МОДУЛЬ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
METHOD TO CONTROL LITHIUM-ION STORAGE BATTERY

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для измерения параметров литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ) и выравнивания заряда литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) в батарее, и предназначено для эксплуатации ЛИАБ у потребителя, а также в условиях с затрудненным или невозможным доступом для обслуживания.
Известно устройство для сбалансированной зарядки литий-ионной или литий-полимерной батареи (заявка RU 2006121543/09, опубл. 20.06.2006, БИ №1 (II часть) 2008 г), содержащее комплекс модулей измерения напряжения, каждый из которых связан с одним из последовательно соединенных аккумуляторов, образующих батарею, и который обеспечивает измерение напряжения на контактах этих аккумуляторов; множество токоотводящих цепей, каждая из которых соединена параллельно с контактами соответствующего аккумулятора и выборочно может быть разомкнута или замкнута; цифровой блок обработки данных и управления.
При этом на цифровой блок поступают сигналы измерения от комплекса модулей измерения напряжения и он управляет состоянием (замкнутое/разомкнутое) каждой токоотводящей цепи, также при этом каждая токоотводящая цепь содержит коммутационный элемент, образующий выключатель, положение которого управляется цифровым блоком обработки данных, и, в случае необходимости, по меньшей мере один элемент рассеяния электрической энергии такой, как, например, резистор или резисторы.
Кроме того, комплекс модулей измерения напряжения содержит n аналоговых модулей измерения, каждый из которых непосредственно связан с аккумулятором батареи, мультиплексор, входы которого соединены с выходами модулей, и аналого-цифровой преобразователь, соединенный на выходе с цифровым блоком обработки данных и управления.
Недостатком известного устройства является недостаточная точность выравнивания заряда ЛИА в ЛИАБ за счет выравнивания только в одном режиме - при заряде, а также за счет выравнивания только по одному из параметров - напряжению.
Признаки данного устройства, общие с признаками предлагаемого, следующие:
- последовательно соединенные ЛИА, образующие ЛИАБ;
- аналоговые модули измерения напряжения;
- коммутационные элементы с элементами рассеяния электрической энергии такими, например, как резисторы;
- цифровой блок обработки данных и управления;
Наиболее близким к принятым за прототип является устройство для поддержания аккумулятора в состоянии равновесия при заряде литий-ионной батареи (патент Франции №2805934). Устройство содержит n ЛИА, последовательно соединенных в батарею ЛИАБ, причем каждый ЛИА через токоотводящую цепь соединен с выходами соответствующего регулирующего элемента через элемент рассеяния электрической энергии такой, как, например, резистор, а входом каждый регулирующий элемент соединен с выходом соответствующего измерительного блока через логический блок, кроме того, измерительный блок одним входом подключен к ЛИА, а другим входом, на который подается среднее напряжение ЛИА в ЛИАБ, подключен через резистивный делитель напряжения к ЛИАБ.
Недостатками прототипа являются недостаточная точность выравнивания заряда ЛИА за счет выравнивания всех аккумуляторов к среднему значению в ЛИАБ, независимо от состояния заряда, разряда или разомкнутой цепи. Кроме того, при использовании ЛИАБ в условиях с затрудненным или невозможным доступом для обслуживания большинство ЛИАБ должны сохранять работоспособность при отказе одного, а иногда двух ЛИА. Отказавший ЛИА шунтируется регулирующим элементом по сигналу извне. При этом для защиты измерительных блоков и сохранении работоспособности устройства требуется сложная схема.
Признаки прототипа, общие с признаками предлагаемого устройства, следующие:
- литий-ионные аккумуляторы последовательно соединенные в батарею, причем каждый литий-ионный аккумулятор через токоотводящую цепь соединен с выходами соответствующего регулирующего элемента, в том числе и через элемент рассеяния электрической энергии такой, например, как резистор, а вход каждого регулирующего элемента соединен с выходом соответствующего измерительного блока из комплекта измерительных блоков через соответствующий логический блок из комплекта логических блоков, кроме того, каждый измерительный блок одним входом подключен к соответствующему литий-ионному аккумулятору, а другим входом, на который поступает среднее напряжение литий-ионного аккумулятора в батарее, соединен через резистивный делитель последовательно соединенных делителей с батареей.
Техническим результатом, достигаемым в предлагаемом устройстве, является:
- увеличение точности выравнивания заряда ЛИА в ЛИАБ;
- расширение функциональных возможностей устройства за счет выравнивания заряда ЛИА и при отказе и шунтировании одного, двух или нескольких ЛИА в ЛИАБ при использовании ЛИАБ в условиях с затрудненным или невозможным доступом для обслуживания;
- расширение функциональных возможностей за счет контроля ЛИА в ЛИАБ;
- упрощение технической реализации.
