БАЛАНСИР НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ БАТАРЕИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
VOLTAGE BALANCER FOR BANK OF ELECTRIC ENERGY STORAGE UNITS

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании батарей электрических накопителей энергии различного типа: от Li-ионных аккумуляторов до ионисторов и химических источников тока в составе автономных систем электроснабжения, в том числе на транспорте, в устройствах бесперебойного питания, в системах оперативного постоянного тока и сетевых накопителях электроэнергии.
Проблема обеспечения длительного срока службы высоковольтных аккумуляторных батарей, состоящих из последовательно соединенных аккумуляторов, является актуальной, поскольку даже небольшие различия в характеристиках отдельных аккумуляторов (единицы процентов от номинальных параметров), имеющие место при комплектовании батарей (по емкости, токам утечки, внутреннему сопротивлению и др.) в процессе эксплуатации приводят к значительному разбалансу в степени заряженности отдельных аккумуляторов (более десяти процентов). Следствием этого являются снижение уровня отдаваемой емкости батарей в нагрузку, перезаряд и недопустимо глубокий разряд отдельных элементов с возможностью их переполюсовки, разгерметизации и других необратимых и нежелательных явлений, что в итоге приводит к сокращению срока службы батарей. Одним из решений указанной проблемы является выравнивание (нивелирование) разбаланса напряжений между отдельными элементами батареи путем селективного шунтирования избыточного напряжения отдельных элементов с помощью резисторов методом пассивной балансировки [см. патент С №201623235 фирмы SHAN DONG SHAHGCUN ENERGY Co LTD опубл. 11.03.2010 г., а также патент РФ №2324263, опубл. 27.01.2008 г.].
Однако данное техническое решение энергетически не эффективно, так как приводит к непроизводительным потерям энергии, а также вызывает нежелательный перегрев всей батареи, так как выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батареи. Кроме того, скорость и энергия выравнивания ограничены количеством рассеиваемой при этом энергии.
Известна батарея электрических накопителей энергии, содержащая множество единичных элементов или модулей, соединенных в последовательную электрическую цепь, систему контроля и управления батареей, а также электронные блоки, обеспечивающие выравнивание напряжений на отдельных накопительных элементах, питание которых обеспечивается от дополнительного источника энергии [см. патент РФ №2230418, опубл. 10.06.2004 г.].
Недостатком известной батареи является сложность ее эксплуатации из-за наличия внешнего источника энергии, требующего дополнительного обслуживания, а в случае использования стационарного источника энергии - потеря автономности (мобильности) батареи.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к данному изобретению является балансир напряжений для батареи электрических накопителей энергии из единичных накопителей, соединенных в последовательную электрическую цепь, состоящий из выравнивающего устройства для каждых двух смежных накопителей, обеспечивающего активное выравнивание напряжений на них, выходы которого подключены параллельно этим накопителям, и блока управления выравнивающим устройством, состоящим из дросселя, подключенного к точке последовательного соединения двух смежных накопителей и через нормально открытые ключи к другим последовательно соединенным накопителям с параллельно подключенными диодами, открытыми в направлении протекания тока от минуса накопителя к его плюсу, а блок управления выполнен с функцией замыкания нормально открытого ключа на время, равное выравниванию напряжения на двух смежных накопителях [см. патент РФ на полезную модель №75797, опубл. 20.08.2008 г.].
Недостатком известного балансира является то, что 1) не производится измерение тока в цепи дросселя выравнивающего устройства и тем самым не реализуется обратная связь при управлении ключами по времени, что может привести к насыщению дросселя и перерождению его реактивного сопротивления в активное, что сопровождается возникновением больших токов и, следовательно, тепловых потерь, что сводит на нет перекачку энергии в достаточно длинных цепочках накопительных элементов; 2) не измеряется температура накопительных элементов и не обеспечивается их защита от перегрева; 3) отсутствует канал информационной связи между блоками управления и блоком управления всей батареи, что делает невозможным использование более сложных, чем примитивная локальная перекачка энергии между соседними накопителями, алгоритмов выравнивания, учитывающих сложившееся глобальное распределение энергии между всеми накопителями батареи, а также статистические данные, полученные о параметрах и состоянии отдельных ячеек в процессе эксплуатации. Например, в какой-то текущий момент смежные единичные накопители могут иметь одинаковое напряжение на своих выводах, но разную утечку, поэтому «плохому» элементу надо подкачивать энергию от «хорошего», пока еще это не сказалось на работе батареи.
Перед заявленным изобретением была поставлена задача создания балансира напряжений для батареи электрических накопителей энергии, свободного от перечисленных недостатков.
Поставленная задача решается тем, что предложен балансир напряжений для батареи электрических накопителей энергии из единичных накопителей, соединенных в последовательную электрическую цепь, состоящий из выравнивающего устройства для каждых двух смежных накопителей, обеспечивающего активное выравнивание напряжений на них, выходы которого подключены параллельно этим накопителям, и блока управления выравнивающим устройством, состоящим из дросселя, подключенного к точке последовательного соединения двух смежных накопителей и через нормально открытые ключи к другим последовательно соединенным накопителям с параллельно подключенными диодами, открытыми в направлении протекания тока от минуса накопителя к его плюсу, а блок управления выполнен с функцией замыкания нормально открытого ключа на время, равное выравниванию напряжения на двух смежных накопителях.
Новым в предложенном балансире является то, что последовательно с дросселем выравнивающего устройства включен датчик тока; ключи для двух смежных накопителей выравнивающего устройства выполнены в виде MOSFET-транзисторов, встроенных в драйвер, управляемый ШИМ-сигналом от блока управления, выполненного в виде микроконтроллера, запитанного от двух смежных накопителей и подключенного через шину измерительных сигналов к датчику тока, датчику температуры, установленному около каждого единичного накопителя, и клеммам обоих смежных накопителей, а по последовательному мультиплексному каналу связи, например, CAN-типа, с гальванической развязкой к управляющему микроконтроллеру батареи.
