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

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании высоковольтных батарей для нужд транспорта и энергетики.
Проблема обеспечения длительного срока службы высоковольтных и энергоемких аккумуляторных батарей, состоящих из большого числа последовательно соединенных аккумуляторов, является актуальной, поскольку даже небольшие различия в характеристиках отдельных аккумуляторов, имеющие место при комплектовании батарей, в процессе эксплуатации приводят к значительному разбалансу в степени заряженности отдельных аккумуляторов. Следствием этого являются снижение уровня отдаваемой емкости батареей в нагрузку, перезаряд и переразряд отдельных элементов с возможностью их переполюсовки, разгерметизации и других необратимых и нежелательных явлений, что в итоге приводит к сокращению срока службы батарей. Одним из решений указанной проблемы является выравнивание разбаланса напряжений между отдельными элементами батареи (электрическими накопителями энергии) путем селективного шунтирования избыточного напряжения отдельных накопителей с помощью резисторов в системе управления батареей с пассивной балансировкой [см. патент РФ на изобретение №2324263, опубл. 27.01.2008 г.].
Однако данное техническое решение энергетически не эффективно, так как приводит к непроизводительным потерям энергии, а также вызывает нежелательный перегрев батареи, поскольку выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батарейных модулей.
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 НЛП «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 батареи и контроллером последовательного канала на среднем уровне управления, подключенным по последовательному каналу связи с блоком управления батареей верхнего уровня управления, подключенным к бортовому зарядному устройству (БЗУ). Устройство активного выравнивания на нижнем уровне управления известной системы построено с использованием активной трансформаторной схемы, осуществляющей перераспределение энергии внутри батареи между накопителями модуля и не имеющей таких тепловых потерь энергии как пассивные схемы.
Основным недостатком известной системы является сложность реализации использованного в ней активного метода выравнивания заряда, поскольку трансформатор в известной системе должен иметь на одном сердечнике обмотки по числу накопителей, которое реально не превышает 10-12 шт., в связи с чем остается не решенной проблема межмодульного выравнивания. Кроме того, известная система характеризуется недостаточной степенью интеграции с батареей, не позволившей реализовать на уровне единичных накопителей энергии не только устройство выравнивания, устанавливаемое непосредственно на борнах каждого накопителя, но и устройство контроля и управления для каждого накопителя, установленное в известной системе на боковой поверхности батарейных модулей.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данному изобретению является иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии по заявке РФ на полезную модель №2012132679 от 30.07.2012 г.
Известная трехуровневая иерархическая система управления запитана от батареи и 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, подключенным по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку управления батареей (БУБ) верхнего уровня управления, связанному с БЗУ и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи и подключенному к соединенным последовательно с батарейными модулями накопителей датчику тока и коммутатору. Блоки БУН известной системы содержат устройство выравнивания заряда и устройство контроля и управления в виде единой конструктивной схемы для каждого накопителя батареи, в которой устройство выравнивания выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя в сквозную накопительную магистраль батареи постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы блоков БУН, подключенные параллельно вторичным обмоткам обратно-ходового накопительного трансформатора, повышающего в сторону накопительной магистрали батареи, с зашунтированными диодами электронными ключами в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Устройство контроля и управления блоков БУН выполнено на основе запитанного от накопителя через повышающий преобразователь напряжения микроконтроллера, подключенного к электронным ключам в первичной и вторичной обмотках трансформатора устройства выравнивания через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, запитанные от повышающего преобразователя напряжения. Первичная обмотка трансформатора соединена с борном «+» соответствующего накопителя через плавкий предохранитель и датчик тока и через электронный ключ - с борном «-» накопителя и общим проводом повышающего преобразователя напряжения, микроконтроллера и драйверов управления электронными ключами устройства выравнивания. Выходы датчика тока, датчика температуры и борн «+» накопителя подключены к шине измерительных сигналов микроконтроллера, к шине разовых команд которого подключены блок задания идентификационного номера накопителя, индикатор состояния накопителя и компараторы верхнего и нижнего уровней, подключенные к накопительной магистрали батареи через самовосстанавливающийся предохранитель. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блоков БУН подключены через устройства гальванической развязки к внутримодульному последовательному каналу связи, подключенному к соответствующему блоку БУМ среднего уровня управления, соединенному с клеммами «+» и «-» соответствующего модуля накопителей, а также с клеммами «+» и «-» накопительной магистрали батареи.
