СИСТЕМА ЗАРЯДКИ БАТАРЕЙНЫХ МОДУЛЕЙ
CHARGING SYSTEM FOR BATTERY MODULES

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к системе зарядки, выполненной с возможностью зарядки батарейного модуля, в котором множество элементов соединены друг с другом последовательно, а в частности - к системе зарядки, выполненной с возможностью зарядки множества элементов, образующих батарейный модуль, таким образом, что зарядка осуществляется для каждого элемента.
Уровень техники
Перезаряжаемые одиночные элементы - это одиночные аккумуляторные батареи, которые можно использовать многократно, заряжая их. Вообще говоря, напряжение, при котором можно заряжать такую одиночную аккумуляторную батарею, не превышает несколько вольт, что является низким напряжением. По этой причине, в случае если требуется высоковольтная аккумуляторная батарея, применяют сборную батарею, в которой множество одиночных элементов соединены друг с другом последовательно. Следует отметить, что одиночный элемент часто именуют единичным элементом или называют просто элементом. В приводимом здесь описании одиночный элемент называется элементом, и перезаряжаемый элемент называется просто элементом. Аналогично, сборную батарею часто именуют портативным батарейным источником питания, батарейной системой или батарейным модулем. В приводимом здесь описании сборная батарея называется батарейным модулем, и перезаряжаемый батарейный модуль называется просто батарейным модулем.
Системы зарядки, выполненные с возможностью зарядки элементов, образующих батарейный модуль, предложены, например, в патентных документах (ПД) 1-4, перечисленных ниже.
В патентном документе 1 описан метод, связанный с зарядным устройством для батарей, выполненным с возможностью зарядки батарейного модуля таким образом, что зарядка осуществляется для каждого элемента. В частности, для каждого элемента предусматривается и зарядное устройство, и устройство контроля напряжения, а зарядка элемента осуществляется посредством зарядного устройства в соответствии с напряжением элемента, причем контроль этого напряжения осуществляет устройство контроля напряжения.
В патентном документе 2 описан метод, связанный с зарядным устройством для батарей, выполненным с возможностью зарядки батарейного модуля таким образом, что зарядка осуществляется для каждого элемента. В частности, для каждого элемента предусматривается зарядное устройство; для каждого батарейного модуля предусматривается устройство контроля напряжения, а зарядка элемента, подлежащего зарядке, осуществляется посредством зарядного устройства в соответствии с напряжением батарейного модуля, включающего в себя этот элемент, причем контроль этого напряжения осуществляет устройство контроля напряжения. В патентном документе 2 также сказано, что для каждого батарейного модуля предусматривается источник питания для зарядных устройств. Хотя источник питания для зарядных устройств включает в себя изолирующий преобразователь постоянного тока в постоянный, так что первичная сторона и вторичная сторона изолированы друг от друга, зарядка не осуществляется в виде так называемой бесконтактной зарядки.
В патентном документе 3 описан метод, в котором для каждого элемента предусматриваются зарядное устройство и устройство управления зарядкой, и для каждого элемента осуществляется бесконтактная зарядка.
В патентном документе 4 описан метод, в котором для каждого элемента предусматриваются зарядное устройство и устройство контроля напряжения, и для каждого элемента осуществляется бесконтактная зарядка.
Как описано выше, в патентных документах 1-4 описаны: методы, связанные с зарядным устройством для батарей, выполненным с возможностью зарядки множества элементов, образующих батарейный модуль, таким образом, что зарядка осуществляется для каждого элемента; методы, связанные с бесконтактной зарядкой; и методы осуществления управления зарядкой, общего для каждого элемента. Эти методы не касаются какой-либо конкретной аккумуляторной батареи, такой как никель-металлогидридная батарея или ионно-литиевая батарея. То есть применение этих методов не ограничивается конкретным типом батарей. Более того, об использовании батарейных модулей, к которым применяют эти методы, можно сказать следующее: в патентном документе 1 не приводится описание, ограничивающее использование батарейного модуля; в патентном документе 2 приводится пример, в котором батарейный модуль предназначен для использования в аварийном источнике питания или в мобильном блоке; в патентном документе 3 приводится пример, в котором батарейный модуль предназначен для использования в контроллере игр или в мобильном телефоне; а в патентном документе 4 приводится пример, в котором батарейный модуль предназначен для использования в электромобиле. Следует отметить, что в этих приложениях напряжение на клеммах каждого батарейного модуля находится в диапазоне от десятков вольт максимум до сотен вольт.
Список библиографических ссылок
Патентная литература
ПД 1: Публикация № 2005-534276 выложенной заявки по Договору о патентной кооперации на японской национальной фазе.
ПД 2: Публикация № 2005-151720 выложенной заявки на патент Японии.
ПД 3: Публикация № 2010-206871 выложенной заявки на патент Японии.
ПД 4: Публикация № 10-257682 выложенной заявки на патент Японии.
Краткое изложение существа изобретения
Техническая задача
Когда заряжают батарейный модуль, включающий в себя множество элементов, возникает случай, в котором состояние заряда (SOC) в батарейном модуле становится неодинаковым. В частности, в этом случае в батарейном модуле есть недостаточно заряженный элемент. Следовательно, полезная емкость всего батарейного модуля уменьшается, а напряжение на клеммах недостаточно заряженного элемента оказывается низким, что приводит к ухудшению рабочей характеристики всего батарейного модуля.
Существуют способы исключения такого неодинакового состояния заряда элементов в батарейном модуле, такие как: способ, в котором весь батарейный модуль подвергают избыточной зарядке, и поэтому напряжения на клеммах соответствующих элементов в батарейном модуле уравниваются (этот способ в дальнейшем именуется способом избыточной зарядки); способ, в котором элемент с низким напряжением удаляют из батарейного модуля и заряжают такой элемент (этот способ в дальнейшем именуется способом зарядки элемента); и способ, в котором элементы в батарейном модуле заряжают так, что зарядка осуществляется для каждого элемента (т.е. способ, связанный с методами, описанными в патентных документах 1-4).
Способ избыточной зарядки имеет проблемы, заключающиеся, например, в том, что этот способ предусматривает избыточную зарядку даже нормально работающего элемента, что вызывает увеличение внутреннего сопротивления элемента и уменьшение зарядной емкости элемента, в результате чего сокращается срок службы батарейного модуля. В случае способа зарядки элемента, нужно разобрать батарейный модуль, чтобы удалить недостаточно заряженный элемент из батарейного модуля. Это хлопотно и отнимает время. Кроме того, если этот способ применяют к батарейному модулю, имеющему герметизированную структуру, существует риск того, что герметизированная структура окажется поврежденной во время разборки и что будет вызвана утечка раствора щелочного электролита. По этим причинам заимствование способа избыточной зарядки и способа зарядки элемента в качестве мер, принимаемых для исключения неодинакового состояния заряда элементов в батарейном модуле, оказалось затруднительным.
Между тем, в случае методов, описанных в патентных документах 1-4, для каждого элемента необходимо зарядное устройство (патентные документы 1-4), и для каждого элемента необходима схема управления, предназначенная для управления зарядкой (патентные документы 1, 3 и 4). Соответственно, количество зарядных устройств должно быть таким же, как количество элементов в батарейном модуле, и количество схем управления должно быть таким же, как количество элементов в батарейном модуле. В результате, количество компонентов увеличивается, а из-за увеличения количества компонентов становится сложной проводка. Таким образом, существует проблема усложнения и удорожания системы зарядки.
Кроме того, в случае батарейного модуля, в котором изменение напряжения по отношению к изменению SOC мало, как бывает в никель-металлогидридной батарее, возникает проблема, заключающаяся в том, что для одинаковой зарядки элементов в батарейном модуле необходимо точное управление зарядкой.
Данное изобретение сделано для того, чтобы решить вышеупомянутые проблемы. Задача данного изобретения состоит в том, чтобы упростить конфигурацию системы зарядки, выполненной с возможностью одинаковой и стабильной зарядки множества (большого количества) элементов, образующих батарейный модуль.
Решение задачи
Чтобы решить вышеупомянутые проблемы, система зарядки батарейных модулей в соответствии с данным изобретением включает в себя: передающее энергию устройство, включающее в себя первичную обмотку, выполненную с возможностью передачи энергии переменного тока; принимающий энергию блок, включающий в себя вторичную обмотку, выполненную с возможностью приема энергии переменного тока, передаваемой из первичной обмотки, посредством электромагнитной индукции, при этом принимающий энергию блок выполнен с возможностью преобразования принимаемой энергии переменного тока в энергию постоянного тока; позиционирующий механизм, выполненный с возможностью крепления с возможностью отсоединения передающего энергию устройства к принимающему энергию блоку и позиционирования первичной обмотки и вторичной обмотки таким образом, что первичная обмотка и вторичная обмотка оказываются электромагнитно связанными друг с другом, когда передающее энергию устройство прикреплено к принимающему энергию блоку; и схему выбора, выполненную с возможностью избирательной зарядки множества элементов в батарейном модуле энергией постоянного тока, причем множество элементов в батарейном модуле последовательно соединены друг с другом, при этом множество элементов представляют собой аккумуляторные батареи.
