольких химических источников тока, обеспечивающее выравнивание напряжений для каждых двух химических источников тока или модулей из нескольких химических источников тока, выходы которого подключены параллельно химическим источникам тока или модулю из нескольких химических источников тока, и блок управления выравнивающим устройством. Выравнивающее устройство для каждых двух химических источников тока или модулей из нескольких химических источников тока представляет собой балансир для нивелирования разбаланса напряжений на химических источниках тока, выполненный из дросселя, подключенного к точке последовательного соединения двух химических источников тока или двух модулей химических источников тока, и через нормально открытые ключи к другим полюсам, последовательно соединенных химических источников тока или двух модулей химических источников тока, а параллельно к ключам подключены диоды, открытые в направлении протекания тока от минуса химического источника тока к его плюсу или от минуса модуля химических источников тока к его плюсу, а блок управления выравнивающим устройством выполнен с функцией замыкания нормально открытого ключа, подключенного параллельно химическому источнику тока через дроссель, который заряжен по отношению ко второму смежно подключенному химическому источнику тока на время, равное выравниванию напряжения на полюсах двух смежно подключенных химических источников тока.
Недостатком данного технического решения является попарный способ балансировки соседних накопительных элементов, что в случае передачи энергии между самыми дальними элементами многоэлементной батареи приведет к существенным потерям эффективности, т.к. в процессе передачи энергии между двумя ячейками будут задействованы все выравнивающие устройства батареи, следовательно, тепловые потери будут обусловлены произведением КПД всех выравнивающих устройств на пути передачи энергии.
Известно устройство для автоматического выравнивания напряжения на элементах аккумуляторной батареи (патент RU №2537977 опубл. 10.01.2015). Устройство состоит из n последовательно соединенных аккумуляторов, содержащее выходные клеммы по числу аккумуляторов, управляемые переключатели, управляющие ключевые элементы и источник питания. При этом управляемый преобразователь постоянного тока выполнен в виде обратимого DC-DC преобразователя постоянного тока с датчиками тока и напряжения, причем с одной стороны преобразователь подключен к крайним выводам аккумуляторной батареи, а с другой стороны подключен к элементному коммутатору с переключателем полярности, который подключен к контактам реле на каждом выводе элементов аккумуляторной батареи, при этом управление работой всех частей устройства осуществляет блок автоматического управления и мониторинга.
Недостатком известного устройства является невозможность выравнивания нескольких накопительных элементов одновременно, т.к. одномоментно устройство выравнивания может быть подключено только к одному накопительному элементу и не может передавать избыток энергии одного элемента непосредственно другому элементу аккумуляторной батареи в каждый момент времени. Вторым недостатком является высокая сложность электрической схемы выравнивания напряжения на отдельных накопительных элементах в батарее, а также необходимость использования относительно мощных трансформаторов и коммутаторов. Это приводит к снижению эффективности, увеличению массогабаритных показателей и стоимости изделия.
Известен способ зарядки литий-ионных аккумуляторных батарей из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами (патент RU №2704116 опубл. 24.10.2019). Способ осуществляется путем разряда на балластные сопротивления, при этом процесс зарядки прекращают при достижении одной из ячеек порогового максимального напряжения, также задается диапазон, который определяет продолжительность последующего разряда выбранных аккумуляторов до момента совпадения уровня с текущим напряжением аккумуляторов, когда происходит отключение балансировочного резистора, при этом цикл балансировки завершают отключением последнего из включенных балансировочных резисторов. Количество циклов балансировки определяется моментом, при котором очередное отключение заряда по достижении напряжений любого из заданного максимального значения не сопровождается подключением балансировочного резистора. Устройство для реализации способа содержит аккумуляторную батарею, состоящую из последовательно соединенных ячеек, к которым посредством ключей подключаются балластные резисторы. Параллельно аккумуляторной батарее подключено устройство контроля и зарядное устройство. В цепи заряда аккумуляторной батареи установлен датчик тока и силовой контактор.
Недостатком данного технического решения является его пассивный принцип действия, т.к. балансировочные резисторы рассеивают много тепла. Таким способом невозможно передать энергию между отдельными накопительными элементами, можно лишь рассеять лишнюю энергию на элементах с повышенным напряжением. Обычно балансиры такого типа не способны создать значительных выравнивающих токов из-за существенного роста тепловых потерь, в критической ситуации это приводит к тому, что балансировочного тока становится недостаточно для компенсации разницы в емкости отдельных накопительных элементов, что может привести к преждевременному выходу из строя аккумуляторной батареи.
