Устройство контроля и балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи

Устройство контроля и балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи
Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, в частности к литий-ионным аккумуляторным батареям (ЛИАБ), их устройствам контроля и балансировки, и может быть использована в составе систем электропитания автономных робототехнических комплексов, а также другой аппаратуры, требующей автономного питания.
Известно изобретение «Устройство выравнивания напряжения на батарее» (патент США "Stackable Bi-directional Multicell Battery Balancer" № US 8692516 B2, МПК: H02J 7/00, опубликован 08.04.2014).
Указанное устройство представляет собой систему из двунаправленных преобразователей энергии обратноходового типа, способную передавать энергию от всей батареи наименее заряженному элементу и энергию от наиболее заряженного элемента всей батарее. Устройство позволяет измерять напряжение каждого отдельного элемента ЛИАБ.
Недостатком данного устройства является сложность схемы управления, обуславливающая необходимость применения специализированных микросхем LTC3300, что не всегда возможно. Реализация логики работы микросхемы LTC3300 на элементной базе общего назначения достаточно сложна.
Условно можно выделить два принципиальных подхода к построению отказоустойчивых систем питания на основе ЛИАБ:
каждый "этаж" ЛИАБ состоит из большого количества элементов типа, например, Panasonic 18650. При этом велика вероятность выхода из строя части элементов в процессе эксплуатации, что может привести к разнице емкостей между "этажами" ЛИАБ;
каждый "этаж" ЛИАБ может состоять из одного или нескольких элементов большой емкости, подобранных по емкости и разрядным кривым и обладающих высокой надежностью.
Для батарей, построенных в соответствии с первым подходом, устройство балансировки должно выполнять две функции: компенсацию собственных токов утечки аккумуляторных элементов и компенсацию токов, обусловленных разностью емкостей "этажей". Для батарей, построенных в соответствии со вторым подходом, устройство балансировки выполняет только функцию компенсации собственных токов утечки аккумуляторных элементов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели устройством, принятым за прототип и реализующим первый из описанных подходов, является устройство выравнивания напряжения на батарее (патент на изобретение США "Charge Redistribution Method For Cell Arrays" № US 2014103857 A1, МПК: H02J 7/00, опубликован 17.04.2014).
Данное устройство, представляющее собой систему активного (недиссипативного) типа для выравнивания напряжения на последовательно соединенных элементах аккумуляторной батареи состоит из трансформатора с общим сердечником и одинаковыми по количеству витков рабочими обмотками, такими что, по крайней мере, два соседних электрических накопителя имеют одну общую пару рабочих обмоток, которая своей общей точкой подключена к общей точке соединения этих электрических накопителей, а свободными концами эта пара рабочих обмоток подключена через управляющие ключевые элементы к другим выводам соответствующих электрических накопителей, а также генератора импульсов, выполненного в виде преобразователя постоянного напряжения и управляемых ключевых элементов, выполненных на полевых транзисторах.
Недостатком данного устройства является невозможность измерения напряжения каждого аккумуляторного элемента в отдельности, что необходимо для определения момента включения и выключения системы балансировки, в результате чего процесс балансировки происходит в течение всего времени эксплуатации батареи или, по крайней мере, в течение всего процесса заряда батареи. Это, в свою очередь, ведет к повышенным потерям энергии на коммутацию полевых транзисторов, входящих в состав балансировочного устройства, и уменьшению его КПД.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка устройства с эффективной системой балансировки, обеспечивающей снижение потерь энергии и увеличение срока службы батареи за счет того, что система включается только при превышении разности напряжений на элементах ЛИАБ определенного порогового значения.
Задача решается за счет введения в систему балансировки коммутатора для измерения напряжения каждого элемента аккумуляторной батареи в отдельности и введения микропроцессора для управления системой балансировки.
На Фиг. 1 показана структурная схема устройства контроля и балансировки ЛИАБ.
На Фиг. 2 представлена упрощенная принципиальная схема выборки и хранения результатов измерения коммутатора.
На Фиг. 3 представлен вариант схемы согласующего усилителя коммутатора.
На Фиг. 4 представлена упрощенная принципиальная схема балансировочного устройства.