В соответствии с вышеупомянутой конфигурацией, схема выбора гарантирует, что будут заряжены все элементы в батарейном модуле. Следовательно, хотя возможна зарядка лишь одного элемента в батарейном модуле за раз, можно сократить затраты и площадь, занимаемую оборудованием, необходимым для зарядки всех элементов в батарейном модуле, и тем самым реализовать экономию места и затрат.
Помимо этого, первичная обмотка передающего энергию устройства и вторичная обмотка принимающего энергию блока электрически отделены друг от друга. Поэтому можно легко получить изоляцию. То есть исключается необходимость учета потенциала «земли» каждого элемента в батарейном модуле или в батарейном пакете, в котором множество батарейных модулей соединены последовательно.
Кроме того, система зарядки батарейных модулей включает в себя позиционирующий механизм, выполненный с возможностью позиционирования первичной обмотки и вторичной обмотки таким образом, что обеспечивается электромагнитная связь первичной обмотки и вторичной обмотки друг с другом, когда передающее энергию устройство прикреплено к принимающему энергию блоку. В результате, магнитный поток, генерируемый первичной обмоткой, можно без потерь связать с вторичной обмоткой и можно повысить эффективность передачи энергии от передающего энергию устройства к принимающему энергию блоку.
Как описано выше, конфигурацию системы зарядки, выполненной с возможностью одинаковой и стабильной зарядки множества (большого количества) элементов, образующих батарейный модуль, можно упростить. Кроме того, поскольку конфигурация позиционирующего механизма такова, что передающее энергию устройство может быть откреплено от принимающего энергию блока, оказывается возможным совместное использование передающего энергию устройства множеством батарейных модулей.
В системе зарядки батарейных модулей множество батарейных модулей могут быть соединены друг с другом последовательно, а каждый из батарейных модулей может включать в себя принимающий энергию блок, позиционирующий механизм и схему выбора. Система зарядки батарейных модулей может включать в себя единственное передающее энергию устройство для множества батарейных модулей.
В соответствии с вышеупомянутой конфигурацией, передающее энергию устройство может быть откреплено от принимающего энергию блока. Следовательно, в случае, если множество батарейных модулей последовательно соединены друг с другом, образуя батарейный пакет, необходимо предусмотреть принимающий энергию блок для каждого батарейного модуля; вместе с тем, для всего батарейного пакета необходимо лишь одно передающее энергию устройство. Соответственно, количество передающих энергию устройств и количество источников питания возбуждения, которые подают электроэнергию в передающие энергию устройства, можно уменьшить, что дает возможность легко уменьшить размеры всей системы зарядки и затраты на нее.
В вышеупомянутой системе зарядки батарейных модулей принимающий энергию блок может включать в себя изолятор, расположенный между вторичной обмоткой и воздушным зазором, причем воздушный зазор образован между первичной обмоткой и вторичной обмоткой.
В соответствии с вышеупомянутой конфигурацией, изолятор представляет собой, например, высоковольтную изолирующую пленку, прикрепленную к акриловому листу. Заменяя этот изолятор другим, можно, по желанию, легко регулировать электрическую прочность диэлектрика.
Вышеупомянутая система зарядки батарейных модулей может дополнительно включать в себя: устройство контроля состояния, выполненное с возможностью контроля сигналов состояния, каждый из которых указывает состояние одного из множества элементов в батарейном модуле; и схему управления зарядкой, выполненную с возможностью управления началом и окончанием зарядки одного из множества элементов в соответствии с сигналом состояния, причем контроль этого сигнала состояния осуществляет устройство контроля состояния. В системе зарядки батарейных модулей схема управления зарядкой может быть расположена между принимающим энергию блоком и схемой выбора, а от схемы выбора может быть проложено множество зарядных проводов для использования при зарядке множества соответствующих элементов в батарейном модуле, причем каждый из множества зарядных проводов соответственно соединен с неоконечным участком одного из множества сигнальных проводов, а сигналы состояния, соответствующие множеству соответствующих элементов в батарейном модуле, передаются в устройство контроля состояния по множеству соответствующих сигнальных проводов.
В соответствии с вышеупомянутой конфигурацией, участок каждого сигнального провода, который проходит между элементом и соединением, в котором сигнальный провод соединен с зарядным проводом, представляет собой участок перекрытия, где сигнальный провод и зарядный провод перекрываются друг с другом. Участок перекрытия используется и для передачи сигнала состояния, соответствующего элементу, и для зарядки этого элемента. Таким образом, можно упростить проводку всей системы зарядки.
Вышеупомянутая система зарядки батарейных модулей может дополнительно включать в себя схему коррекции, выполненную с возможностью коррекции напряжения на клеммах каждого из элементов в соответствии с падением напряжения, причем напряжение на клеммах каждого из элементов передается в устройство контроля состояния как сигнал состояния, при этом происходит падение напряжения, возникающее, когда зарядный ток, текущий к элементу, течет через участок сигнального провода, причем этот участок сигнального провода проходит между элементом и соединением, в котором сигнальный провод соединен с зарядным проводом.
В соответствии с вышеупомянутой конфигурацией, падение напряжения возникает, когда зарядный ток, текущий к элементу, течет через участок перекрытия, где зарядный провод и сигнальный провод перекрываются друг с другом, что вызывает погрешность при изменении напряжения на клеммах элемента, а эта погрешность влияет на сигнал состояния, соответствующий упомянутому элементу. Однако результат измерения напряжения на клеммах элемента корректируется в соответствии с падением напряжения. Это делает возможным точное управление началом и окончанием зарядки элемента в соответствии со скорректированным результатом измерения напряжения на клеммах элемента.
Элементы в вышеупомянутой системе зарядки батарейных модулей могут представлять собой никель-металлогидридные батареи.
В соответствии с вышеупомянутой конфигурацией, поскольку никель-металлогидридная батарея имеет, например, характеристику, в соответствии с которой изменение ее напряжения относительно изменения SOC мало в диапазоне нормальных рабочих напряжений, можно осуществить точное управление началом и окончанием зарядки элемента за счет точного измерения напряжения на клеммах никель-металлогидридной батареи.
Вышеуказанная задача, а также другие задачи, признаки и преимущества данного изобретения станут очевидными по прочтении нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи.
Полезные эффекты изобретения
В соответствии с данным изобретением, можно упростить конфигурацию системы зарядки, выполненной с возможностью одинаковой и стабильной зарядки множества (большого количества) элементов, образующих батарейный модуль.
Краткое описание чертежей
На фиг.1А показан пример конфигурации одиночного батарейного модуля.
На фиг.1B показан пример конфигурации батарейного пакета, сформированного с использованием множества батарейных модулей.
На фиг.2 показан пример конфигурации системы зарядки батарейных модулей в соответствии с данным изобретением.
На фиг.3А изображен структурный пример главной части устройства бесконтактной зарядки в соответствии с данным изобретением.
На фиг.3В изображен структурный пример главной части устройства бесконтактной зарядки в соответствии с данным изобретением.
На фиг.3С изображен структурный пример главной части устройства бесконтактной зарядки в соответствии с данным изобретением.
На фиг.4 показан пример конфигурации устройства контроля состояния в соответствии с данным изобретением.
На фиг.5 показана блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая пример процесса обработки при проведении технологического контроля батарейного пакета в соответствии с данным изобретением.
На фиг.6А показано состояние всей системы зарядки, когда заряжается элемент с нечетным номером в батарейном модуле.
На фиг.6В показано состояние всей системы зарядки, когда заряжается элемент с четным номером в батарейном модуле.
На фиг.7 представлена характеристическая диаграмма SOC, иллюстрирующая изменения напряжения в устройствах для аккумулирования электроэнергии разных типов в зависимости от SOC.
На фиг.8А изображено состояние схемы выбора элемента, когда зарядка элемента, подлежащего зарядке, остановлена.
На фиг.8В изображено состояние схемы выбора элемента, когда зарядка элемента, подлежащего зарядке, осуществляется.
На фиг.9 изображено состояние схемы выбора элемента, когда заряжается элемент на одном из двух концов батарейного модуля.
Описание вариантов осуществления
Ниже, со ссылками на прилагаемые чертежи, приводится описание вариантов осуществления данного изобретения. На чертежах одинаковые или соответственные компоненты обозначены одинаковыми условными обозначениями, а повторение одного и того же описания исключено.
Конфигурация батарейного модуля
Ниже, со ссылками на фиг.1А и фиг.1В, приводится описание одного режима батарейного модуля в соответствии с данным изобретением. На фиг.1A показан пример конфигурации одиночного батарейного модуля, а на фиг.1B показан пример конфигурации батарейного пакета, сформированного с использованием множества батарейных модулей.
