Балансир для судна с электродвижением
SHIP BALANCER WITH ELECTRIC PROPULSION

Изобретение относится к области электротехники и может быть использована(о) для контроля степени заряда и разряда литий-ионных батарей.
С появлением литиевых аккумуляторов достаточно остро встала проблема их корректного использования. В электротранспорте при высоких емкостях и токах такие аккумуляторы очень чувствительны к перезаряду и к переразряду. Оказалось, что из-за подобных режимов они слишком быстро выходят из строя.
В процессе функционирования аккумуляторных батарей, созданных на основе литий-ионной технологии, возникла задача поддержания отдельных их ячеек в сбалансированном состоянии. Дело в том, что ячейки уже сразу после их изготовления имеют чуть различающиеся между собой характеристики. Со временем эта разница может становиться всё большей. Если в процессе эксплуатации не отслеживать состояние ячеек, аккумуляторная батарея может довольно быстро выйти из строя.
Особенно важно во время заряда аккумуляторной батареи предотвращать перезаряд отдельных её ячеек. Он может привести к тому, что одна – перезаряженная ячейка – вынудит зарядное устройство остановить процесс, при этом другие ячейки батареи могут остаться заряженными не полностью.
Из-за естественной разницы в разряде отдельных элементов уровень заряда отдельных ячеек аккумуляторной батареи может восполняться с разной скоростью. Поэтому вполне возможно возникновение ситуации, когда одни ячейки уже достигли требуемых показателей по напряжению, а другие всё еще нет. Это может привести к дисбалансу и неэффективному использованию аккумуляторной батареи в целом. Балансиры применяются для того чтобы выровнять разницу заряда во всех аккумуляторах.
Известна аккумуляторная батарея, состоящая из множества ячеек и отличающаяся тем, что её ячейки по постоянному току соединены последовательно, а по переменному току – через систему трансформаторной балансировки – параллельно (см. описание к патенту RU2546978C2 от 27.06.2013).
Недостатками данного технического решения являются его сложность и громоздкость. Дело в том, что его реализация предполагает помимо плат управления с полупроводниковыми элементами изготовление трёхобмоточного трансформатора для каждой ячейки аккумуляторной батареи. Из-за величины токов, протекающих по обмоткам этих трансформаторов, их габариты оказываются вполне соизмеримыми с размерами самих аккумуляторов, составляющих батарею.
Известно «Устройство балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи» (см. описание к патенту RU2722619C2 от 02.06.2020). Оно состоит из последовательно соединенных модулей, каждый из которых содержит заданное количество аккумуляторов. Модули включают в себя: блок системы мониторинга, заряда и разряда. Каждый блок содержит DC/AC преобразователи для каждого аккумулятора модуля, DC/AC преобразователь для модуля в целом и узел мониторинга и контроля заряда в целом, а также блоки переключения режимов для каждого аккумулятора модуля и блок переключения режима модуля в целом.
Недостатком данного технического решения является его сложность. Как и в предыдущем случае, между аккумуляторными модулями связь по переменному току осуществляется по факту также с помощью трёхобмоточных трансформаторов, габариты которых опять-таки оказываются соизмеримыми с размерами аккумуляторов.
В качестве прототипа заявляемого технического решения использована электронная схема, представленная в сети Интернет по адресу:
https://electrotransport.ru/ussr/index.php?topic=2932.504 дата обращения 21.04.2022.
Рассматриваемая схема содержит: первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый транзистор и первую микросхему TL431. Причем первый вывод первого резистора соединен с положительной клеммой аккумулятора. Второй вывод второго резистора соединён с первым выводом третьего резистора. Их общая точка соединена с первым выводом первой микросхемы TL431. Второй вывод первой микросхемы TL431 соединён с вторым выводом четвёртого резистора. Их общая точка соединена с базой первого транзистора. Коллектор первого транзистора, третий вывод первой микросхемы TL431 и второй вывод третьего резистора соединены с отрицательной клеммой аккумулятора.