Недостатком известной системы, выбранной в качестве прототипа, является недостаточная скорость выравнивания заряда, поскольку энергию от выбранных накопителей приходится передавать вначале в накопительную магистраль батареи, а только потом обратно в выбранные накопители, что возможно только под управлением микроконтроллеров верхних уровней управления. Кроме того, известная система имеет низкий коэффициент полезного действия (кпд) процесса перераспределения энергии между накопителями.
Перед заявленным изобретением была поставлена задача ускорения процессов выравнивания заряда между накопителями батареи с тем, чтобы, например, к моменту окончания заряда батареи от зарядного устройства выравнивание заряда было завершено, и повышения кпд и надежности работы системы по выравниванию заряда между накопителями батареи.
Поставленная задача решается тем, что предложена иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая микроконтроллерные блоки БУН на нижнем уровне управления, подключенные по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам БУМ на среднем уровне управления, подключенным по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку БУБ верхнего уровня управления, связанному с бортовым зарядным устройством (БЗУ) и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи и подключенному к соединенным последовательно с батарейными модулями накопителей датчику тока и коммутатору. Блоки БУН содержат устройство выравнивания заряда и устройство контроля и управления в виде единой конструктивной схемы для каждого накопителя батареи, в которой устройство выравнивания выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя в сквозную накопительную магистраль батареи постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы блоков БУН, подключенные параллельно вторичным обмоткам обратно-ходового накопительного трансформатора, повышающего в сторону накопительной магистрали батареи, с зашунтированными диодами электронными ключами в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Устройство контроля и управления блоков БУН выполнено на основе запитанного от накопителя через повышающий преобразователь напряжения микроконтроллера, подключенного к электронным ключам в первичной и вторичной обмотках трансформатора через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, запитанные от повышающего преобразователя напряжения. Первичная обмотка трансформатора соединена с борном «+» соответствующего накопителя через плавкий предохранитель и датчик тока и через электронный ключ - с борном «-» накопителя и общим проводом повышающего преобразователя напряжения, микроконтроллера и драйверов управления электронными ключами устройства выравнивания. Выходы датчика тока, датчика температуры и борн «+» накопителя подключены к шине измерительных сигналов микроконтроллера, к шине разовых команд которого подключены блок задания идентификационного номера накопителя, индикатор состояния накопителя и компараторы верхнего и нижнего уровней, подключенные к накопительной магистрали батареи через самовосстанавливающийся предохранитель. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блоков БУН подключены через устройства гальванической развязки к внутримодульному последовательному каналу связи, подключенному к соответствующему блоку БУМ среднего уровня управления, соединенному с клеммами «+» и «-» соответствующего модуля накопителей, а также с выводами «+» и «-» накопительной магистрали батареи.
Новым в предложенной системе является то, что в устройство выравнивания блоков БУН системы введен второй канал активного соседнего выравнивания на основе накопительного дросселя, подключенного одним выводом через датчик тока дросселя к борну «-» накопителя, а другим - к выходу запитанного от преобразователя напряжения и управляемого от микроконтроллера полумостового драйвера со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя через датчик тока и плавкий предохранитель, а с другого - к борну «-» соседнего накопителя и к шине измерительных сигналов микроконтроллера, подключенной к выходу датчика тока накопительного дросселя.
Технический результат заявленного изобретения состоит в ускорении процессов выравнивания заряда в накопителях и повышении их кпд и надежности.
