АККУМУЛЯТОРНЫЙ БЛОК
ACCUMULATOR UNIT

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к литий-ионным аккумуляторам и батареям на их основе, используемых для электропитания средств связи.
Известен литий-ионная аккумуляторная батарея (Патент РФ на ПМ №124842, опубликовано: 10.02.2013, МПК Н01М 10/00), содержащая источники тока в виде литий-ионных аккумуляторов, корпуса которых имеют призматическую форму и на крышках которых расположены положительные и отрицательные выводы, а внутри корпуса помещен блок электродов, литий-ионные аккумуляторы соединены последовательно в электрическую цепь в количестве, необходимом для обеспечения требуемого напряжения и электрической емкости батареи, и снабжены предохранительным средством для сброса избыточного давления, отличающаяся тем, что блок электродов литий-ионного аккумулятора составлен из не менее двух электродных сборок, запаянных в герметичные электроизолирующие пакеты с электролитом, положительный и отрицательный выводы расположены на противоположных сторонах электродных сборок, выводы электродных сборок образуют выводы блока электродов, а литий-ионные аккумуляторы собраны в литий-ионные аккумуляторные блоки, состоящие из не менее двух литий-ионных аккумуляторов, соединенных в две или более параллельные цепи, каждая из которых содержит один литий-ионный аккумулятор либо два или более последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов, а литий-ионные аккумуляторные блоки собраны в литий-ионную аккумуляторную батарею, состоящую из не менее двух литий-ионных аккумуляторных блоков, соединенных в две или более параллельные цепи, каждая из которых содержит один литий-ионный аккумуляторный блок либо два или более последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторных блоков.
Недостатком данного технического решения является отсутствие устройства управления батареей, что в случае литий-ионных аккумуляторов является необходимым ввиду зависимости характеристик батареи от режимов заряда.
Известен аккумуляторный блок автоматически управляемого транспортного средства (Патент РФ на ИЗ №2569935, опубликовано 10.12.2015, МПК Н01М 2/10, Н01М 10/04), содержащий кожух, установленный в кузове автоматически управляемого транспортного средства, аккумулятор (у нас - литий-ионная аккумуляторная батарея), который размещен в кожухе и имеет отверстие, проходящее в вертикальном направлении, панель управления, размещенную в кожухе и включенную в монитор заряда и разряда, чтобы отслеживать состояние заряда и разряда литий-ионной аккумуляторной батареи, и электрические компоненты, размещенные в кожухе и электрически подключенные к литий-ионной аккумуляторной батарее.
Недостатком данного технического решения является то, что устройство управления не обеспечивает управление зарядом, разрядом и режимом эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.
Проблемой литий-ионных аккумуляторных блоков является зависимость характеристик блока от режимов заряда и эксплуатации, а следовательно, от набора функций устройства управления. В особенности это актуально для аккумуляторных блоков средней и малой мощности, работающих в сложных эксплуатационных режимах электропитания средств связи.
Техническим результатом изобретения является получение и применение информации для обеспечения оптимальных режимов управления эксплуатацией аккумуляторного блока: времени работы, токе заряда или разряда, текущей емкости, температуре аккумуляторного блока, количестве заряд-разрядных циклов, информации о неисправностях блока, а также обеспечение защиты аккумуляторного блока от перегрузок по току и напряжению при заряде и разряде и выравнивание зарядной емкости литий-ионных аккумуляторов в процессе эксплуатации.
Указанный технический результат достигается предлагаемой конструкцией аккумуляторного блока. Аккумуляторный блок, содержит кожух с размещенными в нем литий-ионной аккумуляторной батареей с подключенными к ней электрическими компонентами, панелью и монитором заряда и разряда, причем кожух выполнен в виде герметичного полиамидного корпуса, литий-ионная аккумуляторная батарея состоит из двух последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов, электрические компоненты и панель управления выполнены в виде платы контроля и управления, в качестве монитора заряда и разряда используют ЭВМ верхнего уровня, литий-ионная аккумуляторная батарея подключена к плате контроля и управления посредством пайки через ее выводы, на торце герметичного полиамидного корпуса расположены: положительный и отрицательный выводы платы контроля и управления, выполненные дублированными; выводы для обмена информацией с ЭВМ верхнего уровня; кнопка выключения режима хранения платы контроля и управления, плата контроля и управления выполнена с возможностью вывода по стандартным протоколам связи информации о номинальных и текущих эксплуатационных характеристиках литий-ионной аккумуляторной батареи, а также управления зарядом и разрядом литий-ионной аккумуляторной батареи.