Данная схема способна вполне удовлетворительно защищать литиевые аккумуляторы от перезаряда. Особенно часто её применяют к так называемым литий-железо-фосфатным аккумуляторам, в литературе иногда обозначаемым как «LiFePO4». Последнее обусловлено тем, что положительный электрод у данных аккумуляторов изготавливают на основе литированного фосфата железа.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы неприхотливы, отличаются стабильной и безопасной работой. Они способны отдавать значительные токи и работать в весьма широком диапазоне температур. Они не боятся функционировать при минусовых температурах, что особенно важно для судов, предназначенных для работы в средних широтах.
В свете сказанного весьма заманчивой представляется возможность применения подобных аккумуляторов на судне с электродвижением, то есть на таком судне, которое для обеспечения своего хода использует запасённую в аккумуляторах электрическую энергию.
Явным недостатком данной схемы – прототипа заявляемого технического решения в случае его применения на судне с электродвижением становится невозможность для членов экипажа судна отслеживать степень заряда, а также разряда аккумуляторов, используемых для обеспечения хода судна. Данный недостаток может стать совершенно критическим, если квалификация обслуживающего персонала на судне окажется недостаточной.
Задача, решаемая заявляемым техническим решением, состоит в расширении функциональных возможностей устройства – прототипа путём организации обеспечения возможности обслуживающему персоналу судна с электродвижением контролировать степень заряда, а также разряда аккумуляторов, используемых для обеспечения хода судна.
Поставленная задача решается следующим образом.
Балансир для судна с электродвижением, содержащий первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый транзистор и первую микросхему TL431. Причем первый вывод первого резистора соединен с положительной клеммой аккумулятора.
Второй вывод второго резистора соединён с первым выводом третьего резистора. Их общая точка соединена с первым выводом первой микросхемы TL431. Второй вывод первой микросхемы TL431 соединён с вторым выводом четвёртого резистора. Их общая точка соединена с базой первого транзистора.
Коллектор первого транзистора, третий вывод первой микросхемы TL431 и второй вывод третьего резистора соединены с отрицательной клеммой аккумулятора.
Для решения поставленной задачи в балансир введены: реле, светодиод, пятый, шестой, седьмой и восьмой резисторы, второй транзистор и вторая микросхема TL431. Причем анод светодиода, первые выводы второго, четвертого, пятого и седьмого резисторов, а также эмиттер второго транзистора соединены с положительной клеммой аккумулятора.
Второй вывод пятого резистора соединён с первым выводом шестого резистора. Их общая точка соединена первым выводом второй микросхемы TL431. Второй вывод седьмого резистора соединён со вторым выводом второй микросхемы TL431. Их общая точка соединена с базой второго транзистора. Коллектор второго транзистора соединён с первым выводом обмотки реле.
Анод светодиода соединён с первым выводом восьмого резистора. Второй вывод восьмого резистора соединён со вторым выводом первого резистора. Их общая точка соединена с эмиттером первого транзистора. Второй вывод обмотки реле, третий вывод второй микросхемы TL431 и второй вывод шестого резистора соединены с отрицательной клеммой аккумулятора.
Пример реализации заявляемого технического решения иллюстрируется на фиг. 1, где представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства, и фиг. 2, где изображена функциональная схема аккумуляторной батареи, заряд которой, в первую очередь, предназначен для обеспечения хода судна.
R7
R4
R5
R6
R1
R2
R3
R8
VT2
VT1
1C2
1C1
K1
J1
АПС
На фиг. 1 обозначены: первый резистор (), второй резистор (), третий резистор (), четвертый резистор (), пятый резистор (), шестой резистор (), седьмой резистор (), восьмой резистор (), первый транзистор (), второй транзистор (), первая микросхема TL431 (), вторая микросхема TL431 (), обмотка реле (), светодиод (), судовая аварийно-предупредительная сигнализация (). Положительная клемма аккумулятора обозначена знаком «плюс». Отрицательная клемма аккумулятора – знаком «минус».
Между перечисленными элементами установлены следующие соединения.
R7
R4
R5
1C2
Первый вывод первого резистора () соединен с положительной клеммой аккумулятора (+). Второй вывод второго резистора () соединён с первым выводом третьего резистора (). Их общая точка соединена с первым выводом первой микросхемы TL431 ().
1C2
R6
VT2
VT2
1C2
R5
Второй вывод первой микросхемы TL431 () соединён с вторым выводом четвёртого резистора (). Их общая точка соединена с базой первого транзистора (). Коллектор первого транзистора (), третий вывод первой микросхемы TL431 () и второй вывод третьего резистора () соединены с отрицательной клеммой аккумулятора.
