СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL OF TECHNICAL CONDITION OF SERIAL ACCUMULATOR BATTERY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для контроля состояния аккумуляторных источников питания, как отдельных аккумуляторов, так и батарей, состоящих из n параллельно включенных элементов. Знание электрических параметров аккумуляторных батарей позволяет производить диагностирование технического состояния на различных стадиях эксплуатации, а также принимать решение о их восстановлении или списании. Это в первую очередь важно для Li-ion аккумуляторов, применяемых в системах автономного электроснабжения на транспортных средствах, для которых характерен критерий минимизации массогабаритных показателей элементов данных систем.
Особенность применения Li-ion аккумулятора сводится к тому, что [1, 2, 3]:
1. Разряд Li-ion аккумулятора ниже 3 B (примерно, до 2.2 B) (данный порог варьируется в пределах 0,5 B в зависимости от химического состава и геометрической формы аккумулятора) приводит к необратимым химическим процессам внутри аккумулятора, что делает его непригодным для дальнейшего использования. При разряде Li-ion аккумулятора нужно контролировать его напряжение и силу тока в цепи.
2. Li-ion аккумуляторы имеют низкую устойчивость к перезаряду. На отрицательном электроде на поверхности углеродной матрицы при значительном перезаряде становится возможным осаждение металлического лития, обладающего большой реакционной способностью к электролиту, а на катоде начинается активное выделение кислорода. Возникает угроза теплового разгона, повышения давления и разгерметизации. Поэтому заряд Li-ion аккумуляторов можно вести только до напряжения, рекомендуемого производителем. При увеличенном зарядном напряжении ресурс аккумуляторов снижается.
3. Работа аккумулятора на токах, отличающихся от нормального режима, заданном в документации производителем аккумуляторов и превышающих его емкость, возможна в кратковременных режимах. При коротком замыкании в литий-ионном аккумуляторе возникает бурная реакция взрывного типа, получившей название "вентиляция с выбросом пламени".
Для внутренней защиты Li-ion аккумулятора используют дополнительно введенный в аккумулятор слой сепаратора. В этом случае, при коротком замыкании из-за прорастания дендритов лития к положительному электроду, за счет локального разогрева слой сепаратора подплавляется и становится непроницаемым, предотвращая дальнейшее прорастание дендритов.
Однако для повышения безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов в составе батареи обязательно применяется также и внешняя электронная защита, цель которой не допустить возможность перезаряда и переразряда каждого аккумулятора, от внутренних коротких замыканий (а в отдельных случаях - и от внешних коротких замыканий) и чрезмерного разогрева.
Известен способ определения остаточной емкости кислотной свинцовой аккумуляторной батареи (а.с. №1619360, H01M 10/48, 1991 г.), где измеряют напряжение на аккумуляторной батареи, на основании анализа которого принимается решение об остаточной емкости кислотной свинцовой аккумуляторной батареи и пригодности ее дальнейшего использования.
Недостаток данного способа определяется неэффективностью контроля аккумуляторной батареи, обусловленной низкой информативностью измеряемого напряжения, не обеспечивающего исчерпывающие сведения о состоянии элементов аккумуляторной батареи. Кроме этого недостатком устройства по данному способу при параллельном включении n элементов аккумуляторной батареи является сложность устройства контроля, которая приводит к завышенным массогабаритным показателям (необходимо организовать n каналов передачи информации с n точек контроля гальванически связанных аккумуляторов (в общем случае)).
Известно устройство автоматического контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи (RU, Патент РФ, №2131158, кл. H01M 10/48, G01R 31/36, 1999), содержащее блок управления, на один из выходов которого подключен блок коммутации, блок для определения остаточной емкости аккумуляторной батареи в режиме импульсного разряда, зарядное устройство, блок сравнения, блок эталонной кривой, индикатор и измеритель внутреннего сопротивления, причем на другие выходы блока управления подключены зарядное устройство и индикатор, на вход блока управления подключен блок сравнения, входы которого соединены с выходами блока эталонной кривой и измерителя внутреннего сопротивления, входы которых через блок коммутации подключаются к испытываемому элементу аккумуляторной батареи.
