Устройство управления балансировкой напряжения суперконденсаторов

Суперконденсаторы (ионисторы, конденсаторы с двойным электрическим слоем, ультраконденсаторы, гибридные конденсаторы) имеют на несколько порядков большую емкость, чем электролитические конденсаторы, и позволяют получать относительно длительные импульсы тока до нескольких тысяч ампер. Наиболее перспективной областью их применения являются гибридные двигатели.
Для получения больших напряжений суперконденсаторы включают последовательно. При этом напряжения на конденсаторах ввиду разброса значений емкостей и токов утечек оказываются неравными, т.е. разбалансированными [Агупов ВВ. Особенности активной балансировки напряжений суперконденсаторов / В.В. Агупов, М.Ю. Чайка, Ю.Ю. Разуваев и др.]. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж, 2011. - Т. 7. - №10. - С. 85-88.]. При разбалансировке конденсатора могут деградировать, к тому же, существует вероятность взрыва.
Приведенная в [US Patent 2003/0214267 A1. Ultracapacitor balanc-ing circuit / Long L.P. - 2003.] схема, ограничивает напряжения суперконденсаторов номинальным значением. Большие токи шунтирования при малом токе утечки обеспечивают источником опорного напряжения на стабилитроне, компаратор и мощный транзисторный ключ. Баланс (равенство) напряжений достигается только при полной зарядке модуля. При малых напряжениях схема неактивна, и разброс напряжений на конденсаторах может быть довольно большим.
В патенте [US Patent 2004/0263121 A1. Charge balancing cir-cuit for double-layer capacitors / Thrap G.C. - 2004.] предложен способ, позволяющий осуществлять балансировку напряжений конденсаторов практически независимо от уровня заряда модуля. Выравнивание напряжений в разряженном состоянии модуля расходует энергию, в то время как необходимость в балансировке возникает только при достижении номинальных значений напряжений. К недостатку можно отнести и некоторую громоздкость схемы, поскольку требуется также N схем, но каждая схема должна подключаться не к одному, а к двум конденсаторам.
Во всех рассмотренных схемах балансировка осуществляется за счет рассеяния «избыточной» энергии конденсаторов в виде тепла, при этом к.п.д. источника значительно снижается.
Улучшенными энергетическими показателями обладает балансир из патента [US Patent 7,271,505 Bl. Voltage balancing in in-termediate circuit capacitors / Miettinen E. - 2007], который выбран в качестве прототипа. В нем предложено перекачивать энергию конденсатора с повышенным напряжением в конденсатор с пониженным напряжением. В качестве «посредника», переносчика зарядов используется дополнительный конденсатор. В предложенном решении выполняется одно из основных требований к эксплуатации модуля - высокий к.п.д. Недостатком является усложнение схемы балансировки, увеличение габаритов модуля за счет введения дополнительных конденсаторов большой емкости.
Идея полезной модели заключается в организации процесса балансировки конденсаторов батареи путем переключения пар соседних конденсаторов батареи с последовательного соединения на параллельное. Преимущество предлагаемого подхода по сравнению с прототипом заключается в упрощении схемы управления, снижении габаритов при низком уровне энергетических потерь.
Поставленная цель в устройстве управления балансировкой напряжения батареи суперконденсаторов достигается тем, что батарея состоит из N конденсаторных секций, конденсатор i-ой секции, начиная со второй, является компонентом управляющего модуля i-гo (УМ), УМ содержит также два управляемых двухпозиционных переключателя, блок управления (БУ), логический элемент 2ИЛИ, первый вывод УМ подключен ко второму коммутируемому контакту второго переключателя и к первому коммутируемому контакту первого переключателя, второй вывод УМ подключен к первому выводу БУ, третий вывод УМ подключен ко второму выводу БУ, четвертый вывод УМ подключен ко второму коммутируемому контакту первого переключателя, пятый вывод УМ подключен к пятому выводу БУ и к первому входу логического элемента 2ИЛИ, шестой вывод УМ подключен к выходу логического элемента 2ИЛИ, седьмой вывод УМ подключен к первому выводу конденсатора, к четвертому выводу БУ и к общему контакту второго переключателя, восьмой вывод УМ подключен к второму выводу конденсатора, к третьему выводу БУ и к общему контакту первого переключателя, шестой вывод БУ соединен со вторым входом логического элемента 2ИЛИ, седьмой вывод БУ соединен с управляющими входам переключателей, общие контакты переключателей в начальном положении коммутированы на их первые коммутируемые контакты, при соединении конденсаторов в батарею первый вывод первого конденсатора подключен к первому и второму выводам первого УМ и является первым выводом устройства, второй вывод первого конденсатора подключен к третьему и четвертому выводам первого УМ, пятый вывод первого УМ закорочен на землю через резистор, шестой УМ i-й секции соединен с пятым выводом УМ (i+1)-й секции, седьмой вывод УМ i-й секции соединен с первым и вторым выводами УМ (i+l)-й секции, восьмой вывод УМ i-й секции соединен с третьим и четвертым выводами УМ (i+1)-й секции, где i изменяется от 2 до N-1, седьмой вывод последней N-й секции является вторым выводом устройства.