На Фиг. 5 представлена упрощенная принципиальная схема драйвера группы транзисторов балансировочного устройства.
Предлагаемое устройство контроля и балансировки является функционально законченным микропроцессорным устройством, предназначенным для осуществления контроля и управления ЛИАБ, состоящей из произвольного числа аккумуляторных элементов.
Устройство состоит из следующих функциональных узлов (фиг. 1):
1. Микропроцессор;
2. Система балансировки со встроенным коммутатором.
Микропроцессор выполнен по технологии "кремний на изоляторе" и обеспечивает выполнение требуемых алгоритмов управления при высокой стойкости к внешним воздействующим факторам, в том числе к ионизирующим излучениям. Система управления также может быть построена и на базе микропроцессора, выполненного по технологии объемного кремния или по иным технологиям.
Система балансировки со встроенным коммутатором осуществляет выравнивание напряжения на элементах, что необходимо для обеспечения максимальной зарядной емкости ЛИАБ и обеспечения максимального ресурса аккумуляторных элементов ЛИАБ.
Коммутатор, осуществляющий измерение напряжения на элементах ЛИАБ, выполнен на базе твердотельных двухканальных МОП реле.
В связи с тем, что каждый "этаж" ЛИАБ состоит из большого количества аккумуляторных элементов, часть из которых может в процессе эксплуатации выйти из строя, используется первый из двух описанных подходов, состоящий в компенсации собственных токов утечки аккумуляторных элементов и токов, обусловленных разностью емкостей "этажей" ЛИАБ.
Коммутатор решает задачу точного измерения напряжения на аккумуляторных элементах независимо от синфазного потенциала обкладок элемента относительно общего потенциала схемы контроля и балансировки.
Микропроцессор осуществляет контроль и управление ЛИАБ, при этом микропроцессор управляет коммутатором, который в свою очередь подключает элементы ЛИАБ к микропроцессору для измерения напряжения на них.
Устройство работает следующим образом:
1. Во время бездействия аккумуляторной батареи микропроцессор находится в спящем режиме, периодически выходя из него для:
контроля общего напряжения ЛИАБ;
контроля напряжения элементов ЛИАБ.
Питание в этом режиме подается только во время работы микропроцессора. В спящем режиме потребление минимально.
2. В случае, если разница напряжений элементов ЛИАБ превышает заданную величину, микропроцессор включает балансировочное устройство. Процесс выравнивания напряжения на элементах ЛИАБ происходит аналогично тому, как указано в прототипе. После выравнивания напряжения элементов ЛИАБ с заданной точностью микропроцессор выключает балансировочное устройство.
3. В процессе заряда ЛИАБ микропроцессор автоматически включает систему балансировки на все время заряда.
Коммутатор построен на базе двухканальных твердотельных МОП реле. Упрощенная принципиальная схема коммутатора показана на фиг. 2. Для измерения напряжения заданного элемента, например CELL1, на вход управления коммутатором CELL1_BUF микропроцессор подает напряжение 5 В. Выходы одного канала реле подключены с одной стороны к первому элементу ЛИАБ CELL1, а с другой - к шине CELL+. Выходы второго канала реле подключены с одной стороны ко второму элементу ЛИАБ CELL2, а с другой - к шине CELL-. Таким образом, при подаче управляющего сигнала на вход CELL1_BUF открываются ключи твердотельного МОП реле VL1 и на выходах CELL+ и CELL- формируется напряжение, равное напряжению на элементе CELL1.
В течение заданного периода времени происходит заряд емкости С1, показанной на фиг. 3. По истечении заданного периода реле VL1 отключается и включается реле VL5, подключающее конденсатор С1 к усилителю, согласующему напряжение на элементе с входным диапазоном напряжений АЦП микропроцессора. Усилитель должен иметь высокое дифференциальное входное сопротивление, но возможна реализация упрощенной схемы дифференциального усилителя, если должным образом учитываются постоянные времени разряда емкости С1.
Для всех остальных аккумуляторных элементов ЛИАБ CELL2..CELLn схема подключения и процедура измерения аналогичны.
Техническим результатом является обеспечение эффективной балансировки батареи за счет возможности поэлементного контроля и включения системы балансировки только при превышении разности напряжений на элементах определенного порогового значения.