Недостатком известного устройства при параллельном включении n элементов аккумуляторной батареи является сложность устройства контроля, которая приводит к завышенным массогабаритным показателям (необходимо организовать для n каналов передачи информации с n точек контроля гальванически связанных аккумуляторов коммутацию) устройства контроля и, следовательно, всей системы электроснабжения транспортных средств на базе гальванически связанных аккумуляторов. Кроме этого, как известно, надежность устройства контроля должна быть больше, чем надежность контролируемого объекта, в связи с чем сложность устройства контроля приводит также к низкой достоверности результатов контроля из-за отсутствия самоконтроля самого устройства контроля. Причем коммутация точек контроля гальванически связанных аккумуляторов разносит их контроль во времени, что исключает одновременный доступ к любому аккумулятору для контроля в произвольный момент времени, т.е. создает задержку обнаружения отказа конкретного аккумулятора и повышает вероятность развития процесса "вентиляции с выбросом пламени".
Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) является способ измерения сопротивления короткого замыкания химических источников тока, описанный в а.с. №547878 (H01M 10/48, 1977 г.), сводящийся к обработке контролируемого напряжения на выходных зажимах подключения контролируемых химических источников тока в n контрольных точках.
Недостатком устройства по данному способу при параллельном включении n элементов аккумуляторной батареи является сложность устройства контроля, которая приводит к завышенным массогабаритным показателям (необходимо организовать n каналов передачи информации с n точек контроля гальванически связанных аккумуляторов (в общем случае)), а также к низкой достоверности результатов контроля из-за отсутствия самоконтроля самого устройства контроля.
Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) является устройство для контроля напряжения гальванически связанных аккумуляторов (SU, авторское свидетельство №729700, кл. H01M 10/48, 1977 г.), содержащее n+1 выходных зажимов для подключения контролируемых аккумуляторов, измерительный коммутатор, блок управления коммутатором, источник эталонного напряжения и орган обработки информации.
Недостатком прототипа, как и аналога, является сложность устройства контроля, которая приводит к завышенным массогабаритным показателям (необходимо организовать для n каналов передачи информации с n точек контроля гальванически связанных аккумуляторов коммутацию) устройства контроля и, следовательно, всей системы электроснабжения транспортных средств на базе гальванически связанных аккумуляторов. Кроме этого, как известно, надежность устройства контроля должна быть больше, чем надежность контролируемого объекта, в связи с чем сложность устройства контроля приводит также к низкой достоверности результатов контроля из-за отсутствия самоконтроля самого устройства контроля. Причем коммутация точек контроля гальванически связанных аккумуляторов разносит их контроль во времени, что исключает одновременный доступ к любому аккумулятору для контроля в произвольный момент времени, т.е. создает задержку обнаружения отказа конкретного аккумулятора и повышает вероятность развития процесса "вентиляции с выбросом пламени".
Технической задачей является повышение надежности работы аккумуляторной батареи путем автоматизации процесса определения коротких замыканий в отдельных элементах аккумуляторной батареи, т.е. осуществление поэлементного контроля работоспособного состояния во всем диапазоне режимов работы системы автономного электроснабжения.
Обобщая проведенный выше анализ особенностей функционирования Li-ion аккумуляторной батареи можно отметить, что при организации процесса контроля состояния Li-ion аккумуляторной батареи должен быть использован принцип параллельного контроля, сводящийся к тому, что: любой аккумулятор батареи должен быть доступен для контроля как короткого замыкания, так и превышения в нем тока в произвольный момент времени. В связи с этим особенностью данного решения является то, что при передаче информации о работоспособности гальванически связанных аккумуляторов, полученной в точках их контроля, необходимо использовать параллельный принцип организации процесса контроля, при котором структурно аккумуляторная батарея состоит из пронумерованных аккумуляторов, а процессу контроля в произвольный момент времени доступен любой аккумулятор батареи.