На фиг.1 представлена функциональная блок-схема заявленной иерархической трехуровневой системы управления высоковольтной батареи электрических накопителей энергии.
Заявленная система содержит модули 1 последовательно соединенных накопителей 2 с датчиками температуры 3 и устройствами выравнивания заряда на основе трансформаторной схемы 4, связанной с соответствующим устройством контроля и управления 5, подключенным с помощью внутримодульного последовательного канала связи 6 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) и межмодульного последовательного канала связи 8 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) к блоку БУБ 9 подключенному к соединенным последовательно с модулями 1 накопителей 2 датчику тока 10, коммутатору 11 и БЗУ 12, подключенному к внешней трехфазной сети переменного тока через выводы 13. Выходы последовательного интерфейса блока БУБ 9 подключены через устройство гальванической развязки (на чертеже не показано) к последовательному каналу связи 14 с внешней ЭВМ и БЗУ 12. Модули 1 электрических накопителей энергии содержат блоки 15 задания идентификационных номеров модулей и установленных в них накопителей и индикатора 16 состояния модулей 1 накопителей 2 батареи. Устройство выравнивания 4 и устройство контроля и управления 5 выполнены для каждого накопителя 2 батареи в виде единой конструктивной схемы управления нижнего уровня - блока БУН 17, в котором устройство выравнивания 4 выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя 2 в специально созданную накопительную магистраль 18 постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы 19 блоков БУН 17, подключенные параллельно вторичным обмоткам накопительного трансформатора 20, выполненного по типу трансформатора обратно-ходового преобразователя напряжения, повышающего в сторону накопительной магистрали 18 батареи, с зашунтированными диодами 21 электронными ключами 22 в первичной и вторичной цепях трансформатора 20. Устройство контроля и управления 5 блока БУН 17 выполнено на основе запитанного от накопителя 2 через повышающий преобразователь напряжения 23 микроконтроллера 24, подключенного к электронным ключам 22 в первичной и вторичной цепях накопительного трансформатора 20 устройства выравнивания 4 через драйвер 25 и драйвер с гальванической развязкой 26, запитанные от повышающего преобразователя напряжения 23. Первичная обмотка трансформатора 20 блока БУН 17 соединена с борном «+» соответствующего накопителя 2 через плавкий предохранитель 27 и датчик тока 28 и через электронный ключ 22 - с выводом «-» накопителя 2 и общим проводом преобразователя напряжения 23, микроконтроллера 24 и драйверов 25, 26 управления ключами 22. Выходы датчика тока 28, датчика температуры 3 и борн «+» накопителя 2 подключены к шине 29 измерительных сигналов микроконтроллера 24 блока БУН 17, к шине разовых команд 30 которого подключены блок задания 15 идентификационного номера накопителя 2, индикатор состояния 16 накопителя 2 и компараторы верхнего 31 и нижнего 32 уровня, подключенные к накопительной магистрали 18 батареи через самовосстанавливающийся предохранитель 33. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера 24 блоков БУН 17 подключены через устройства гальванической развязки (на чертеже не показаны) к внутримодульному последовательному каналу связи 6, подключенному к блоку БУМ 7 среднего уровня управления батареей. Устройство выравнивания заряда 4 содержит также второй канал соседнего выравнивания на основе накопительного дросселя 34, подключенного одним выводом через датчик тока 35 дросселя 34 к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей 2, а другим к выходу запитанного от преобразователя напряжения 23 и управляемого от микроконтроллера 24 полумостового драйвера 36 со схемой управления 37, а также со встроенными и зашунтированными диодами 21 электронными ключами 22, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя 2 через датчик тока 28 и плавкий предохранитель 27, а с другого - к борну «-» соседнего накопителя 2 и к шине измерительных сигналов 29 микроконтроллера 24, подключенного к выходу датчика тока 35 накопительного дросселя 34.
Заявленная иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареи электрических накопителей энергии работает следующим образом.