J1
R4
R6
R1
R3
VT1
Анод светодиода (), первые выводы второго (), четвертого (), пятого () и седьмого () резисторов, а также эмиттер второго транзистора () соединены с положительной клеммой аккумулятора.
R1
R2
1C1
R3
1C1
VT1
Второй вывод пятого резистора () соединён с первым выводом шестого резистора (), их общая точка соединена первым выводом второй микросхемы TL431 (), второй вывод седьмого резистора () соединён со вторым выводом второй микросхемы TL431 (). Их общая точка соединена с базой второго транзистора ().
VT1
K1
J1
R8
R8
R7
VT2
K1
1C1
R2
Коллектор второго транзистора () соединён с первым выводом обмотки реле (). Анод светодиода () соединён с первым выводом восьмого резистора (). Второй вывод восьмого резистора () соединён со вторым выводом первого резистора (). Их общая точка соединена с эмиттером первого транзистора (), второй вывод обмотки реле (), третий вывод второй микросхемы TL431 () и второй вывод шестого резистора () соединены с отрицательной клеммой аккумулятора.
На фиг. 2 представлена функциональная схема аккумуляторной батареи. Здесь использованы следующие обозначения:
G1
G2 … Gn
,  – ячейки аккумуляторной батареи;
V1
V2 … Vn
,  – блоки контроля ячеек аккумуляторной батареи, принципиальная электрическая схема которых изображена на фиг. 1;
АПС
– используемая на судне аварийно-предупредительная сигнализация.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Литиевые аккумуляторы принято заряжать в 2 этапа: сначала – стабилизированным током до требуемого напряжения, например, приблизительно, 3,2 В, а затем, при стабильном напряжении – до тех пор, пока величина тока зарядки не упадет до своего наименьшего значения примерно 0,01 … 0,05 А. Этот алгоритм в литературе получил обозначение «CC/CV» (Constant Current / Constant Voltage). Разумеется, по вопросу, до какого значения напряжения следует заряжать те аккумуляторы, которые будут установлены на судне с электродвижением, лучше всего руководствоваться рекомендациями их изготовителя.
Отметим, что применяемый в предлагаемом техническом решении балансир целесообразно использовать только в батареях с очень близкими по ёмкости аккумуляторами. Другими словами, применение балансиров накладывает дополнительные требования на подбор аккумуляторов перед комплектованием и сборкой всей аккумуляторной батареи. В идеале все элементы в сборке должны быть одинакового химического состава, равной ёмкости, одного производителя и, лучше всего, из одной партии.
Балансир – электронная схема, представленная на фиг. 1, устанавливается на каждой ячейке аккумуляторной батареи и может крепиться непосредственно на клеммах контролируемого аккумулятора.
Основной принцип балансировки – это шунтирование резисторами тех ячеек аккумуляторов в батарее, напряжение на клеммах которых оказалось более установленного.
R7
В предлагаемом устройстве для этой цели используется первый резистор (), см. фиг. 1. При его задействовании по нему может потечь достаточно большой ток. Поэтому конструкция данного резистора должна обеспечивать возможность рассеивать соответствующие мощности.
Балансиры контролируют напряжение на аккумуляторах, каждый на своём, а при достижении в процессе зарядки заданного значения инициируют включение силового ключа.
VT2
R7
R7
Силовой ключ в предлагаемом устройстве – это первый транзистор () на фиг. 1. Он подключает параллельно контролируемой аккумуляторной ячейке первый резистор (). Когда остаточный ток зарядки становится меньше величины тока, проходящего через первый резистор (), рост напряжения на заряжаемом аккумуляторе останавливается. При этом другие аккумуляторы (с меньшим напряжением на своих клеммах) продолжают заряжаться до тех пор, пока в аккумуляторной батарее (см. фиг. 2) не сработают балансиры каждого из них. Таким образом, напряжение на каждой из ячеек аккумуляторной батареи станет равным пороговому значению, на которое настроен её балансир.
1C2
1C1
Микросхема TL431 (на фиг. 1 первая микросхема TL431 обозначена как , а вторая – как ) – это интегральная схема трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем данная микросхема способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА. При этом она хорошо обеспечивает управление мощными транзисторами, а стоит очень недорого.