Σпр
Для решения данной задачи в способе автоматического контроля технического состояния элементов параллельной аккумуляторной батареи, сводящемся к обработке информации результатов контроля в n+1 выходных зажимах подключения контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках, нумеруют последовательно контрольные точки, масштабируют токи от каждого элемента аккумуляторной батареи с коэффициентом масштабирования от каждой контрольной точки пропорционально номеру аккумулятора i, вычисляют предельное значение напряжение U, соответствующее случаю, когда исправны все элементы контролируемой аккумуляторной батареи
,
Σ
Σпр
Σпр
Σ
масштабированные токи от каждой контрольной точки суммируют в точке суммирования и передают через канал связи в орган обработки информации, где преобразуют суммарный ток в пропорциональное напряжение U и вычитают данное напряжение из предельного значения напряжения U, а по величине результирующего напряжения U-U идентифицируют номер элемента в аккумуляторной батарее, в котором возникло короткое замыкание.
Устройство автоматического контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи, содержащее n+1 выходных зажимов для подключения контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках и орган обработки информации, вход которого подключен к выходу канала связи, кроме этого в устройство дополнительно введены блок суммирования токов с коэффициентом масштабирования по каждому входу, пропорциональным номеру этого входа, причем i-й вход блока суммирования токов подключен к i-й точке контроля технического состояния соответствующих элементов аккумуляторной батареи, а выход блока суммирования токов соединен с входом канала связи, орган обработки информации содержит блок преобразования тока в напряжение, вычитатель, задатчик напряжения и аналого-цифровой преобразователь, причем вход органа обработки информации соединен с входом блока преобразования тока в напряжение, выход которого соединен с первым входом вычитателя, ко второму входу которого подключен задатчик напряжения, а выход вычитателя к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к выходу органа обработки информации, являющемуся выходом устройства.
В устройстве автоматического контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи блок суммирования токов состоит из n резисторов, причем величина i-ого резистора обратно пропорциональна его номеру i, первый конец i-ого резистора подключен к i-ому входу блока масштабирования токов, а вторые концы всех резисторов блока масштабирования токов объединены и подключены к его выходу.
На фигуре представлена принципиальная блок-схема устройства.
Устройство содержит контролируемую аккумуляторную батарею (АБ) с n+1 выходных зажимов для подключения n контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках, блок суммирования токов 1, канал связи 2, орган обработки информации 3. Орган обработки информации 3 в свою очередь включает блок преобразования тока в напряжение 4, вычитатель 5, задатчик напряжения 6 и аналого-цифровой преобразователь 7.
Входы блока суммирования токов 1 подключены к точкам контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи (АБ), а выход - к входу канала связи 2. Выход канала связи 2 подключен к входу органа обработки информации 3. В органе обработки информации 3 его вход соединен с входом блока преобразования тока в напряжение 4. Выход блока преобразования тока в напряжение 4 соединен с первым входом вычитателя 5, ко второму входу которого подключен задатчик напряжения 6, а выход - к входу аналого-цифрового преобразователя 7. Выход аналого-цифрового преобразователя 7 подключен к выходу органа обработки информации 3, являющемуся выходом устройства автоматического контроля технического состояния элементов АБ.
1
1
2
Блок преобразования тока в напряжение 4 может быть совмещен с операцией суммирования, которая осуществляется в точке суммирования S для токов от точек контроля элементов аккумуляторной батареи, и при включении точки суммирования S в точку суммирования S схемы на операционном усилителе реализуется сумматор в виде, приведенном на фиг.1.
