DEVICE FOR BALANCING OF LITHIUM-ION ACCUMULATOR BATTERY
Устройство балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации больших литий-ионных аккумуляторных батарей.
Известно техническое решение «Батарея химических источников тока» (RU 2230418 C1 H02J 7/00, Н01М 10/44). Суть этого изобретения заключается в питании трансформатора с числом вторичных обмоток, равном числу аккумуляторных ячеек в батарее, преобразовании их выходного напряжения в постоянное и, при необходимости, подаче этого напряжения на аккумуляторную ячейку, требующую подзаряда.
Недостатком данной системы является то, что в случае применения такой системы в больших аккумуляторных батареях, появляется сложность реализации трансформатора с большим количеством вторичных обмоток, при первичной обмотке, работающей при высоких амплитудах питающего напряжения.
Наиболее близким к данному изобретению является устройство для нивелирования разности напряжений на аккумуляторной батарее (RU 133369 U1), состоящей из последовательно соединенных модулей, каждый из которых содержит заданное количество аккумуляторных ячеек, при этом устройство содержит синхронизированные между собой преобразователи постоянного напряжения в переменное (DC/AC) по числу модулей аккумуляторной батареи, и каждый преобразователь подключен к выводам соответствующего модуля, а к выходу каждого преобразователя модуля подключена первичная обмотка трансформатора, число вторичных обмоток каждого трансформатора равно числу аккумуляторов в модуле, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, дополнительные обмотки всех трансформаторов соединены параллельно синфазно, каждый модуль снабжен блоком мониторинга и контроля заряда модуля, а устройство снабжено контроллером, рассчитывающим среднее значение уровня заряда модулей, выявляющим модули с наиболее высоким зарядом и включающим преобразователи постоянного напряжения в переменное этих выявленных модулей.
Недостатком данного технического решения является то, что имеется возможность только подзаряжать ячейки и при этом невозможно разряжать ячейки с избыточным зарядом.
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение времени балансировки за счет организации обмена энергией, как между отдельными модулями, так и между отдельными аккумуляторами конкретного модуля одновременно.
Аккумуляторная батарея большой емкости разбивается на аккумуляторные модули AM1-AMm, состоящие из заданного числа аккумуляторов п. Аккумуляторным модулем считается логически обособленный сегмент батареи, находящийся под индивидуальным контролем своего блока системы мониторинга, контроля заряда и разряда (далее - Блок СКЗР).
Указанный технический результат достигается за счет следующей совокупности существенных признаков: в устройстве балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи для нивелирования разности напряжений на аккумуляторах, из которых состоит аккумуляторная батарея и состоящей из: последовательно соединенных аккумуляторных модулей (далее - Модуль), каждый из которых содержит заданное количество аккумуляторов; Блок СКЗР Модуля, при этом каждый Блок СКЗР Модуля содержит DC/AC преобразователи для каждого аккумулятора Модуля и DC/AC преобразователь для Модуля в целом, узлы мониторинга и контроля заряда для каждого аккумулятора Модуля и узел мониторинга и контроля заряда для Модуля в целом, а также блоки переключения режимов для каждого аккумулятора Модуля и блок переключения режима Модуля в целом; трансформатора Модуля, содержащего первичную обмотку, соединенную с блоком переключения режима Модуля в целом, вторичных обмоток по числу аккумуляторов в Модуле, соединенных с блоком переключения режимов каждого аккумулятора Модуля и дополнительной обмотки трансформатора Модуля, при этом дополнительные обмотки трансформаторов всех Модулей синфазно объединены для обмена энергией между Модулями; управляющего контроллера батареи.
Следует отметить, что упомянутые выше DC/AC преобразователи в зависимости от управляющего сигнала могут включаться или отключаться.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена блок-схема устройства.
Обозначения на блок-схеме устройства:
1. DC/AC преобразователи для каждого аккумулятора Модуля 1.
2. Узлы мониторинга и контроля заряда для каждого аккумулятора Модуля 1.
3. Блоки переключения режимов для каждого аккумулятора Модуля 1.
4. DC/AC преобразователь для Модуля 1 в целом.
5. Узел мониторинга и контроля заряда для Модуля 1 в целом.
6. Блок переключения режима Модуля 1 в целом.
7. Управляющий контроллер батареи.
8. Шина соединений аккумуляторов Модуля 2 с соответствующими компонентами Блока СКЗР Модуля 2.
9. Шина соединений аккумуляторов Модуля m с соответствующими компонентами Блока СКЗР Модуля m.
10. Шина соединений соответствующих выводов Блоков СКЗР Модулей от 1 до m с управляющим контроллером батареи. Кроме того, на фиг. 1 введены обозначения:
Блок СКЗР Модуля 1, Блок СКЗР Модуля 2, …, Блок СКЗР модуля m-блоки системы мониторинга, контроля заряда и разряда Модулей 1-го, 2-го, m-го.
A1, …, An - аккумуляторы первого Модуля 1 от 1-го до n-го.
AM1 - аккумуляторный Модуль 1.
Т1А1 - вторичная обмотка трансформатора 1-го аккумулятора Модуля 1.
Т1А2 - вторичная обмотка трансформатора 2-го аккумулятора Модуля 1.
T1An - вторичная обмотка трансформатора n-го аккумулятора Модуля 1.
Т1М - первичная обмотка трансформатора Модуля 1.
Т2А1 - вторичная обмотка трансформатора 1-го аккумулятора Модуля 2.
Т2М - первичная обмотка трансформатора Модуля 2.
TmA1 - вторичная обмотка трансформатора 1-го аккумулятора Модуля m.
TmM - первичная обмотка трансформатора Модуля m.
T1B, Т2В, …, TmB - дополнительные обмотки трансформаторов Модулей 1 до m, синфазно объединенных для обмена энергией между Модулями.
Устройство работает следующим образом.
Управляющий контроллер батареи, на основании информации поступившей по шине 10 (фиг. 1) выявляет Модуль i с наиболее высоким зарядом и включает, входящий в Блок СКЗР Модуля i, DC/AC преобразователь для Модуля i в целом с целью передачи энергии через дополнительную обмотку TiB в Модуль с наименьшим зарядом, определяет Модуль j с наименьшим зарядом, который должен получить энергию и подключиться к дополнительной обмотке TjB своего трансформатора, выдает соответствующие управляющие сигналы на блоки переключения режима соответствующих Модулей. Кроме того, управляющий контроллер батареи, разрешает производить балансировку тем Модулям, в которых отличаются уровни заряда аккумуляторов. То есть, аналогично со всей батареей, управляющий контроллер обрабатывает данные о заряде всех аккумуляторов и для каждого Модуля выдает управляющие сигналы на блоки переключения режимов соответствующих аккумуляторов с минимальным и максимальным зарядом в Модуле.
Для уменьшения времени балансировки, управляющий контроллер на каждом этапе получает данные о заряде всех аккумуляторов, принимает решение, какие аккумуляторы в отдельности и, соответственно, модули необходимо подзарядить. При этом параллельно идет процесс обратного типа, т.е. какие части батареи необходимо разрядить и, соответственно, выдаются соответствующие команды Блокам СКЗР Модулей, формируя общий поток, разряжающий одни аккумуляторы и Модули, и заряжающий другие. Процесс балансировки заканчивается, когда напряжения на всех аккумуляторах становятся равным с заданной точностью.