В режиме заряда батареи от высоковольтного источника постоянного тока, подключенного к внешним клеммам батареи «+» и «-», или от БЗУ 12, подключаемого к внешней сети переменного тока через выводы 13, зарядный ток проходит через все последовательно соединенные накопители 2, конструктивно объединенные в модули 1, от клеммы «+» до клеммы «-» модулей и всей батареи, что распознается блоком БУБ 9 с помощью датчика тока 10. Микроконтроллеры 24 блоков БУН 17, запитанные от повышающих преобразователей напряжения 23, одновременно измеряют и постоянно контролируют величину напряжения на каждых двух соседних накопителях 2 модулей 1 через шину измерительных сигналов 29 с помощью встроенного в микроконтроллер 24 АЦП и передают полученную информацию и свой идентификационный номер, задаваемый блоком 15, через шину разовых команд 30, по последовательным каналам связи 6 и 8 через блок БУМ 7 в блок БУБ 9. При выходе величины напряжения на любом единичном накопителе 2 за допустимые пределы, хранящиеся в качестве уставок в памяти микроконтроллерного блока БУБ 9, последний разрывает зарядную цепь батареи с помощью коммутатора 11. Выравнивающее устройство 4 блоков БУН 17 под управлением микроконтроллеров 24 и блоков БУМ 7 может осуществлять внутримодульное выравнивание напряжения с помощью механизма дроссельного соседнего выравнивания, перераспределяя энергию между соседними накопителями 2 модуля 1 по результатам текущих измерений напряжений на соседних накопителях 2, осуществляемых микроконтроллером 24 и обрабатываемых блоком БУМ 7. Кроме того, выравнивающее устройство 4 блоков БУН 17 под управлением микроконтроллеров 24 и блока БУБ 9 может одновременно осуществлять межмодульное выравнивание напряжения, перераспределяя энергию между модулями 1 накопителей с помощью механизма трансформаторного селективного выравнивания напряжений на накопителях модулей и двунаправленной передачи энергии в накопительную магистраль батареи. При этом могут быть учтены накопленные при эксплуатации батареи статистические данные о качестве отдельных ее накопителей. Более подробно выравнивающее устройство 4 работает следующим образом. В случае превышения напряжения на каком-либо накопителе 2 относительно соседнего накопителя 2 батареи микроконтроллер 24 через схему управления 37 драйвера 36 замыкает соответствующий ключ 22 и обеспечивает передачу энергии с кпд около 90% с более заряженного накопителя 2 в дроссель 34 и далее после размыкания ключа 22 - в менее заряженный накопитель 2 через соответствующий диод 21. При этом для предотвращения насыщения дросселя 34 микроконтроллер 24 измеряет ток, протекающий через дроссель 34, и в случае превышения заданных значений изменяет соответствующим образом параметры управляющего драйвером 36 ШИМ-сигнала. Механизм активного трансформаторного межмодульного выравнивания работает следующим образом. В случае превышения среднего значения напряжений накопителей какого-либо модуля 1 относительно других модулей батареи, выявленного микроконтроллерным блоком БУБ 9, последний выдает команду по последовательному каналу связи 8 в соответствующий блок БУМ 7, которая перетранслируется микроконтроллером этого блока по последовательному каналу связи 6 в соответствующий микроконтроллер 24 блока БУН 17. Микроконтроллер 24 через драйвер 25 замыкает ключ 22 ШИМ-сигналом на время, соответствующее величине разбаланса, одновременно контролируя ток в первичной обмотке трансформатора 20 через шину измерительных сигналов 29 с помощью датчика тока 28. При замыкании ключа 22 к первичной обмотке накопительного трансформатора 20 прикладывается напряжение выбранного накопителя 2, и в трансформаторе 20 начинает нарастать магнитный поток и, следовательно, накапливается энергия. При запирании электронного ключа 22 и отключении первичной обмотки трансформатора 20 от соответствующего накопителя 2 ток через первичную обмотку