Σпр
Предложенное устройство работает следующим образом. При автоматическом контроле технического состояния элементов аккумуляторной батареи (АБ) через n+1 выходных зажима подключены контролируемые аккумуляторы к n контрольным точкам. В начальном состоянии нумеруют последовательно контрольные точки и вычисляют предельное значение напряжения U, соответствующее случаю, когда исправны все аккумуляторы контролируемой батареи
и при коэффициенте преобразования 1 Ом пропорциональное сумме токов от каждой точки контроля  и устанавливают его в задатчике напряжения 6.
i
В рабочем состоянии в блоке суммирования 1 для каждой контрольной точки аккумуляторной батареи АБ определяются токи I пропорционально номеру i аккумулятора А
1
где i - порядковый номер контролируемого аккумулятора, E - напряжение аккумуляторов в батареи, a I - ток от первой контрольной точки.
1
1
2
n
В точке суммирования S суммируются токи от аккумуляторов A, A, …, A
Σ
Σ
Σ
Суммарный ток I по однопроводному каналу связи 2 передают в орган обработки информации 3. В органе обработки информации 3 суммарный ток I в блоке преобразования тока в напряжение 4 преобразуют в пропорциональное напряжение U. Например, при коэффициенте преобразования тока в напряжение 1 Ом напряжение, пропорциональное сумме токов на выходе блока преобразования тока в напряжение 4 от каждой точки контроля,
Σ
Σпр
Напряжение U поступает на второй вход вычитателя 5, на первый вход которого поступает напряжение с выхода задатчика напряжения 6, равное предельному значению напряжения U. Причем согласно [4], получаем
где n - количество элементов в аккумуляторной батарее.
Данное выражение может быть использовано для расчета напряжения, которое задается в задатчике напряжения 6.
Напряжение на выходе вычитателя равно разности напряжений на его входах
1, если аккумулятор не закорочен;
0, если аккумулятор закорочен.
В случае, если все контролируемые аккумуляторы исправны и имеют одинаковые ЭДС, эта разность равна
что соответствует 100% исправности.
В случае технически неисправного аккумулятора, если произошло "короткое замыкание" в k-м аккумуляторе, то разность
Σ
По величине результирующего напряжения ΔU при условии, что шаг квантования аналого-цифровой преобразователь 7 равен , на выходе аналого-цифрового преобразователя 7 идентифицируется номер k аккумулятора в батарее, в котором возникло короткое замыкание. Таким образом, в устройстве по однопроводному каналу связи поступает информация о наличии неисправного аккумулятора и его номере. При получении информации о неисправном аккумуляторе на выходе устройства формируется номер отказавшего аккумулятора для принятия решения об устранении аварийной ситуации.
При этом осуществляется контроль состояния АБ через поэлементный контроль аккумуляторов A, что позволяет поддержать аккумуляторные батареи в готовности к применению при работе системы автономного электроснабжения. Причем любой аккумулятор батареи доступен для контроля в любой момент времени. Предложенный способ контроля состояния батареи Li-ion аккумуляторов может быть использован и для контроля состояния других типов аккумуляторных батарей. При получении информации о неисправном аккумуляторе на выходе устройства формируется номер отказавшего аккумулятора для принятия решения об устранении аварийной ситуации.
В заключение, следует отметить, что предложенный способ имеет ограничение в случае одновременного "короткого замыкания" в двух и более аккумуляторах. Однако данное событие имеет существенно меньшую вероятность, чем вероятность "короткого замыкания" одного аккумулятора в батарее, в связи с чем данное ограничение не является критичным для применения данного способа.
Используемая литература
1. Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. СПб.: Химиздат. - 2005. - 262 с.
2. Скундин A.M. Литий-ионные аккумуляторы: современное состояние, проблемы и перспективы // Электрохимическая энергетика. - 2001. Т.1. С.5-15
3. Кедринский И.А., Дмитриенко В.Е., Грудянов И.И. Литиевые источники тока. М.: Энергоиздат. - 1992. - 247 с.
4. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Государственное изд-во физико-математической литературы. - 1963. - С.15. Формула 121.1.