Батарейный модуль B, показанный на фиг.1A, сформирован путем соединения последовательно друг с другом n (натуральное число) элементов C, каждый из которых выполнен с возможностью зарядки и разрядки и имеет выходное напряжение V1. Для батарейного модуля B, показанного на фиг.1A, принята структура аккумуляторной батареи пакетного типа, в которой электрическое соединение между двумя соседними элементами C реализовано с помощью непосредственного физического контакта между положительным электродом одного элемента C и отрицательным электродом другого элемента C. Поэтому проводка для соединения двух соседних элементов C на фиг.1А исключена.
Следует отметить, что между двумя соседними элементами С можно расположить теплоотвод для использования при излучении тепла, генерируемого элементами C. Например, теплоотвод сформирован с использованием электропроводной металлической пластины, а в предпочтительном варианте сформирован с использованием никелированной алюминиевой пластины. Теплоотвод снабжен отверстиями для протекания воздуха и излучает тепло посредством воздуха из вентилятора или аналогичного устройства. Теплоотвод сформирован с использованием материала, который обеспечивает электрическое соединение двух соседних элементов C друг с другом.
После сборки батарейных модулей B путем пакетирования элементов C, батарейный модуль B можно крепить болтами таким образом, что элементы C оказываются уплотненными. Таким образом, батарейный модуль B может иметь уплотненную структуру. За счет наличия такой уплотненной структуры, исключается риск утечки раствора электролита и исключается необходимость пополнения раствора электролита. Таким образом, батарейный модуль B можно сделать не требующим технического обслуживания.
Оба конца батарейного модуля B соединены с соответствующими клеммами 51 соединения модуля посредством проводников 53, так что батарейный пакет S, который будет описан ниже, можно сформировать с использованием множества батарейных модулей B. Следует отметить, что количество n элементов C, образующих батарейный модуль B, изменяется в соответствии с применением и техническими характеристиками батарейного модуля B. В данном варианте осуществления количество n элементов C, образующих батарейный модуль B, составляет 30. Следовательно, если выходное напряжение V1 элемента C составляет 1,2 В, то выходное напряжение (n×V1) батарейного модуля B составляет 36 В.
Батарейный пакет S, показанный на фиг.1В, сформирован следующим образом: m (натуральное число) батарейных модулей B, как показано на фиг.1A, соединены последовательно друг с другом, образуя группу батарейных модулей, расположенных в одну линию, а l (натуральное число) групп батарейных модулей соединены параллельно. То есть соседние два батарейных модуля B соединены друг с другом посредством проводника 53 и клеммы 51 соединения модуля. Оба конца батарейного пакета S соответственно соединены с внешними устройствами, такими как прерыватели 54, посредством выходных клемм 52 пакета.
Следует отметить, что количество m батарейных модулей B, соединенных последовательно, и количество l батарейных модулей B, соединенных параллельно в батарейном пакете S, определяются на основе рабочего напряжения и емкости батареи, которые необходимы для системы. Например, в железнодорожной системе батарейный пакет S используется в оборудовании для аккумулирования энергии, позволяющем повторно использовать рекуперативную электроэнергию, которая генерируется, когда электропоезд замедляет движение, или - в системе генерирования энергии из природных источников - батарейный пакет S используется в оборудовании для аккумулирования энергии с целью поглощения флуктуаций при нестабильном генерировании энергии. В случае если батарейный пакет S используется в оборудовании для аккумулирования энергии железнодорожной системы, выходное напряжение оборудования для аккумулирования энергии обычно составляет 1500 В постоянного тока. В этом случае, если выходное напряжение V1 элемента C составляет, например, 1,2 В, то количество n необходимых элементов С составляет 1250, а если количество n элементов C, образующих батарейный модуль В, составляет 30, то количество m батарейных модулей B, соединенных последовательно в одной линии в батарейном пакете S, составляет 42.
Пример конфигурации системы зарядки батарейных модулей
На фиг.2 показан пример конфигурации системы зарядки батарейных модулей в соответствии с данным изобретением.
Система 1 зарядки, показанная на фиг.2, представляет собой систему, выполненную с возможностью зарядки батарейного модуля B и которая включает в себя устройство 3 бесконтактной зарядки, устройство 10 контроля состояния, схему 21 выбора полярности, схему 25 выбора элемента и центральный процессор (ЦП) 29.
Батарейный модуль B, показанный на фиг.2, сформирован путем соединения в общей сложности 2n+2 элементов C друг с другом. Батарейный модуль В соединен последовательно - посредством клеммы 51 соединения модуля - с еще одним батарейным модулем B, который находится у передней стороны первого батарейного модуля B (на фиг.2 - над этим батарейным модулем B), и соединен последовательно - посредством клеммы 51 соединения модуля - с еще одним батарейным модулем B, который находится у задней стороны батарейного модуля B (на фиг.2 - под этим батарейным модулем B). Так и оказывается сформированным батарейный пакет S. Положительный электрод каждого элемента C расположен в направлении к батарейному модулю B, находящемуся у передней стороны, а отрицательный электрод каждого элемента С расположен в направлении к батарейному модулю B, находящемуся у задней стороны. Далее, чтобы сделать пояснение понятным, предположим, что идентификационные номера (1 - 2n+2) присвоены соответствующим элементам C в возрастающем порядке от элемента C, ближайшего к батарейному модулю B, находящемуся у передней стороны, до элемента C, ближайшего к батарейному модулю B, находящемуся у задней стороны.
Устройство 3 бесконтактной зарядки включает в себя источник 5 питания возбуждения, передающее энергию устройство 60, включающее в себя первичную обмотку 6, принимающее энергию устройство 70, включающее в себя вторичную обмотку 7, выпрямитель 8 и схему 9 управления зарядкой. Принимающее энергию устройство 70 и выпрямитель 8 образуют принимающий энергию блок.
Когда источник 5 питания возбуждения принимает энергию переменного тока из внешнего источника 4 питания, такого как коммерческая электрическая сеть, источник 5 питания возбуждения выдает энергию переменного тока, имеющую высокую частоту передачи (например, 125 кГц). Следует отметить, что частота передачи не ограничивается значением 125 кГц и можно использовать подходящую частоту, соответствующую элементам, подлежащим зарядке. В состоянии, в котором передающее энергию устройство 60 прикреплено к принимающему энергию устройству 70 так, что обеспечивается электромагнитная связь первичной обмотки 6 и вторичной обмотки 7 друг с другом, вторичная обмотка 7 принимает энергию переменного тока, передаваемую из первичной обмотки 6, за счет электромагнитной индукции, когда высокочастотная энергия из источника 5 питания возбуждения подается в первичную обмотку 6. Энергия переменного тока, принимаемая вторичной обмоткой 7, преобразуется выпрямителем 8 в энергию постоянного тока, а эта энергия постоянного тока подается в схему 9 управления зарядкой как электроэнергия для использования при зарядке элемента в батарейном модуле B, подлежащем зарядке. Поскольку схемная конфигурация схемы 9 управления зарядкой хорошо известна, описание схемной конфигурации схемы 9 управления зарядкой опущено.
Схема 9 управления зарядкой осуществляет управление для преобразования энергии постоянного тока, подаваемой из выпрямителя 8, вследствие чего получаются напряжение и ток, подходящие для зарядки элемента, подлежащего зарядке. Способ, применяемый в данном случае для зарядки элемента C, является способом зарядки с постоянным напряжением, при осуществлении которого зарядку проводят с постоянным напряжением. В качестве альтернативного способа, можно воспользоваться способом зарядки с постоянным током, при осуществлении которого зарядку проводят с постоянным током. В качестве еще одного альтернативного способа, можно воспользоваться, например, способом зарядки с постоянным током и постоянным напряжением, при осуществлении которого зарядку проводят сначала с постоянным током, а затем с постоянным напряжением.
Схема 9 управления зарядкой также осуществляет управление для окончания зарядки элемента C, подлежащего зарядке, когда напряжение элемента C достигло заранее определенного напряжения посредством зарядки. В альтернативном варианте схема 9 управления зарядкой может осуществлять управление для окончания зарядки элемента C, подлежащего зарядке, когда истек заранее определенный период времени после начала зарядки элемента C или, например, когда SOC элемента C, подлежащего зарядке, достигло заранее определенного значения. Следует отметить, что от выходной стороны схемы 9 управления зарядкой идут провод 17 стороны положительного электрода и провод 18 стороны отрицательного электрода. Провод 17 стороны положительного электрода служит для создания - посредством схемы 21 выбора полярности и схемы 25 выбора элемента - пути электрического заряда на стороне положительного электрода элемента C, подлежащего зарядке, в батарейном модуле B, а провод 18 стороны отрицательного электрода служит для создания - посредством схемы 21 выбора полярности и схемы 25 выбора элемента - пути электрического заряда на стороне отрицательного электрода элемента C, подлежащего зарядке, в батарейном модуле B.