Литий-ионная аккумуляторная батарея из двух источников тока надежна в работе и управляема, так как при этом значительно снижается влияние отличий характеристик литий-ионных аккумуляторов, составляющих батарею, а также расширяются возможности их выбора в соответствии с электрическими характеристиками. Это является одной из составляющих оптимальных режимов эксплуатации. Закрепление литий-ионной аккумуляторной батареи в герметичном полиамидном корпусе позволяет избежать влияния факторов внешней среды на корпуса аккумуляторов, контакты и плату контроля и управления. Выполнение корпуса батареи из полиамида обеспечивает его коррозионную стойкость, надежную фиксацию и поджим источников тока, необходимые для его оптимальных режимов работы. Подключение литий-ионной аккумуляторной батареи к плате контроля и управления посредством пайки снижает сопротивление токоподводящих контактов и минимизирует потери электроэнергии на токоподводах. Расположение выводов литий-ионной аккумуляторной батареи, кнопки выключения режима хранения и выводов для обмена информацией с ЭВМ верхнего уровня на торце герметичного полиамидного корпуса исключает нарушение этих выводов вследствие механических воздействий, такое расположение является оптимальным. Дублирование токовыводов литий-ионной аккумуляторной батареи, а также выводов для обмена информацией с ЭВМ верхнего уровня обеспечивает многовариантность подключения аккумуляторного блока к устройствам потребления различного вида. Вывод информации о состоянии батареи по стандартным протоколам связи обеспечивает минимизацию затрат на передачу информации и способствует унификации аккумуляторного блока. Возможность вывода информации о производителе и номинальных характеристиках батареи обеспечивает качественное и своевременное принятие решений по вопросам, связанным с назначением и соответствием аккумуляторного блока необходимым требованиям. Информация о времени работы аккумуляторного блока и его текущей емкости дает возможность проводить непрерывную диагностику и мониторинг текущего состояния литий-ионной аккумуляторной батареи, на основании которой могут приниматься решения об изменении режимов эксплуатации. Информация о токе разряда или заряда позволяет определить соответствие режимов эксплуатации техническим характеристикам литий-ионной аккумуляторной батареи и в случае несоответствия принять решение о способах его устранения. Температура литий-ионной аккумуляторной батареи является индикатором нарушения оптимальных режимов эксплуатации и позволяет своевременно отключать литий-ионную аккумуляторную батарею до возникновения теплового разгона. Количество заряд-разрядных циклов показывает, насколько выработан номинальный ресурс литий-ионной аккумуляторной батареи, на основании чего могут быть своевременно приняты решения о ее замене. Информация о неисправностях коммутационных элементов литий-ионной аккумуляторной батареи необходима для заблаговременной ее замены в случае выхода их из строя. Управление зарядом литий-ионной аккумуляторной батареи необходимо для получения максимальной емкости, энергии и мощности при последующем разряде, а также автоматического отключения батареи при достижении хотя бы одним из ее аккумуляторов порогового значения напряжения. Режимы заряда литий-ионных аккумуляторных батарей включают сочетание заряда постоянным током двух уровней, периода релаксации и заряда постоянным напряжением. Переключение фаз заряда происходит по выполнению условий, для чего необходима работа платы контроля и управления. Для снижения собственного энергопотребления аккумуляторного блока и исключения саморазряда литий-ионной аккумуляторной батареи в процессе хранения, предусмотрено введение платы контроля и управления в режим хранения. Выход из режима хранения возможен после нажатия кнопки выключения режима хранения. Выравнивание зарядной емкости аккумуляторов при заряде позволяет получать максимум зарядной емкости от литий-ионной аккумуляторной батареи.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана конструкция аккумуляторного блока в продольном сечении.