Технический результат заявленного изобретения состоит в том, что в предложенном балансире предотвращено явление насыщения дросселя выравнивающего устройства за счет обратной связи по ШИМ-сигналу от датчика тока дросселя, обеспечивается защита батареи от перегрева ее отдельных накопителей за счет измерения их температуры и передачи сигналов перегрева контроллеру батареи для ее отключения от нагрузки или зарядного устройства, а также обеспечения возможности использования не только локальных, но и глобальных алгоритмов выравнивания напряжения на накопителях батареи.
На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленного устройства.
Заявленный балансир напряжений для батареи электрических накопителей энергии из единичных накопителей 1, соединенных в последовательную электрическую цепь, состоит из выравнивающего устройства 2 для каждых двух смежных накопителей 1, обеспечивающее активное выравнивание напряжений на них, выходы которого подключены параллельно накопителям 1, и блока управления 3 выравнивающим устройством 2, состоящим из дросселя 4, подключенного к точке последовательного соединения двух смежных накопителей 1 и через нормально открытые ключи 5 к другим последовательно соединенным накопителям с параллельно подключенными диодами 6, открытыми в направлении протекания тока от минуса накопителя 1 к его плюсу. Блок управления 3 выполнен с функцией замыкания нормально открытого ключа 5 на время, равное выравниванию напряжения на двух смежных накопителях 1. Последовательно с каждым дросселем 4 выравнивающего устройства 2 включен датчик тока 7. Ключи 5 для двух смежных накопителей 1 выравнивающего устройства 2 выполнены в виде MOSFET-транзисторов, встроенных в драйвер 8, управляющий ключами 5 с помощью ШИМ-сигналов из блока управления 3 через электронную управляющую схему 9 драйвера. Блок управления 3 выравнивающего устройства 2 выполнен в виде микроконтроллера, запитанного от двух смежных накопителей 1 и подключенного через шину измерительных сигналов 10 к датчику тока 7 и датчику температуры 11, установленному рядом с каждым накопителем 1, и клеммам обоих смежных накопителей 1, а по последовательному мультиплексному каналу связи 12 с гальванической развязкой, например, CAN-типа, к управляющему микроконтроллеру батареи (на чертеже не показан).
Заявленный балансир работает следующим образом.
Выравнивающее устройство 2 для первой пары смежно подключенных элементов 1 батареи, представленных на чертеже сверху и справа, обеспечивает равенство напряжений на накопительных элементах 1 первой пары, а выравнивающее устройство 2 для второй пары смежно подключенных накопительных элементов 1, представленных на чертеже снизу и слева, обеспечивает равенство напряжений на элементах 1 второй пары. Поскольку измерение напряжения на среднем накопительном элементе 1, являющимся общим для обеих пар, осуществляется обоими блоками управления 3 выравнивающими устройствами 2, то при совместной работе обоих выравнивающих устройств 2 под управлением блоков 3 будет обеспечено равенство напряжений на всех трех смежных накопительных элементах 1. В случае разбаланса напряжения, например, на накопительных элементах 1 верхней на чертеже пары, такого, что верхний элемент 1 более разряжен, чем нижний, и напряжение на нем меньше, чем на нижнем элементе 1 этой пары, соответствующий блок управления 3 через соответствующее выравнивающее устройство 2 и электронную управляющую схему 9 драйвера 8, представленных на чертеже справа, замыкает на некоторое время встроенный в драйвер 8 нижний электронный ключ 5, подключенный параллельно среднему накопительному элементу 1. Через соответствующий дроссель 4 начинает течь ток в направлении от «+» к «-». Управляя временем открытия ключа 5 посредством ШИМ-сигнала, можно менять количество энергии, отобранной у нижнего накопительного элемента 1 для передачи на верхний, а измерение тока дросселя 4 позволяет управлять временными параметрами ШИМ-сигнала для ограничения этого тока и предотвращения насыщения дросселя 4. После размыкания указанного ключа 5 энергия, накопленная дросселем 4, будет заряжать верхний накопительный элемент 1 первой пары через открытый диод 6, подключенный параллельно верхнему электронному ключу 5. Аналогично работает схема балансировки на второй паре накопительных элементов 1. На каждый новый накопительный элемент 1 батареи добавляется балансировочная схема из блоков 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, и 11.
В процессе выполнения локального алгоритма выравнивания напряжений на смежных накопительных элементах 1 блоки управления 3 сообщают измеренные на них величины напряжений и температур в блок управления верхнего уровня (на чертеже не показан) по последовательному каналу связи 12 с гальванической развязкой, а обратно в случае необходимости получают изменения алгоритма балансировки, например, когда на одном конце батареи оказались «хорошие» элементы 1, а на другом «плохие». Тогда при зарядке «плохие» элементы 1 выйдут на предельные напряжения быстрее «хороших» и придется перекачивать с них энергию на «хорошие». При разрядке батареи может получиться, что подкачивать энергию придется наоборот от «хороших» элементов 1 к «плохим». Указанную статистику по качеству накопительных элементов 1 набирает блок управления верхнего уровня при эксплуатации батареи по информации с местных блоков управления 3. Он же отключает батарею при локальных перегревах накопительных элементов 1 или превышении предельных параметров токов и напряжений. В качестве драйвера 8 может быть использован драйвер iP3533PBF фирмы IRF, в качестве блока управления 3 - микроконтроллер MC9S08MP16VLC фирмы Freescale.