Устройство 10 контроля состояния представляет собой устройство, предназначенное для контроля напряжения каждого элемента C в батарейном модуле B как состояния каждого элемента C в батарейном модуле B. Устройство 10 контроля состояния включает в себя один основной блок 10a и множество вспомогательных блоков 10b. Для каждого батарейного модуля В предусмотрен один из множества вспомогательных блоков 10В. Основной блок 10a и каждый из множества вспомогательных блоков 10b соединены шиной 2 связи. Каждый вспомогательный блок 10В представляет собой процессор данных, который включает в себя: ЦП 11; измерительную схему 15, включающую в себя A/D (аналого-цифровой) преобразователь 12; и интерфейс связи, соединенный с основным блоком 10a. Основной блок 10a представляет собой процессор данных, который включает в себя: ЦП; память; интерфейс связи, соединенный с множеством вспомогательных блоков 10b; и отображающее устройство, выполненное с возможностью отображения результатов контроля батареи. Основному блоку 10a можно придать, например, конфигурацию обычного персонального компьютера с периферийными устройствами.
Схема 21 выбора полярности и схема 25 выбора элемента находятся между схемой 9 управления зарядкой и батарейным модулем B. Схема 21 выбора полярности и схема 25 выбора элемента выполнены с возможностью выбора элемента, подлежащего зарядке, из элементов C, заключенных в батарейном модуле B, и формирования пути зарядных проводов, идущего от схемы 9 управления зарядкой, по которому осуществляют зарядку элемента, выбранного в качестве подлежащего зарядке. В частности, схема 21 выбора полярности и схема 25 выбора элемента имеют конфигурации, описываемые ниже.
Схема 21 выбора полярности включает в себя в общей сложности четыре переключателя 22, включающие в себя: два переключателя SW_D1 и SW_D3, каждый из которых имеет один свой конец, соединенный с проводом 17 стороны положительного электрода схемы 9 управления зарядкой; и два переключателя SW_D2 и SW_D4, каждый из которых имеет один свой конец, соединенный с проводом 18 стороны отрицательного электрода схемы 9 управления зарядкой. Переключатели 22 предпочтительно имеют конфигурацию полупроводниковых переключателей. Следует отметить, что переключатель SW_D1, соединенный с проводом 17 стороны положительного электрода, имеет другой свой конец, соединенный с первой клеммой 23 схемы 25 выбора элемента, а переключатель SW_D4, соединенный с проводом 18 стороны отрицательного электрода, имеет другой свой конец, соединенный с первой клеммой 23 схемы 25 выбора элемента. Переключатель SW_D2, соединенный с проводом 18 стороны отрицательного электрода, также имеет другой свой конец, соединенный со второй клеммой 24 схемы 25 выбора элемента, а переключатель SW_D3, соединенный с проводом 17 стороны положительного электрода, имеет другой свой конец, соединенный со второй клеммой 24 схемы 25 выбора элемента. Управление переключением четырех переключателей 22 между включенным и выключенным состояниями осуществляется так, что пара переключателей SW_D1 и SW_D3, а также пара переключателей SW_D2 и SW_D4 включаются и выключаются, дополняя друг друга, на основании команд из ЦП 29.
Предположим здесь, что имеет место случай, в котором из двух переключателей SW_D1 и SW_D3 включен переключатель SW_D1, соединенный с проводом 17 стороны положительного электрода, а из двух переключателей SW_D2 и SW_D4 включен переключатель SW_D2, соединенный с проводом 18 стороны отрицательного электрода. В этом случае первая клемма 23 схемы 25 выбора элемента соединена с проводом 17 стороны положительного электрода схемы 9 управления зарядкой, а вторая клемма 24 схемы 25 выбора элемента соединена с проводом 18 стороны отрицательного электрода схемы 9 управления зарядкой.
С другой стороны, предположим, что имеет место случай, в котором из двух переключателей SW_D1 и SW_D3 включен переключатель SW_D3, соединенный с проводом 17 стороны положительного электрода, а из двух переключателей SW_D2 и SW_D4 включен переключатель SW_D4, соединенный с проводом 18 стороны отрицательного электрода. В этом случае первая клемма 23 схемы 25 выбора элемента соединена с проводом 18 стороны отрицательного электрода схемы 9 управления зарядкой, а вторая клемма 24 схемы 25 выбора элемента соединена с проводом 17 стороны положительного электрода схемы 9 управления зарядкой. То есть, посредством управления переключением переключателей 22, направление протекания (т.е. полярность) зарядного тока на первой клемме 23 и второй клемме 24 схемы 25 выбора элемента можно изменять на противоположное.
Схема 25 выбора элемента включает в себя в общей сложности 2n+3 переключателей 26, включающих в себя: переключатели SW_C0, SW_C2, …, SW_C2n и SW_C2n+2, каждый из которых имеет один конец, соединенный с первой клеммой 23, и другой конец, соединенный со стороной положительного электрода соответствующего одного из имеющих нечетные номера элементов 2k-1 (k = 1~n+1) или стороной отрицательного электрода заключительного элемента 2n+2 батарейного модуля B; и переключатели SW_C1, SW_C3, …, и SW_C2n+1, каждый из которых имеет один конец, соединенный со второй клеммой 24, и другой конец, соединенный со стороной положительного электрода соответствующего одного из имеющих четные номера элементов 2k (k = 1~n+1) батарейного модуля B. Переключатели 26 предпочтительно имеют конфигурацию полупроводниковых переключателей. То есть количество переключателей 26 на единицу больше, чем количество элементов C, образующих батарейный модуль B.
Схема 25 выбора элемента и батарейный модуль B соединены проводами 27. В частности, одни концы соответствующих проводов 27 соединены с переключателями 26 схемы 25 выбора элемента, а другие концы соответствующих проводов 27 соединены с контактными концами, сформированными между соседними элементами C в батарейном модуле B, и обоими концами всего модуля. Провода 27 в данном случае образуют часть зарядных проводов, идущих от схемы 9 управления зарядкой, по которым осуществляется зарядка элементов, подлежащих зарядке, в батарейном модуле В, а также образуют часть сигнальных проводов, по которым сигналы состояния, указывающие состояния соответствующих элементов C в батарейном модуле B, передаются в устройство 10 контроля состояния. Как описано выше, в батарейном модуле B принята структура аккумуляторных батарей пакетного типа, в которой контактный конец между двумя соседними элементами С расположен у стороны положительного электрода одного элемента C и стороны отрицательного электрода другого элемента C. Если между двумя соседними элементами С дополнительно расположен теплоотвод, то этот теплоотвод может быть снабжен выводом. В этом случае вывод может служить контактным концом между элементами C.
Измерительная схема 15 каждого вспомогательного блока 10b соединена с элементами C в батарейном модуле B проводами 14. Одни концы соответствующих проводов 14 на стороне батарейного модуля B предпочтительно соединены с одними концами соответствующих переключателей 26 схемы 25 выбора элемента на стороне батарейного модуля B. В качестве одного примера, приведенного на фиг.2, отметим, что провода 14, которые ответвляются от проводов 27, соединенных с элементами в батарейном модуле B, соединены с измерительной схемой 15 вспомогательного блока 10b.
ЦП 29 электрически соединен со схемой 21 выбора полярности посредством линии L3, электрически соединен со схемой 25 выбора элемента посредством линии L4 и электрически соединен с ЦП 11 вспомогательного блока 10b устройства 10 контроля состояния посредством линии L2. ЦП 29 исполняет программу, хранящуюся в памяти (не показана), в соответствии с сигналами из ЦП 11, тем самым осуществляя объединенное управление схемой 21 выбора полярности и схемой 25 выбора элемента (например, управление переключением переключателей 22 и переключателей 26). Объединенное управление, осуществляемое в данном случае посредством ЦП 29, включающее в себя управление переключением переключателей 22 и 26, может быть реализовано путем использования обычного метода управления.
Устройство бесконтактной зарядки
На фиг.3А, фиг.3B и фиг.3C, соответственно, изображен структурный пример главной части устройства бесконтактной зарядки в соответствии с данным изобретением.
В устройстве 3 бесконтактной зарядки используется метод электромагнитно индуцируемой бесконтактной передачи энергии. Подробное описание электромагнитно индуцируемой бесконтактной передачи энергии приводится ниже. В случае, в котором первичная обмотка 6 передающего энергию устройства 60 и вторичная обмотка 7 принимающего энергию устройства 70 обращены друг к другу таким образом, что обеспечивается их электромагнитная связь друг с другом, в первичную обмотку 6 подается переменный ток, и поэтому генерируется магнитный поток. Магнитный поток, генерируемый первичной обмоткой 6, связан с вторичной обмоткой 7, и поэтому во вторичной обмотке 7 генерируется напряжение переменного тока. В результате, электроэнергия передается из передающего энергию устройства 60 в принимающее энергию устройство 70.