трансформатора 20 резко уменьшается, наводя в его вторичной обмотке ЭДС, отпирающую соответствующий диод 21. Во вторичной обмотке трансформатора 20 начинает протекать ток, который заряжает конденсатор 19 накопительной магистрали 18 батареи. За счет изменения временных параметров ШИМ-сигнала в первичной цепи трансформатора 20 можно управлять величиной энергии в накопительной магистрали 18. Таким образом осуществляется передача энергии с кпд около 70% от выбранного накопителя 2 батареи в накопительную магистраль 18. В случае снижения среднего напряжения в модуле относительно других модулей механизм селективной передачи энергии запускается в обратном направлении для обеспечения дозаряда выбранного накопителя. Микроконтроллер 24 замыкает ключ 22 через драйвер 26 во вторичной цепи трансформатора 20, после размыкания которого наводится ЭДС в первичной обмотке трансформатора 20, открывается соответствующий диод 21, и запасенная в накопительном трансформаторе 20 энергия передается выбранному накопителю 2, повышая напряжение на нем. Если оказалось, что накопительная магистраль 18 разряжена, это будет обнаружено блоками БУМ 7 и БУБ 9, а также микроконтроллерами 24 блоков БУН 17 с помощью компараторов 32 нижнего уровня. Схемы выравнивания 4 блоков БУН 17 при этом будут передавать энергию от наиболее заряженных накопителей 2 в накопительную магистраль 18 до установления в ней напряжения в допустимых границах, величины которых хранятся в качестве уставок в энергонезависимой памяти блока БУБ 9. Если же в процессе балансировки напряжение в накопительной магистрали 18 превысит верхний пороговый уровень, сработают компараторы 31 в блоках БУН 17, и микроконтроллеры 24 прекратят выполнять передачу энергии в накопительную магистраль 18, а получив соответствующую команду от блока БУБ 9, могут перейти к режиму передачи энергии в накопители 2, разряжая тем самым накопительную магистраль 18 и уменьшая напряжение в ней. В режиме разряда батареи ток течет через батарею в противоположном заряду направлении, отдавая энергию батареи в нагрузку. При этом продолжают работать механизмы селективного и соседнего выравнивания напряжения по результатам измерений на нижнем уровне управления и обработки этой информации на верхнем уровне. Если происходит переразряд какого-либо накопителя 2, то блок БУБ 9, получив об этом информацию от соответствующего микроконтроллера 24 нижнего уровня управления, разрывает силовую цепь нагрузки с помощью коммутатора 11, а соответствующее устройство выравнивания 4 под управлением микроконтроллера 24 будет вести контролируемую передачу энергии в данный накопитель из общей накопительной магистрали 18. В режиме хранения энергии ток в силовой цепи батареи отсутствует. При этом может одновременно производиться как внутримодульное, так и межмодульное выравнивание напряжений на накопителях батареи с помощью описанных механизмов выравнивания. В любом из режимов работы блоки БУН 17 осуществляют измерение температуры соответствующих накопителей 2 на одном из его борнов с помощью датчиков температуры 3 по шине измерительных сигналов 29 и передают измеренные значения по последовательному каналу связи 6 в блок БУМ 7, который осуществляет терморегуляцию в модулях накопителей (на чертеже не показана). В случае перегрева или переохлаждения накопителей 2 микроконтроллеры 24 и блоки БУМ 7 и БУБ 9 выдают соответствующую информацию по последовательным каналам связи 6, 8 и 14 во внешнюю ЭВМ. Эта информация содержит также данные о числе накопителей в модулях и числе модулей в батарее, данные о состоянии накопителей, величинах напряжений на модулях и батарее, наличии аварийных ситуаций в батарее (перегрев, перезаряд, переразряд, отказы микроконтроллеров и т.д.). В качестве полумостового драйвера 36 со встроенными электронными ключами может быть использована микросхема IR 3553 MPBF (International Rectifier).