Достигается вышеуказанный технический результат тем, что в устройство контроля и управления ЛИАБ, содержащее ЛИА последовательно соединенные в ЛИАБ, причем каждый ЛИА через токоотводящую цепь соединен с выходами соответствующего регулирующего элемента, в том числе и через элемент рассеяния электрической энергии такой, например, как, резистор, а вход каждого регулирующего элемента соединен с выходом соответствующего измерительного блока из комплекта измерительных блоков через соответствующий логический блок из комплекта логических блоков, кроме того, каждый измерительный блок одним входом подключен к соответствующему ЛИА, а другим входом, на который поступает среднее напряжение ЛИА в ЛИАБ соединен через резистивный делитель последовательно соединенных делителей с батареей введены комплекты компараторов и электронных ключей, причем выводы электронного ключа соединены с крайними выводами резистивного делителя соответствующего ЛИА в ЛИАБ, причем управляющий вход каждого электронного ключа соединен с выходом соответствующего компаратора, вход которого соединен с выводами соответствующего ЛИА, кроме того, в последовательной цепи между каждым ЛИА и соответствующим регулирующим элементом включен датчик тока, выход которого соединен с дополнительным входом измерительного блока, а последовательно с ЛИАБ включен дополнительный датчик тока, выход которого соединен с первым входом дополнительного измерительного блока, второй вход которого соединен с ЛИАБ, причем выход дополнительного измерительного блока соединен с дополнительными входами каждого логического блока.
Увеличение точности выравнивания заряда ЛИА в ЛИАБ происходит за счет выравнивания как в состоянии заряда, так и разряда или разомкнутой цепи и достигается тем, что устройство позволяет контролировать текущий режим работы с помощью датчиков тока в последовательной цепи между каждым ЛИА и соответствующим регулирующим элементом и дополнительным датчиком тока совместно с дополнительным измерительным блоком.
Расширение функциональных возможностей устройства за счет выравнивания заряда ЛИА при отказе и шунтировании одного, двух или нескольких ЛИА в ЛИАБ при использовании ЛИАБ в условиях с затрудненным или невозможным доступом для обслуживания достигается за счет использования комплектов компараторов и электронных ключей, причем выводы электронного ключа соединены с крайними выводами резистивного делителя соответствующего ЛИА в ЛИАБ, причем управляющий вход каждого электронного ключа соединен с выходом соответствующего компаратора, вход которого соединен с выходом соответствующего ЛИА в ЛИАБ. Кроме того, достигается расширение функциональных возможностей за счет определения состояния ЛИА в ЛИАБ по току и температуре не только для выравнивания при заряде, но и для полного контроля ЛИАБ;
Упрощение технической реализации достигается тем, что измерители и логические блоки могут быть выполнены на основе микропроцессоров.
Отличительные признаки предлагаемого устройства, обеспечивающие ее соответствие критерию «новизна» следующие:
- введены комплекты компараторов и электронный ключей, причем выводы электронного ключа соединены с крайними выводами резистивного делителя соответствующего ЛИА в ЛИАБ, при этом управляющий вход каждого электронного ключа соединен с выходом соответствующего компаратора, вход которого соединен с выходом соответствующего ЛИА,
- в последовательной цепи между каждым ЛИА и соответствующим регулирующим элементом включен датчик тока, выход которого соединен с дополнительным входом измерительного блока;
- последовательно с ЛИАБ включен дополнительный датчик тока, выход которого соединен с первым входом дополнительного измерительного блока, а второй вход которого соединен с ЛИАБ, причем выход дополнительного измерительного блока соединен с дополнительными входами каждого логического блока.
Для доказательства соответствия предлагаемого устройства критерию «изобретательский уровень» была проанализирована вся совокупность признаков и отдельно отличительные признаки. Установлено, что применение вышеуказанных отличительных признаков, дающих в совокупности с известными признаками технический результат, заключающийся в увеличении точности выравнивания заряда ЛИА в ЛИАБ за счет выравнивания в состоянии заряда, разряда или разомкнутой цепи, в сохранении точности и работоспособности устройства при отказе и шунтировании одного, двух или нескольких ЛИА в ЛИАБ при использовании ЛИАБ в условиях с затрудненным или невозможным доступом для обслуживания в расширении функциональных возможностей за счет контроля ЛИА в ЛИАБ по току и температуре и в упрощении технической реализации в литературных источниках не обнаружено. Таким образом, по мнению авторов, предлагаемое устройство соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемый модуль контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареи изображен на фиг.1.
Модуль контроля и управления ЛИАБ содержит n ЛИА 1 последовательно соединенных в ЛИАБ 2. Каждый ЛИА 1 через токоотводящую цепь соединен с выходами соответствующего регулирующего элемента 3 непосредственно, исключая ЛИА из цепи ЛИАБ или через последовательно подключенные элемент рассеяния электрической энергии, такой, например, как резистор (на схеме не показаны) и датчик тока 4 из комплекта датчиков тока, выход которого подключен к дополнительному входу измерительного блока 5 (из комплекта измерительных блоков) выход которого через логический блок 6 комплекта логических блоков подключен ко входу соответствующего регулирующего элемента 3. Модуль контроля и управления ЛИАБ 2 содержит также n последовательно соединенных резистивных делителей 7, объединенных в комплект 7', подключенный к ЛИАБ 2, причем точка объединения резисторов подключена к первому входу соответствующего измерительного блока 5, а крайние выводы резисторов 7 соединены с замыкающими выводами электронного ключа 8 (из комплекта электронных ключей), управляющий вход которого через компаратор 9 комплекта компараторов подключен к потенциальным выводам соответствующего ЛИА 1, которые также соединены со вторым входом соответствующего измерительного блока 5.