Кроме того, как показано на фиг.3A и фиг.3B, устройство 3 бесконтактной зарядки имеет такую конфигурацию, что передающее энергию устройство 60 на первичной стороне выполнено с возможностью открепления от принимающего энергию устройства 70 на вторичной стороне. То есть передающее энергию устройство 60 на стороне возбуждения и принимающее энергию устройство 70 на стороне приема энергии являются отдельными компонентами. Когда оператор проводит технологический контроль батарейного модуля B или батарейного пакета S, этот оператор удерживает передающее энергию устройство 60 вручную и позиционирует передающее энергию устройство 60 и принимающее энергию устройство 70 так, что первичная обмотка 6 и вторичная обмотка 7 могут быть электромагнитно связаны друг с другом. Механизм позиционирования, который облегчает такое позиционирование, образован, например, выступом 60a, сформированным на передающем энергию устройстве 60, и выемкой 70a, сформированной в принимающем энергию устройстве 70, причем выемка 70a в данном случае обеспечивает посадку в нее выступа 60a. Выступ 60a и выемка 70a на чертежах показаны схематически, и возможны их различные конкретные конфигурации. В качестве одной альтернативы, выступ может быть сформирован на принимающем энергию устройстве, а выемка может быть сформирована в передающем энергию устройстве. Позиционирующему механизму можно придать любую конфигурацию в той мере, в какой эта конфигурация позиционирующего механизма обеспечивает крепление с возможностью открепления передающего энергию устройства 60 к принимающему энергию устройству 70 и позиционирование первичной обмотки 6 и вторичной обмотки 7 таким образом, что обеспечивается электромагнитная связь первичной обмотки 6 и вторичной обмотки 7 друг с другом, когда передающее энергию устройство 60 прикреплено к принимающему энергию устройству 70.
Вышеописанное устройство 3 бесконтактной зарядки выбирают в целях гарантии изоляции между внешним источником 4 питания и батарейным модулем B и уменьшения количества компонентов, образующих систему 1 зарядки.
Сначала приводится описание обеспечения изоляции между внешним источником 4 питания и батарейным модулем В.
Предположим, что имеет место случай, в котором батарейный модуль B или батарейный пакет S используется в оборудовании высокой мощности для аккумулирования энергии железнодорожной системы или системы генерирования энергии из природных источников. В этом случае, во время зарядки элементов C, образующих батарейный модуль B или батарейный пакет S, таким образом, что зарядка осуществляется для каждого элемента, необходимо принять контрмеры против несчастных случаев поражения электрическим током, обуславливаемых коротким замыканием на землю (утечкой тока). Например, в случае, если батарейный модуль В используется в оборудовании для аккумулирования энергии железнодорожной системы, напряжение на клеммах батарейного модуля В составляет в общем случае 1500 В. Если напряжение на клеммах каждого элемента C, образующего батарейный модуль В, составляет, например, 1,2 В, то количество необходимых элементов С составляет 1250. В этом случае, когда зарядке подлежит элемент, имеющий самый низкий потенциал, не нужно учитывать напряжение элемента относительно «земли». Вместе с тем, когда зарядке подлежит элемент, имеющий самый высокий потенциал, напряжение элемента относительно «земли» приходится учитывать. Скажем, в примере, показанном на фиг.3C, потенциалы на обоих концах элемента, имеющего самый высокий потенциал, составляют 1440 (В) и 1438,8 (В), и они весьма высоки по сравнению с напряжением на клеммах батарейного модуля, предназначенного для использования в мобильных устройствах или электромобилях (которое находится в диапазоне от десятков вольт максимум до сотен вольт).
В устройстве 3 бесконтактной зарядки первичная обмотка 6 передающего энергию устройства 60 и вторичная обмотка 7 принимающего энергию устройства 70 электрически отделены друг от друга, и потому можно легко получить изоляцию. То есть исключается необходимость учета потенциала «земли» каждого элемента C, образующего батарейный модуль B или батарейный пакет S. Более того, в принимающем энергию устройстве 70 между вторичной обмоткой 7 и воздушным зазором находится изолятор 90, а воздушный зазор образован между первичной обмоткой 6 и вторичной обмоткой 7. Изолятор 90 представляет собой, например, высоковольтную изолирующую пленку, прикрепленную к акриловому листу. Высоковольтная изолирующая пленка является, например, пленкой полиэтилентерефталата (ПЭТФ) или пленкой полиэфиримида (ПЭИ). В альтернативном варианте, в качестве изолятора 90 можно использовать керамический материал или полимерный материал. Помимо этого, в качестве изолятора 90 применимы различные изолирующие материалы, соответствующие требуемой диэлектрической прочности. Соответственно, при желании, диэлектрическую прочность можно легко регулировать посредством подходящей замены изолятора 90 другим, выбранным из числа таких различных изоляторов 90. В результате, в устройстве 3 бесконтактной зарядки можно достаточно уверенно гарантировать изоляцию между внешним источником 4 питания и батарейным модулем B и тем самым предотвратить несчастные случаи поражения электрическим током из-за короткого замыкания на «землю». Далее приводится описание уменьшения количества компонентов системы 1 зарядки.
Передающее энергию устройство 60 выполнено с возможностью открепления от принимающего энергию устройства 70. Поэтому в случае, если множество батарейных модулей B соединены последовательно друг с другом, образуя батарейный пакет S, необходимо предусмотреть принимающее энергию устройство 70 для каждого батарейного модуля B, как показано на фиг.3B; однако для всего батарейного пакета S необходимо лишь одно передающее энергию устройство 60. Соответственно, количество передающих энергию устройств 60, включающих в себя первичную обмотку 6, и количество источников 5 питания возбуждения можно уменьшить, что дает возможность легко уменьшить размеры и стоимость всей системы 1 зарядки.
Устройство 3 бесконтактной зарядки дополнительно включает в себя позиционирующий механизм, выполненный с возможностью позиционирования первичной обмотки 6 и вторичной обмотки 7 таким образом, что обеспечивается электромагнитная связь первичной обмотки 6 и вторичной обмотки 7 друг с другом, когда передающее энергию устройство 60 прикреплено к принимающему энергию устройству 70. Как показано на фиг.3A-3C, позиционирующий механизм имеет такую конфигурацию, что внешняя форма передающего энергию устройства 60 представляет собой форму с выступом, а внешняя форма принимающего энергию устройства 70 представляет собой форму с выемкой. В частности, когда выступ 60a передающего энергию устройства 60 посажен в выемку 70a принимающего энергию устройства 70, передающее энергию устройство 60 позиционируется относительно принимающего энергию устройства 70 таким образом, что обеспечивается электромагнитная связь первичной обмотки 6 и вторичной обмотки 7 друг с другом. В результате, магнитный поток, генерируемый первичной обмоткой 6, можно без потерь связать с вторичной обмоткой 7 и можно повысить эффективность передачи энергии от передающего энергию устройства 60 к принимающему энергию устройству 70.
Пример управления зарядкой с помощью устройства контроля состояния
На фиг.4 показан пример конфигурации устройства 10 контроля состояния. С целью упрощения чертежа, количество элементов C, образующих батарейный модуль B, показанный на фиг.4, равно пяти.
Измерительная схема 15 вспомогательного блока 10b в соответствии с данным вариантом осуществления выполнена с возможностью измерения напряжения на клеммах каждого элемента C в батарейном модуле B. Для ясности отметим, что напряжения соответствующих элементов C в батарейном модуле B прикладываются к измерительной схеме 15 вспомогательного блока 10b посредством провода 14. Напряжения соответствующих элементов С, прикладываемые к измерительной схеме 15 вспомогательного блока 10b (т.е. аналоговые величины), последовательно подвергаются A/D преобразованию посредством A/D преобразователя 12 в конкретном цикле. После того как они подвергаются A/D преобразованию, напряжения соответствующих элементов С (т.е. цифровые величины) загружаются в ЦП 11, а потом передаются в основной блок 10a посредством линии 2 связи.
ЦП основного блока 10a исполняет программу, хранящуюся в памяти (не показана), тем самым определяя состояние заряда каждого элемента C и, например, то, работает ли батарейный модуль В нормально, в соответствии с напряжением каждого элемента C. ЦП основного блока 10a электрически соединен со схемой 9 управления зарядкой через ЦП 11 вспомогательного блока 10b и линию L1, и электрически соединен с ЦП 29 через ЦП 11 вспомогательного блока 10b и линию L2. ЦП основного блока 10a исполняет программу, хранящуюся в памяти, и поэтому если ЦП основного блока 10a определяет, что необходимо проведение, например, процесса начала зарядки, начинающего зарядку элемента C, процесса окончания зарядки, оканчивающего зарядку элемента С, и процесса останова, останавливающего зарядку/разрядку батарейного модуля B (например, процесса блокировки), то ЦП основного блока 10a передает заранее определенные сигналы, такие как сигнал начала зарядки, сигнал окончания зарядки и сигнал останова зарядки/разрядки, в схему 9 управления зарядкой и ЦП 29 посредством ЦП 11 вспомогательного блока 10b. Схема 9 управления зарядкой и ЦП 29 принимают эти сигналы и осуществляют управление переключением переключателей 22 и 26, тем самым осуществляя процесс начала зарядки, начинающий зарядку элемента C, процесс окончания зарядки, оканчивающий зарядку элемента С, и процесс останова, останавливающий зарядку/разрядку батарейного модуля B.