Ближайшим аналогом является балансир напряжений для батареи электрических накопителей энергии (патент RU №2551182 опубл. 20.05.2015). Балансир состоит из выравнивающего устройства для каждых двух смежных накопителей, выходы которого подключены параллельно этим накопителям, и блока управления выравнивающим устройством, состоящим из дросселя, подключенного к точке последовательного соединения двух смежных накопителей и через нормально открытые ключи к другим последовательно соединенным накопителям с параллельно подключенными диодами, открытыми в направлении протекания тока от минуса накопителя к его плюсу, а блок управления выполнен с функцией замыкания нормально открытого ключа на время, равное выравниванию напряжения на двух смежных накопителях. Последовательно с дросселем выравнивающего устройства включен датчик тока; ключи для двух смежных накопителей выравнивающего устройства выполнены в виде MOSFET-транзисторов, встроенных вместе с электронной управляющей схемой в драйвер, управляемый ШИМ-сигналом от блока управления, выполненного в виде микроконтроллера, запитанного от двух смежных накопителей и подключенного через шину измерительных сигналов к датчику тока, датчику температуры, установленному рядом с каждым накопителем и клеммам обоих накопителей, а по последовательному каналу связи с гальванической развязкой, например, CAN-типа, к управляющему микроконтроллеру батареи.
Минусы данного технического решения заключаются в том, что для выравнивания напряжения на каждом накопительном элементе используется смежный накопительный элемент, что в случае передачи энергии между самыми дальними элементами многоэлементной батареи приведет к существенным потерям эффективности и накоплению погрешности, снижающей точность выравнивания по напряжению между удаленными друг от друга единичными накопительными элементами. Кроме того, высоки тепловые потери на диодах вследствие протекания балансировочного тока непосредственно через диоды, которые не шунтируются электронными ключами в момент передачи энергии. Это накладывает существенные ограничения по максимально возможным токам балансировки и может являться причиной увеличения массогабаритных показателей устройства.
Сущность изобретения
Настоящая группа изобретений направлена на обеспечение равного напряжения на соединенных последовательно n электрических накопителях энергии при заряде, разряде и хранении аккумуляторной батареи, что приводит к улучшению среднего показателя емкости, увеличению эффективности и процесса балансировки в целом и, следовательно, к увеличению срока службы аккумуляторной батареи.
В первом объекте настоящего изобретения предложен балансир напряжений для батареи электрических накопителей энергии, соединенных в последовательную электрическую цепь из n электрических накопителей энергии, состоящий из выравнивающего устройства, включающего блок управления выравнивающим устройством, дроссель, подключенный к точке последовательного соединения электрических накопителей энергии, диоды, подключенные к ключам, и открытые в направлении протекания тока от минуса к плюсу батареи электрических накопителей энергии.
Новым является то, что выравнивающее устройство подключено к общей цепи батареи, при этом источник опорного напряжения для выравнивающего устройства выполнен в виде резистивного делителя из одинаковых резисторов, число которых равно числу электрических накопителей энергии, к каждой точке последовательного соединения n электрических накопителей энергии и аналогичной точке резистивного делителя подключено устройство сравнения, измеряющее разницу напряжений между точками соединения резисторов и точками соединения n электрических накопителей энергии, входы выравнивающего устройства подключены к устройству сравнения и общей цепи батареи n электрических накопителей энергии, при этом дроссель подключен к точке последовательного соединения n электрических накопителей энергии и через нормально закрытые электронные ключи к общей цепи батареи последовательных n электрических накопителей энергии, блок управления выполнен с функцией замыкания нормально закрытого ключа на период времени, необходимый для выравнивания напряжения в точке соединения каждого электрического накопителя энергии относительно аналогичной точки соединения резистивного делителя.
Блок управления может быть реализован на основе аналоговой схемы или на основе микроконтроллера.
Во втором объекте настоящего изобретения предложен способ выравнивания напряжения заряда на соединенных последовательно n электрических накопителях энергии аккумуляторной батареи, заключающийся в контроле и выравнивании напряжений электрических накопителей энергии и непрерывном перераспределении излишков заряда отдельных электрических накопителей энергии в общую цепь аккумуляторной батареи, либо из общей цепи аккумуляторной батареи к отдельным электрическим накопителям энергии с пониженным уровнем заряда, при этом перераспределяют заряд между точками последовательного соединения n электрических накопителей энергии и общей цепью батареи с помощью выравнивающих устройств, реализованных на основе двунаправленного преобразователя, опорные напряжения для группы из n выравнивающих устройств формируют из напряжения общей цепи батареи путем деления его аналоговым или цифровым способом на n равные части согласно количеству электрических накопителей энергии, опорные напряжения и напряжения в точках последовательного соединения n электрических накопителей энергии сравнивают, полученное значение разницы подают на блок управления выравнивающего устройства и формируют ШИМ сигналы управления электронными ключами, которые через накопительный дроссель формируют из общего напряжения батареи напряжение и ток с необходимым знаком для устранения разницы напряжений между точками последовательного соединения n электрических накопителей энергии и опорными напряжениями.
Осуществление изобретения
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется приложенным чертежом, на котором показана функциональная схема заявленного устройства.
На чертеже обозначено: 1 - электрический накопитель энергии, 2 - выравнивающее устройство, 3 - блок управления выравнивающим устройством, 4 - накопительный дроссель, 5 - электронный ключ, 6 - диод, 7 - устройство сравнения, 8 - резистор.