На фиг. 2 показан вид аккумуляторного блока со стороны размещения выводов устройства управления.
1 - герметичный полиамидный корпус
2 - литий-ионные аккумуляторы
3 - плата контроля и управления
4 - токовыводы положительного полюса платы контроля и управления
5 - токовыводы отрицательного полюса платы контроля и управления
6 - кнопка выключения режима хранения
7 - выводы для получения информации о номинальных характеристиках литий-ионной аккумуляторной батареи
8 - выводы для получения информации о текущих эксплуатационных характеристиках литий - ионной аккумуляторной батареи
Аккумуляторный блок состоит из двух последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов 2, закреплены относительно друг друга в герметичном полиамидном корпусе 1, внутри которого расположена плата контроля и управления 3, к которой припаяны выводы литий-ионных аккумуляторов 2, на торце герметичного полиамидного корпуса расположены положительный 4 и отрицательный 5 выводы платы контроля и управления, выводы 7 и 8 для обмена информацией с ЭВМ верхнего уровня (на фигурах не показана), кнопка выключения режима хранения платы контроля и управления 6.
Аккумуляторный блок работает следующим образом. Аккумуляторный блок устанавливается в посадочное место и подключается к цепи электропитания потребителя через токовыводы 4 и 5, и к ЭВМ верхнего уровня со специальным программным обеспечением через выводы 7 и 8. При запуске программного обеспечения плата контроля и управления 3 обеспечивает вывод информации о производителе, номинальных характеристиках батареи, температуре литий-ионных аккумуляторов, количестве заряд-разрядных циклов, информацию о неисправностях аккумуляторного блока. На основании этих данных принимается решение о возможности запуска аккумуляторного блока. Аккумуляторный блок работает в режимах: хранения, заряда и разряда. В режиме хранения плата контроля и управления 3 отключает аккумуляторы 2 литий-ионной аккумуляторной батареи от внешних цепей, а также собственные узлы контроля и управления, кроме датчика зарядного импульса и кнопки выключения режима хранения. При появлении напряжения во внешней силовой цепи аккумуляторного блока (включение зарядного устройства) или нажатии кнопки 6 он переходит в режим заряда. В этом режиме через литий-ионную аккумуляторную батарею протекает зарядный ток до достижения напряжения 4,24-4,26 В на каждом из аккумуляторов, после чего аккумуляторный блок переключается в фазу поддержания постоянного напряжения, затем, по достижению порогового значения тока, в фазу релаксации, после которой происходит дозаряд постоянным током. В случае перегрузки по зарядному току, напряжению и несответствию температуры литий-ионных аккумуляторов 2 допустимым значениям плата контроля и управления 3 отключает батарею от цепи заряда и через некоторое время снова включает режим заряда и, если перегрузка исчезает, продолжает заряд. При возникновении режима перегрузки возможно увеличение объема литий-ионных аккумуляторов 2. В этом случае герметичный полиамидный корпус батареи 1 за счет упругих свойств сохраняет поджим электродов литий-ионных аккумуляторов 2. В режиме разряда плата контроля и управления 3 обеспечивает протекание требуемого разрядного тока. В случае возникновения короткого замыкания электродов хотя бы одного из литий-ионных аккумуляторов 2 или перегрузки по разрядному току плата контроля и управления 3 отключает батарею от цепи разряда и через некоторое время снова включает режим разряда и, если перегрузка исчезает, продолжает разряд. При возникновении режима перегрузки возможно увеличение объема литий-ионных аккумуляторов 2. В этом случае герметичный полиамидный корпус батареи 1 за счет упругих свойств сохраняет поджим электродов литий-ионных аккумуляторов и, тем самым, препятствует нарушению герметичности литий-ионной аккумуляторной батареи. В режиме разряда через выводы 7 и 8 возможна передача в ЭВМ верхнего уровня информации о токе разряда, времени работы, текущей емкости и информации о возникавших перегрузках. По окончании режима заряда при достижении хотя бы одним аккумулятором батареи порогового значения плата контроля и управления 3 переключается в режим хранения. В результате чего предлагаемая конструкция аккумуляторного блока позволяет достичь заявленного технического результата.