Хотя устройство 10 контроля состояния выполнено с возможностью контроля напряжения каждого элемента C в батарейном модуле B, устройство 10 контроля состояния может быть выполнено с возможностью контроля, например, температуры и давления каждого элемента C в дополнение к напряжению каждого элемента C. В соответствии с такими данными, как напряжение, температура и давление каждого элемента C, принятыми из вспомогательного блока 10b, основной блок 10a определяет, работает ли батарейный модуль В нормально, в частности, определяет степень отказа в батарейном модуле B. Если основной блок 10a определяет, что в батарейном модуле B произошел отказ, результат определения отображается на отображающем устройстве основного блока 10a, чтобы уведомить оператора об этом отказе. Кроме того, если основной блок 10a определяет, что степень отказа в батарейном модуле В является серьезной, осуществляется вышеупомянутый процесс блокировки для автоматического останова всей системы 1 зарядки либо останова зарядки/разрядки группы батарейных модулей на одной линии в батарейном пакете S.
Следует отметить, что вместо заимствования конфигурации, в которой основной блок 10a осуществляет централизованное управление множеством вспомогательных блоков 10b, можно позаимствовать альтернативную конфигурацию, в которой основной блок 10а не предусмотрен, а множество вспомогательных блоков 10b осуществляют управление независимо друг от друга. В этом случае ЦП 11 каждого вспомогательного блока 10b исполняет программу, хранящуюся в памяти (не показана), и в соответствии с напряжением каждого элемента C ЦП 11 определяет, например, состояние заряда каждого элемента C и то, работает ли батарейный модуль В нормально. Если ЦП 11 определяет, что необходимо осуществить, например, процесс начала зарядки, начинающий зарядку элемента C, процесс окончания зарядки, оканчивающий зарядку элемента С, и процесс останова, останавливающий зарядку/разрядку батарейного модуля B, то ЦП 11 передает заранее определенные сигналы в схему 9 управления зарядкой и ЦП 29.
Пример протекания обработки при проведении технологического контроля батарейного пакета
На фиг.5 представлена блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая пример протекания обработки при проведении технологического контроля батарейного пакета S.
Сначала, в качестве предварительной подготовки к зарядке во время определения аномально функционирующего элемента, устройство 10 контроля состояния (основной блок 10a, вспомогательные блоки 10b) измеряет для каждого батарейного модуля B, образующего батарейный пакет S, напряжение на клеммах каждого элемента C, образующего батарейный модуль B, и контролирует состояние заряда каждого элемента C в соответствии с результатами измерения (этап S10). Следует отметить, что состояние заряда каждого элемента C отображается на отображающем устройстве основного блока 10a. При этом, если основной блок 10a определяет, что имеется изменение напряжений (напряжений на клеммах) соответствующих элементов С (этап S11: ДА), основной блок 10a выдает предупреждение, а также выдает идентификационный номер и измеренное напряжение аномально функционирующего элемента (этап S12). Следует отметить, что элемент C, из которого при измерении выдается наименьшее напряжение, определяется как аномально функционирующий элемент.
Оператор приводит в действие прерыватели 54, соединенные с соответствующими выходными клеммами 52 пакета, предусмотренными на обоих концах батарейного пакета S, и отсоединяет батарейный пакет S от системы 1, в которой батарейный пакет S применяется. Далее, оператор удаляет от клемм 51 соединения модуля батарейного пакета S проводник 53 стороны положительного электрода и проводник 53 стороны отрицательного электрода батарейного модуля B, включающего в себя аномально функционирующий элемент, для которого издано предупреждение (этап S13). Следует отметить, что поскольку сторона передачи энергии и сторона приема энергии устройства 3 бесконтактной зарядки изолированы друг от друга, как описано выше, отсоединять прерыватели 54 не нужно. Вместе с тем, отсоединение прерывателей 54 является предпочтительным из соображений безопасности.
Когда вышеописанная предварительная подготовка к зарядке во время определения аномально функционирующего элемента завершается, оператор сажает выступ передающего энергию устройства 60 в выемку принимающего энергию устройства 70, тем самым прикрепляя передающее энергию устройство 60 к принимающему энергию устройству 70. В результате, первичная обмотка 6 передающего энергию устройства 60 и вторичная обмотка 7 принимающего энергию устройства 70 переводятся в состояние, в котором первичную обмотку 6 и вторичную обмотку 7 можно электромагнитно связать друг с другом. То есть в этом состоянии можно генерировать магнитный поток путем подачи переменного тока в первичную обмотку 6, а магнитный поток, генерируемый первичной обмоткой 6, можно связать с вторичной обмоткой 7 (этап S14). В этом состоянии оператор включает внешний источник 4 питания для подачи энергии переменного тока из внешнего источника 4 питания в источник 5 питания возбуждения передающего энергию устройства 60.
Основной блок 10a передает сигнал начала зарядки в ЦП 29 и схему 9 управления зарядкой через ЦП 11 вспомогательного блока 10b (этап S15). После приема сигнала начала зарядки, ЦП 29 осуществляет управление переключением переключателей 22 схемы 21 выбора полярности и переключателей 26 схемы 25 выбора элемента таким образом, что появляется возможность заряжать аномально функционирующий элемент (этап S16). В результате, в аномально функционирующий элемент протекает зарядный ток.
Когда основной блок 10a определяет, что результатом измерения напряжения аномально функционирующего элемента благодаря зарядке стал результат «НОРМАЛЬНО» (этап S17: ДА), основной блок 10a передает сигнал окончания зарядки в ЦП 29 и схему 9 управления зарядкой через ЦП 11 вспомогательного блока 10b (этап S18). В результате, зарядка аномально функционирующего элемента заканчивается. После приема сигнала окончания зарядки, ЦП 29 осуществляет управление сбросом, переводя в выключенное состояние все переключатели 22 схемы 21 выбора полярности и переключатели 26 схемы 25 выбора элемента (этап S19).
Оператор высвобождает посаженный выступ передающего энергию устройства 60 из выемки принимающего энергию устройства 70, тем самым открепляя передающее энергию устройство 60 от принимающего энергию устройства 70 (этап S20). Оператор проводит предоперационные проверки. Если в ходе предоперационных проверок аномалия не обнаруживается (этап S21: НОРМАЛЬНО), оператор соединяет проводник 53 стороны положительного электрода и проводник 53 стороны отрицательного электрода батарейного модуля B, в состав которого входит элемент С, который был заряжен во время технологического контроля, с соответствующими клеммами 51 соединения модуля батарейного пакета S, тем самым снова подсоединяя батарейный модуль B (этап S22).
Хотя зарядка аномально функционирующего элемента заканчивается, когда определяемое при измерении напряжение аномально функционирующего элемента достигает желаемого напряжения на этапе S17, зарядку аномально функционирующего элемента можно закончить в другой момент времени. Зарядку аномально функционирующего элемента можно закончить, когда SOC аномально функционирующего элемента становится таким же, как SOC других элементов C, или когда закончилась зарядка до заранее определенной емкости аккумуляторной батареи, или, например, когда истекает заданное время зарядки.
Если относительно низкими среди элементов C стали напряжения множества элементов, то первым заряжают элемент C с самым низким напряжением. Потом можно последовательно зарядить другие элементы С с низкими напряжениями, начиная с элемента C с напряжением, вторым после самого низкого. Если последовательно заряжать элементы C таким образом, начиная с элемента с самым низким напряжением, изменение среди напряжений соответствующих элементов С в батарейном модуле В постепенно исключается, и можно получить однородность напряжений среди элементов C в батарейном модуле B.
Вышеописанную последовательность процессов, за исключением предоперационных проверок (этап S21), можно автоматизировать с целью уменьшения нагрузки на оператора.
Подробные примеры операций схемы выбора полярностей и схемы выбора элемента
Ниже, со ссылками на фиг.6A и фиг.6B, приводится описание подробных примеров операций схемы 21 выбора полярности и схемы 25 выбора элемента. На фиг.6А показано состояние всей системы зарядки, когда заряжается элемент с нечетным номером 2n+1 в батарейном модуле В, а на фиг.6В показано состояние всей системы зарядки, когда заряжается элемент с четным номером 2n в батарейном модуле В.
Сначала приводится описание случая, в котором напряжение элемента с нечетным номером 2n+1 в батарейном модуле B стало ниже, чем напряжения других элементов C в батарейном модуле В.
Напряжение каждого элемента C в батарейном модуле В передается во вспомогательный блок 10b, а потом - в основной блок 10a, и отображается на отображающем устройстве основного блока 10a. Когда основной блок 10a автоматически или вручную, посредством осуществляемой оператором операции выбора, выбирает элемент с нечетным номером 2n+1 (т.е. аномально функционирующий элемент или элемент, подлежащий зарядке), напряжение которого снизилось в наибольшей степени среди элементов C в батарейном модуле B, основной блок 10a выдает сигнал начала зарядки, чтобы начать зарядку выбранного элемента с нечетным номером 2n+1, в ЦП 29 и схему 9 управления зарядкой через ЦП 11 вспомогательного блока 10b.