Заряд или разряд ЛИАБ 2 проводится через контактную сеть 10, 10', при этом информация о зарядном или разрядном токе снимается с дополнительного датчика тока 11 и подается на первый вход дополнительного измерительного блока 12, и на второй вход подается сигнал о напряжении ЛИАБ 2, причем выход измерительного блока 12 соединен с дополнительными входами каждого логического блока 6.
В исходном состоянии все n электронных ключей 8 разомкнуты, все n ЛИА 1 последовательно включены в цепь ЛИАБ 2. ЛИА 1 в ЛИАБ 2 не имеют отклонения по напряжению и поступающие на вход любого измерительного блока 5 напряжение с выхода соответствующего ЛИА 1 и напряжение с делителя 7 среднего значения напряжения ЛИА в ЛИАБ равны, поэтому с выхода измерительного блока 5 через логический блок 6 поступает нулевой сигнал рассогласования на вход регулирующего элемента 3, который закрыт для токов балансировки ЛИА 1 через датчик тока 4 и резистор рассеяния электрической энергии. Индивидуального выравнивания ЛИА 1 в ЛИАБ 2 не происходит.
По мере расхождения ЛИА 1 в ЛИАБ 2 ЛИА 1 с наибольшим отклонением напряжения от среднего значения приводит к изменению напряжения на основных входах соответствующего измерительного блока 5, который выдает сигнал рассогласования через логический блок 6 на вход соответствующего регулирующего элемента 3, который открывается для прохождения тока балансировки соответствующего ЛИА 1 через датчик тока 4 и резистор рассеяния электрической энергии. Чем больше отклонение ЛИА 1 от среднего значения, тем больше воздействие тока балансировки соответствующего ЛИА 1. Таким образом происходит выравнивание ЛИА 1 в ЛИАБ 2.
При эксплуатации ЛИАБ 2 возможно некорректное выравнивание ЛИА 1 по напряжению, например, в начале разряда ЛИА 1 с наименьшей емкостью, когда ЛИА 1 дополнительно шунтируется током балансировки. В этом случае энергетическое состояние ЛИА 1 в ЛИАБ 2 оценивается с помощью блоков измерителей 5 и 12, логических блоков 6 и выдается сигнал корректировки тока балансировки в регулирующий элемент 3, который реализует уточненное выравнивание ЛИА 1 в ЛИАБ 2. Одновременно в логических блоках 6 может проводиться мониторинг состояния ЛИАБ 2 с выдачей результатов потребителю.
При выходе из строя любой ЛИА 1 в ЛИАБ 2 соответствующий регулирующий элемент 3 по сигналу извне исключает указанный ЛИА 1 из последовательной цепи ЛИАБ 2, при этом соответствующий компаратор 9 сравнения по встроенному значению опорного напряжения определяет исключенный ЛИА 1, и, с помощью электронного ключа 8 блокирует соответствующий делитель 7. Происходит восстановление среднего значения напряжения ЛИАБ 2 в комплекте делителей 7' и модуль контроля и управления ЛИАБ 2 готов к выравниванию нового состава ЛИА 1 в ЛИАБ 2. Возможность использования ЛИАБ 2 с дальнейшим исключением ЛИА 1 из ЛИАБ 2 ограничивается только допустимым значением напряжения ЛИАБ 2, а не цепочкой делителя 7'.
Пример конкретного выполнения предлагаемой установки
В практической реализации одного из вариантов предлагаемого устройства (фиг.1) в качестве ЛИАБ 2 может быть любая литий-ионная батарея емкостью до 90 А·ч и токами заряда и разряда от 0 до 40 А.
В качестве регулирующего элемента 3 используются параллельно включенные байпасный переключатель ПОД 50 и транзистор КТ881А (аАО.339.954 ТУ) с резистором С2-33Н - 2,0-43 Ом±5% (ОЖО.467.093 ТУ) в цепи коллектора.
В качестве измерительных блоков 5 и логических блоков 6 и 12 использовано сочетание низковольтных операционных усилителей типа МСР6001 (фирма Microchip) и микропроцессоров ATmega406 (фирма ATMEL), причем связь между блоками 12 и 6 организована по шине TWI, поддерживаемой процессорами ATmega406 с использованием оптической развязки на микросхемах ADuM1250 (фирма Analog Devices). Компараторы 9 построены на операционных усилителях МСР6001 (фирма Microchip), делитель 7 построен на резисторах типа С2-29В - 0,25±0.1% (ОЖО.467.099 ТУ). Электронный ключ 8 - реле РПС45Т (ЯЛО.452.081 ТУ).