1C2)
R4
R5
VT2
R7
VT2
На фиг. 1 для первой микросхемы TL431 ( функцию внешнего делителя осуществляют второй резистор () и третий резистор (). В отсутствие иных рекомендаций изготовителя ячеек аккумуляторной батареи для литий-железо-фосфатных аккумуляторов номиналы данных резисторов можно подбирать такими, чтобы микросхема срабатывала при 3,6 … 3,65 В. При этом будет открываться (переходить в проводящее состояние) первый транзистор (), а контролируемая аккумуляторная ячейка – шунтироваться по цепи «первый резистор () – первый транзистор ()».
p–n
VT2
R7
J1
R8
Напряжение достигшей «порогового» значения ячейки аккумуляторной батареи за минусом падения на  переходах первого транзистора () окажется приложено не только к первому резистору (), но также и к подключенной параллельно с ним цепочке «светодиод () – восьмой резистор ()».
R8
J1
Номинал восьмого резистора () подбирается таким образом, чтобы ток, протекающий по данной цепочке при «пороговом» напряжении составлял 0,02 … 0,03 А. То есть так, чтобы светодиод () начал светиться, но при этом не сгорел.
J1
Физически светодиод () от каждого блока контроля ячеек аккумуляторной батареи, см. фиг. 2, может быть выведен на панель контроля энергетической установки в центральном посту управления (ЦПУ) или рулевой рубке судна – в зависимости от того, что с точки зрения его эксплуатации будет сочтено более безопасным.
Цвет светодиода (красный, жёлтый, зелёный или белый) также должен выбираться, исходя из соображений безопасной эксплуатации судна. Панель контроля энергетической установки – достаточно важная часть аварийно-предупредительной сигнализации (АПС) судна.
Каждый засветившийся светодиод будет восприниматься обслуживающим персоналом как ещё один полностью заряженный аккумулятор в заряжаемой батарее. Решение о прекращении зарядки батареи будет приниматься экипажем, исходя из располагаемого лимита времени и с учетом количества полностью заряженных аккумуляторов в ней.
1C1)
R2
R3
Для второй микросхемы TL431 ( в качестве «внешнего делителя» выступают пятый резистор () и шестой резистор (). Данная микросхема задействована при контроле степени разряда литиевого аккумулятора, во время хода судна. При отсутствии иных рекомендаций изготовителя ячеек аккумуляторной батареи для литий-железо-фосфатных аккумуляторов номиналы данных резисторов можно подбирать такими, чтобы микросхема срабатывала, например, при 2,9 … 3,05 В.
VT1
K1
K1
В случае если напряжение на клеммах контролируемого аккумулятора упадёт ниже установленного предела, второй транзистор () закроется (перейдёт в слабопроводящее состояние) и тем самым обесточит обмотку реле (). При этом замкнётся размыкающий (нормально замкнутый) контакт реле (), вызвав срабатывание аварийно-предупредительной сигнализации.
Данное срабатывание АПС должно предупреждать экипаж судна о недопустимо глубоком разряде контролируемой ячейки в аккумуляторной батарее, используемой для обеспечения хода судна. Оно должно «квитироваться». Другими словами, звуковое сопровождение сигнализации о подобных случаях обслуживающим персоналом судна может быть отключено только непосредственно, вручную. При дальнейшем разряде аккумуляторов судно может остаться без хода, если на нём не предусмотрены другие источники энергии.
Представленное описание позволяет вполне однозначно утверждать, что реализация заявляемого технического решения несомненно обеспечивает решение поставленной задачи. Благодаря вновь введенным элементам и связям в устройстве – прототипе безусловно обеспечена возможность обслуживающему персоналу судна с электродвижением контролировать степень заряда, а также разряда аккумуляторов, используемых для обеспечения хода судна.
Контроль степени заряда аккумуляторной батареи позволит экипажу судна экономить электроэнергию, если зарядное устройство будет отключаться от сети, как только каждая ячейка батареи наберёт необходимый заряд.
Степень разряда аккумуляторов необходимо контролировать, чтобы судно с электродвижением не осталось без хода на переходе из одного порта к другому.