После приема сигнала начала зарядки, ЦП 29 осуществляет управление переключением схемы 21 выбора полярности, переводя во включенное состояние переключатель SW_D1 и переключатель SW_D2, и осуществляет управление переключением схемы 25 выбора элемента, переводя во включенное состояние переключатель SW_C2n и переключатель SW_C2n+1, которые соединены с обоими концами элемента с нечетным номером 2n+1. При этом, как показано сплошными линиями на фиг.6A, образуется проводной путь зарядки, проходящий от внешнего источника 4 питания до элемента с нечетным номером 2n+1, и зарядный ток течет по этому проводному пути зарядки в элемент с нечетным номером 2n+1. В результате, начинается зарядка элемента с нечетным номером 2n+1. Следует отметить, что проводной путь зарядки от схемы 9 управления зарядкой до элемента с нечетным номером 2n+1 выполнен проходящим по проводу 17 стороны положительного электрода схемы 9 управления зарядкой, через переключатель SW_D1, первую клемму 23 схемы 25 выбора элемента, переключатель SW_C2n, элемент с нечетным номером 2n+1, переключатель SW_C2n+1, вторую клемму 24 схемы 25 выбора элемента, переключатель SW_D2 и по проводу 18 стороны отрицательного электрода схемы 9 управления зарядкой в указанном порядке.
Далее приводится описание случая, в котором напряжение элемента с четным номером 2n в батарейном модуле B стало ниже, чем напряжения других элементов C в батарейном модуле В.
Аналогично случаю элемента с нечетным номером 2n+1, когда основной блок 10a автоматически или вручную, посредством осуществляемой оператором операции выбора, выбирает элемент с четным номером 2n (т.е. аномально функционирующий элемент или элемент, подлежащий зарядке), напряжение которого снизилось в наибольшей степени среди элементов C в батарейном модуле B, основной блок 10a передает сигнал начала зарядки, чтобы начать зарядку выбранного элемента с четным номером 2n, в ЦП 29 и схему 9 управления зарядкой через ЦП 11 вспомогательного блока 10b.
В ответ, ЦП 29 осуществляет управление переключением схемы 21 выбора полярности, переводя во включенное состояние переключатель SW_D3 и переключатель SW_D4, и осуществляет управление переключением схемы 25 выбора элемента, переводя во включенное состояние переключатель SW_C2n-1 и переключатель SW_C2n, соединенные с обоими концами элемента с четным номером 2n. При этом, как показано сплошными линиями на фиг.6В, образуется проводной путь зарядки, проходящий от внешнего источника 4 питания до элемента с четным номером 2n, и зарядный ток течет по этому проводному пути зарядки в элемент с четным номером 2n. В результате, начинается зарядка элемента с четным номером 2n. Следует отметить, что проводной путь зарядки от схемы 9 управления зарядкой до элемента с четным номером 2n выполнен проходящим по проводу 17 стороны положительного электрода схемы 9 управления зарядкой, через переключатель SW_D3, вторую клемму 24 схемы 25 выбора элемента, переключатель SW_C2n-1, элемент с четным номером 2n, переключатель SW_C2n, первую клемму 23 схемы 25 выбора элемента, переключатель SW_D4 и по проводу 18 стороны отрицательного электрода схемы 9 управления зарядкой в указанном порядке.
Из сравнения между частью, показанной сплошной линией на фиг.6A, и частью, показанной сплошной линией на фиг.6B, становится ясно, что направления протекания (т.е. полярности) тока, текущего по проводу 27 между одним концом переключателя SW_C2n и контактным концом между элементом с четным номером 2n и элементом с нечетным номером 2n+1, в этих двух случаях являются противоположными.
Как описано выше, для каждого батарейного модуля В необходима установка одного набора средств, состоящего из принимающего энергию устройства 70, выпрямителя 8 и схемы 9 управления зарядкой. Однако, если установлен один набор, состоящий из схемы 21 выбора полярности и схемы 25 выбора элемента, то все элементы C в батарейном модуле B можно задавать как элементы, подлежащие зарядке. Следовательно, хотя за раз можно заряжать только один элемент в батарейном модуле B, можно сократить затраты на оборудование, необходимое для зарядки всех элементов в батарейном модуле B, и площадь, занимаемую этим оборудованием, вследствие чего появляется возможность реализовать экономию места и затрат. Следует отметить, что в случае зарядки элементов С во множестве батарейных модулей B в батарейном пакете S, можно использовать множество передающих энергию устройств 60.
Пример коррекции измеряемых напряжений элементов, необходимой из-за частичного совместного использования проводов
Ниже, со ссылками на фиг.6A, фиг.6B, фиг.7, фиг.8A, фиг.8B и фиг.9, приводится описание способа коррекции напряжений элементов C, которая необходима, поскольку один и тот же провод 17 совместно используется и среди зарядных проводов для зарядки элементов C, и среди путей выдачи напряжений, предназначенных для выдачи напряжений элементов C. На фиг.7 представлена характеристическая диаграмма SOC, иллюстрирующая изменения напряжения в устройствах разных типов для аккумулирования энергии в зависимости от SOC. На фиг.8А изображено состояние схемы выбора элемента, когда зарядка элемента m, подлежащего зарядке, остановлена. На фиг.8В изображено состояние схемы выбора элемента, когда зарядка элемента m, подлежащего зарядке, осуществляется. На фиг.9 изображено состояние схемы 25 выбора элемента, когда заряжается элемент 1 на одном из двух концов батарейного модуля В.
На фиг.6B показано, что осуществляется зарядка элемента с четным номером 2n. При этом возникает явление, согласно которому основной блок 10a отображает напряжение элемента с четным номером 2n, более высокое, чем его фактическое напряжение, и отображает напряжения элементов (2n-1, 2n+1), соседствующих с элементом с четным номером 2n, более низкие, чем их фактические напряжения. Это явление возникает, поскольку провод 27, служащий зарядным проводом, также используется как путь измерения напряжения. Говоря конкретнее, это явление возникает, когда по проводу 27 между элементом с четным номером 2n и положением ответвления, в котором провод 14, соединенный с измерительной схемой 15, ответвляется от провода 27, протекает зарядный ток, и причиной этого явления можно назвать электрическое сопротивление провода 27. Для управления зарядкой требуется, чтобы основной блок 10a надлежащим образом обнаруживал напряжение элемента с четным номером 2n. Вместе с тем, когда элемент с четным номером 2n заряжается, напряжение элемента с четным номером 2n, подлежащего зарядке, и напряжения элементов (2n-1, 2n+1), соседствующих с элементом с четным номером 2n, точно измерить нельзя. Это затрудняет надлежащее управление зарядкой. Точно так же упомянутое явление возникает в случае, если заряжается элемент с нечетным номером 2n+1, как показано на фиг.6A.
В частности, ниже, со ссылками на фиг.7, обсуждается проблема, возникающая в случае, если в качестве элемента С используется никель-металлогидридная батарея. Следует отметить, что на фиг.7 кривая a отображает изменение напряжения в никель-металлогидридной батарее, кривая b отображает изменение напряжения в свинцовой батарее, кривая c отображает изменение напряжения в ионно-литиевой батарее, а кривая d отображает изменение напряжения в электрическом конденсаторе с двойным слоем. Изменение напряжения по отношению к изменению SOC (ΔV/ΔSOC) составляет приблизительно 0,1 в случае никель-металлогидридной батареи, приблизительно 2 в случае ионно-литиевой батареи и приблизительно 3 в случае электрического конденсатора с двойным слоем. Если теперь предположить, что изменения напряжения в соответствующих случаях являются одинаковыми, то изменение SOC в никель-металлогидридной батарее в 20 раз больше изменения SOC в ионно-литиевой батарее. Соответственно, в случае, если в качестве элемента С используется никель-металлогидридная батарея, даже если элемент C демонстрирует лишь небольшое изменение напряжения в конце зарядки, это небольшое изменение оказывает значительное влияние на изменение SOC в элементе C в большей степени, чем в других случаях использования аккумуляторных батарей разных типов в качестве элемента C. По этой причине, чтобы зарядить элемент C до SOC 100%, предотвращая при этом избыточную зарядку элемента C, необходимо точное измерение напряжения элемента.
Ввиду этого измеряемое напряжение элемента C корректируют с учетом падения напряжения на проводе 27, обуславливаемого зарядным током, и поэтому во время зарядки элемента С напряжение элемента C вычисляется точнее. В частности, до начала зарядки элемента m, подлежащего зарядке (m - номер элемента), напряжения (Vm-1, Vm+1) элементов (m-1, m+1), соседствующих с элементом m, которые измеряются вспомогательным блоком, сохраняются заранее. Потом напряжения, сохраненные заранее, напряжения (Vm-1', Vm+1') соседних элементов (m-1, m+1), измеренные вспомогательным блоком во время зарядки элемента m, подлежащего зарядке, и их разности (Vm-1-Vm-1'), (Vm+1-Vm+1') используются для вычисления падений (Δvm-1, Δvm) напряжения на проводе 27, соединенном с обоими электродами элемента m, подлежащего зарядке. За счет использования вычисляемых падений (Δvm-1, Δvm) напряжения корректируются напряжения (Vm-1, Vm+1), измеряемые вспомогательным блоком, и поэтому точнее вычисляется напряжение элемента m, подлежащего зарядке. Способ коррекции подробно описывается ниже со ссылками на фиг.8A и фиг.8B.