Структурные схемы, поясняющие работу устройства управления балансировкой напряжения в батарее суперконденсатора, показаны на фигурах 1 и 2.
На фиг. 1 приведена структура УМ. Нумерация выводов 1-8 соответствует их обозначению в приведенном выше описании УМ. На фиг. 2 приведена иллюстрация управления батареей из четырех конденсаторных секций объединяющих конденсаторы 9. БУ и логический элемент на фиг. 2 не показаны.
Конденсаторы 9 второй, третей и четвертой секций встроены в УМ 10. Изменение схемы соединения конденсаторов осуществляется управляемыми ключами 11 и 12. Положение контактов ключей на фигурах показано при равенстве напряжений на всех конденсаторах, когда все конденсаторы соединены последовательно.
Напряжение с обкладок каждого конденсатора подается на входы 1, 2, 3, 4 УМ следующей секции конденсаторной батареи (фиг. 2). Со входов 2 и 3 напряжение подается на УМ 13, который проверяет совпадение значений напряжений соседних конденсаторов 9 (фиг. 1). При несовпадении напряжений конденсаторов i-й и (i+1)-й секций и при отсутствии блокировки ключи 11 и 12 переключаются и оба конденсатора соединяются параллельно (фиг. 2), сигнал блокирования балансировки передается с вывода 6 УМ i-й секции на вывод 5 УМ (i+1)-й секции. Ключи 11 и 12 остаются в состоянии параллельного соединения конденсаторов до момента выравнивания напряжений. После выравнивания напряжений ключи 11 и 12 блок управления переводит ключи в исходное положение, конденсаторы соединяются последовательно, а сигнал блокировки выключается.
Сигнал блокировки передается на УМ следующей секции через логическую схему ИЛИ 14 (фиг. 1). Приоритет выполнения балансирования получают УМ с меньшими номерами в батарее. Первый УМ в батарее имеет максимальный приоритет, поэтому на его выводе 5 с помощью шунтирования на землю через резистор 15 установлен логический нуль «0» (фиг. 2).
Переключение конденсаторов с последовательного соединение на параллельное изменяет значение напряжения источника питания на время балансировки на величину Δ=E/N. Это приводит к погрешности значений напряжения на клеммах источника питания. Погрешность уменьшается при росте числа конденсаторных секций. Поэтому предлагаемый в изобретении подход целесообразно использовать при большом количестве конденсаторных секций.
Включение в конденсаторную батарею управляющего модуля и применение предложенной балансировки напряжений позволяют по сравнению с существующими техническими решениями:
- унифицировать схемы подключения дополнительных конденсаторных секций в батарею источника питания на суперконденсаторах,
- за счет унификации снизить трудоемкость и сложность разработки многосекционных конденсаторных батарей,
- повысить быстродействие системы балансировки напряжения конденсаторов за счет применения быстродействующих переключателей,
- снизить габариты систем балансировки за счет упрощения схемы модуля управления по сравнению с решениями, использующими дополнительные конденсаторы.
Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемые решения обеспечивает по сравнению с прототипом заявленные преимущества.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что:
- аналоги, характеризующиеся совокупностями существенных признаков, тождественными всем признакам заявленного изобретения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна";
- предложенный способ и устройство является промышленно применимым к существующим техническим средствам и соответствует критерию «изобретательский уровень», так как он явным образом не следуют из существующего уровня техники.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.