Заявленный балансир напряжений для батареи n электрических накопителей энергии 1, соединенных в последовательную электрическую цепь, состоит из n выравнивающих устройств 2, которые подключены к общей цепи батареи и к точке последовательного соединения электрических накопителей энергии. Каждое выравнивающее устройство 2 включает в себя дроссель 4, подключенный к точке последовательного соединения электрических накопителей энергии 1, электронные ключи 5 с подключенными к ним диодами 6, открытыми в направлении протекания тока от минуса батареи электрических накопителей энергии к плюсу. В качестве источника опорного напряжения для выравнивающего устройства 2 применен резистивный делитель из n одинаковых резисторов 8, число которых равно числу электрических накопителей энергии 1. К каждой точке последовательного соединения электрических накопителей энергии и аналогичной точке резистивного делителя подключено устройство сравнения 7. Выходы устройства сравнения 7 подключены ко входу блока управления 3 выравнивающего устройства 2. Дроссели 4 подключены к точкам последовательного соединения электрических накопителей энергии 1 и через нормально закрытые электронные ключи 5 к общей цепи батареи последовательных электрических накопителей энергии. Блок управления 3 выполнен с функцией замыкания нормально закрытого электронного ключа 5 на период времени, необходимый для выравнивания напряжения в точке последовательного соединения каждого электрического накопителя энергии 1 относительно аналогичной точки соединения резистора 8.
Резистор 8 из общего напряжения батареи +Vb…-Vb формирует равные опорные напряжения между точками соединения резисторов 8. Устройство сравнения 7 предназначено для измерения разницы напряжений между точками соединения резисторов 8 и точками соединения электрических накопителей энергии 1. Измеренная разница напряжений подается на блок управления 3 выравнивающего устройства 2. Блок управления 3 формирует ШИМ сигналы управления нормально закрытыми электронными ключами 5, которые через накопительный дроссель 4 формируют из общего напряжения батареи Vb напряжение и ток с необходимым знаком, таким образом, чтобы полностью устранить отклонение напряжения в точке соединения электрических накопителей энергии 1 относительно точки соединения резисторов 8. Все выравнивающие устройства 2 имеют общий провод и способны измерять напряжение всей батареи непосредственно. Устройство работает следующим образом.
Если напряжение в точке соединения электрических накопителей энергии 1 оказалось выше, чем напряжение в аналогичной точке резистивного делителя, то блок управления 3 изменит значение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) таким образом, чтобы время открытия нижнего электронного ключа увеличилось относительно времени открытия верхнего электронного ключа, при этом лишняя энергия электрического накопителя энергии из точки соединения перейдет в накопительный дроссель 4, затем через верхний электронный ключ будет направлена в общую цепь Vb всей батареи. Если напряжение в точке соединения электрических накопителей энергии оказалось ниже, чем в аналогичной точке резистивного делителя, то блок управления 3 изменит значение ШИМ таким образом, чтобы время открытия нижнего ключа уменьшилось относительно времени открытия верхнего ключа, тогда ток от общей цепи батареи Vb через накопительный дроссель 4 поступит в точку соединения электрических накопителей энергии, что поднимет напряжение в этой точке до значения напряжения в точке соединения резисторов 8. Таким образом, напряжения в точках соединения п электрических накопителей энергии становятся равны опорным напряжениям на резистивном делителе и равны между собой, т.е. задача балансировки выполнена. При этом выравнивающее устройство 2 имеет свойство двунаправленного преобразователя и способно передать избыток энергии одного электрического накопителя энергии 1 в цепь всей батареи Vb, а также способно передать энергию из цепи Vb всей батареи любому другому электрическому накопителю энергии 1 в последовательной цепи без последовательной передачи энергии через соседние электрические накопители энергии 1 батареи, что существенно повышает эффективность работы устройства относительно ближайшего аналога. Для защиты от превышения тока в качестве датчика тока используется активное сопротивление накопительного дросселя 4, при этом защита от насыщения накопительного дросселя реализована программным и аналоговым способом (измерение падения напряжения на электронном ключе).
Для защиты электрических накопителей энергии 1 батареи от глубокого разряда при балансировке реализовано отключение процесса балансировки и перевод электронных ключей в закрытое состояние по достижению минимального порога напряжения батареи, которое может быть непосредственно измерено в каждом выравнивающем устройстве.
Для экономии энергии после завершения процесса балансировки также производится перевод электронных ключей в закрытое состояние до тех пор, пока разница напряжений электрических накопителей энергии 1 не превысит заданный порог.
Предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить энергетическую эффективность процесса балансировки и продлить срок службы аккумуляторной батареи. Предложенное решение позволяет с минимальными потерями перераспределять энергию между электрическими накопителями энергии, соединенными последовательно и повысить точность выравнивания напряжения на электрических накопителях энергии.
Кроме того, конструктивные упрощения позволяют снизить количество элементов в устройстве, что ведет к снижению стоимости изделия в целом.