Как показано на фиг.8A, когда зарядка элемента m, подлежащего зарядке, останавливается, электрический ток не протекает от элемента m, подлежащего зарядке, к проводу вспомогательного блока 10b. Следовательно, как показано в нижеследующих формулах, напряжение Vm, измеряемое вспомогательным блоком 10b, и напряжение Em на клеммах элемента m, подлежащего зарядке, оказываются одинаковыми.
Формулы 1
Em-1=Vm-1 (1-1)
Em=Vm (1-2)
Em+1=Vm+1 (1-3)
С другой стороны, как показано на фиг.8B, когда зарядка элемента m, подлежащего зарядке, начинается, электрический ток протекает от элемента m, подлежащего зарядке, к вспомогательному блоку 10b по проводу 27. Соответственно, на проводе 27 происходят падения (Δvm-1, Δvm) напряжения, вызывающие изменения напряжения, измеряемого вспомогательным блоком 10b. Такое изменение измеряемого напряжения происходит в общей сложности в трех элементах: элементе m, подлежащем зарядке, и соседних с ним элементах (m-1, m+1). Поэтому, как показано на фиг.8A, напряжения (Vm-1, Vm+1) соседних элементов (m-1, m+1) измеряют до начала зарядки элемента m, подлежащего зарядке, и сохраняют измеренные напряжения (Vm-1, Vm+1).
Как показано на фиг.8B, когда зарядка элемента m, подлежащего зарядке, начинается, напряжения (Vm-1', Vm+1') соседних элементов (m-1, m+1), которые измеряются вспомогательным блоком, уменьшаются, а напряжение Vm' элемента m, подлежащего зарядке, которое измеряется вспомогательным блоком, увеличивается. Разности ΔVm-1 (=Vm-1-Vm-1') и ΔVm+1 (=Vm+1-Vm+1') равны падениям (Δvm-1, Δvm) напряжения на проводе 27, обуславливаемым зарядкой элемента m, подлежащего зарядке. В данном случае не может быть, чтобы напряжения соседних элементов (m-1, m+1) изменялись из-за зарядки элемента m, подлежащего зарядке. Следовательно, за счет использования напряжений (Vm-1', Vm', Vm+1') элемента m, подлежащего зарядке, и соседних элементов (m-1, m+1), которые измеряются вспомогательным блоком, а также падений (Δvm-1, Δvm) напряжения, которые происходят во время зарядки на проводе 27, соединенном с обоими электродами элемента m, подлежащего зарядке, точные напряжения (Em-1', Em', Em+1') элемента m, подлежащего зарядке, и соседних элементов (m-1, m+1) можно получить в реальном времени посредством вычисления с помощью формул, приводимых ниже.
Формулы 2
Em-1'=Vm-1'+Δvm-1 (2-1)
Em'=Vm'-Δvm-1-Δvm (2-2)
Em+1'=Vm+1'+Δvm (2-3)
Следует отметить, что падения напряжения на проводе 27, соединенном с обоими электродами элемента m, подлежащего зарядке, можно вычислить не только пользуясь разностями между напряжениями соседних элементов, измеряемыми вспомогательным блоком до зарядки, и напряжениями соседних элементов, измеряемыми вспомогательным блоком во время зарядки, но и также пользуясь произведением электрического сопротивления провода и зарядного тока, протекающего по этому проводу.
Более того, даже в случае, если элемент m, подлежащий зарядке, является элементом на одном из двух концов батарейного модуля B, напряжение элемента m, подлежащего зарядке, можно точно вычислить на основе вышеописанного способа вычисления. Говоря конкретнее, как показано на фиг.9, падение Δv1 напряжения на проводе 27 на стороне отрицательного электрода элемента 1 можно вычислить аналогично вышеизложенному. Вместе с тем, падение Δv0 напряжения на проводе 27 на стороне положительного электрода элемента 1 нельзя вычислить, пользуясь вышеописанным способом вычисления ввиду отсутствия соседнего элемента. Предполагая в данном случае, что длина l0 провода от схемы 25 выбора элемента до стороны положительного электрода элемента 1 и длина 11 провода от схемы 25 выбора элемента до стороны отрицательного электрода элемента 1 удовлетворяют соотношению l011, и что их электрические сопротивления r0 и r1 равны, получаем, что нижеследующая формула является правильной, поскольку зарядные токи ic, текущие по проводам, являются одинаковыми.
Формула 3
ΔvoΔv1 (3)
Следовательно, в случае, если элемент m, подлежащий зарядке, является элементом C на одном из двух концов батарейного модуля B, напряжение элемента C можно точно вычислить в реальном времени, пользуясь формулами, приводимыми ниже. В результате, можно реализовать надлежащее управление зарядкой.
Формула 4
E1'=V1'-Δv0-Δv1
V1'-2Δv1 (4-1)
E2'=2'+Δv1 (4-2)
Следует отметить, что если электрическое сопротивление r провода 27 составляет 0,04 (Ом), а зарядный ток ic составляет 3 (A), то падение Δv напряжения на проводе 27 составляет 0,12 (В). Если в качестве элемента С используется никель-металлогидридная батарея, имеющая напряжение на клеммах 1,2 В, то падение Δv напряжения на клеммах, равное 0,12 (В), составляет 10% напряжения на клеммах. Как описано выше со ссылками на фиг.7, изменение напряжения в никель-металлогидридной батарее меньше, чем в устройствах для аккумулирования энергии других типов, и даже небольшая погрешность измерения напряжения оказывает значительное влияние на управление зарядкой. В частности, если зарядку проводят превышением заранее определенного напряжения батареи на 10%, батарея оказывается избыточно заряженной и поврежденной. Даже если батарея не оказывается поврежденной, неоднократно проводимая избыточная зарядка может оказать негативное влияние на срок службы этой батареи. Следовательно, вышеописанным образом можно точно вычислить напряжение элемента C в реальном времени, что делает возможной надлежащую реализацию управления зарядкой различных устройств для аккумулирования энергии, предпочтительно аккумуляторных батарей, более предпочтительно никель-металлогидридной батареи.
Следует отметить, что вычисление для коррекции измеряемого напряжения элемента C можно реализовать различными средствами. В качестве одного примера отметим, что напряжение элемента C, которое приложено к вспомогательному блоку 10b посредством провода 14, можно корректировать с помощью схемы управления, входящей в состав измерительной схемы 15, причем схема управления выполнена с возможностью осуществления вышеописанного вычисления для коррекции. Например, в качестве схемы управления можно использовать цифровой процессор сигналов (ЦПС), оптимизированный для осуществления в реальном времени вычисления для коррекции напряжения элемента С, которое получено посредством A/D преобразователя 12. В альтернативном варианте, можно сохранять в памяти (не показана) программу вышеупомянутого вычисления для коррекции, а напряжение элемента C, получаемое с помощью ЦП 11 посредством A/D преобразователя 12, можно временно сохранять в памяти. Тогда вычисление для коррекции напряжения элемента C можно проводить путем исполнения этой программы. Вычисление для коррекции напряжения элемента C можно проводить не только с помощью ЦП 11 вспомогательного блока 10b, но и с помощью ЦП основного блока 10a.
Из вышеизложенного описания специалисту в данной области техники будут очевидны многочисленные модификации и другие варианты осуществления данного изобретения. Поэтому вышеизложенное описание следует интерпретировать лишь как пример, и оно представлено в целях изучения наилучшего способа осуществления данного изобретения специалистом в данной области техники. В рамках существа данного изобретения возможно значимое изменение его конструктивных и/или функциональных подробностей.
Промышленная применимость
Данное изобретение применимо в качестве системы зарядки, выполненной с возможностью зарядки батарейного модуля, в котором множество элементов соединены последовательно друг с другом, а в частности - в качестве системы зарядки, выполненной с возможностью зарядки множества элементов, образующих батарейный модуль, таким образом, что зарядка осуществляется для каждого элемента.
Список условных обозначений
C - элемент
B - батарейный модуль
S - батарейный пакет
51 - клемма соединения модуля
52 - выходная клемма пакета
53 - проводник
54 - прерыватель
1 - система зарядки батарейных модулей
2 - линия связи
3 - устройство бесконтактной зарядки
4 - внешний источник питания
5 - источник питания возбуждения
6 - первичная обмотка
60 - передающее энергию устройство
60a - выступ
7 - вторичная обмотка
70 - принимающее энергию устройство
70a - выемка
90 - изолятор
8 - выпрямитель
9 - схема управления зарядкой
10 - устройство контроля состояния
10a - основной блок
10b - вспомогательный блок
11 - ЦП
12 - A/D преобразователь
14 - провод
15 - измерительная схема
17 - провод стороны положительного электрода
18 - провод стороны отрицательного электрода
21 - схема выбора полярности
22 - переключатель
23 - первая клемма
24 - вторая клемма
25 - схема выбора элемента
26 - переключатель
27 - провод
29 - ЦП