УСТРОЙСТВО БАЛАНСИРОВКИ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для построения источников питания на суперконденсаторах или аккумуляторных батареях в устройствах накопления электрической энергии.
Известно устройство контроля и балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, выбранное в качестве аналога (патент №176470 на полезную модель, дата приоритета от 21.01.2017 г., дата публикации от 22.01.2018 г, МПК H02J 7/00), представляющее собой функционально законченное микропроцессорное устройство, предназначенное для осуществления функций контроля, управления и балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, состоящей из произвольного числа аккумуляторных элементов.
Недостатком данного устройства является снижение надежности работы за счет сложности системы контроля. При большом количестве модульных последовательно соединенных блоков (контроля, управления и балансировки) между задачами проходит некоторое время, что может привести к перегрузке и выходу из строя аккумуляторной батареи.
Известна система и способ для балансировки устройств накопления энергии, выбранные в качестве прототипа (заявка №2012118593 на изобретение, дата приоритета от 19.10.2010 г., дата публикации от 27.11.2013 г., МПК H02J 7/00), содержащие промежуточный элемент накопления, подключенный между парой секций из одного или нескольких смежных устройств накопления энергии последовательного соединения устройств накопления энергии, при этом каждая из секций содержит более положительный вывод на одном конце и более отрицательный вывод на другом своем конце, и переключающее средство, осуществляющее последовательное переключение между подключением выводов друг с другом через указанный промежуточный элемент накопления и подключением выводов друг с другом через указанный промежуточный элемент накопления.
Недостатком данной системы балансировки является сниженная работоспособность по сравнению с предлагаемым решением за счет сложности системы управления. При использовании ключей и переключаемых конденсаторов невозможна одновременная балансировка смежных ячеек, что удлиняет процесс работы системы.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании предлагаемого устройства, является одновременная балансировка смежных ячеек при сохранении простоте схемы и автономности работы элементов.
Технические результаты заявленной полезной модели заключаются в повышении надежности и, как следствие, работоспособности. Данные технические результаты достигаются за счет уменьшения вероятности отказа устройства в процессе работы за счет упрощения схемы заявляемого устройства.
Для достижения указанного технического результата устройство балансировки накопителей энергии содержит n накопителей и переключаемый конденсатор, осуществляющий последовательное переключение элементов через накопители. Дополнительно включает в себя n-1 схем балансировки, каждая из которых содержит формирователь импульсов, резистор, переключаемый конденсатор и 4 ключа, при этом формирователь импульсов соединен с ключами так, что обеспечивается попеременное попарное замыкание 2⋅(n-1) контуров с защитной паузой, включающих смежные ячейки.
Балансируемые накопители энергии расположены в смежных ячейках, в качестве накопителей могут быть использованы как суперконденсаторы, так и аккумуляторные батареи любого типа (литий-ионные, щелочные, полимерные и т.д.).
Формирователь импульсов обеспечивает попарное попеременное переключение контуров с защитной паузой путем подачи сигнала на полевые транзисторы, выполняющие функцию ключей, таким образом, становится возможным балансировка смежных ячеек накопителей энергии без введения дополнительных элементов. Достигается простота схемы устройства и уменьшается вероятность отказа устройства, следовательно, повышается надежность устройства.
Минимальное количество накопителей для балансировки - два с одной схемой балансировки. Устройство балансировки для n накопителей энергии будет содержать n-1 схем балансировки.
Полезная модель поясняется схемой.
Фигура 1 - устройство балансировки двух накопителей энергии.
Устройство балансировки накопителей энергии содержит:
1 - формирователь импульсов;
U1, U2 - накопители энергии (ячейки);
2 - схема балансировки;
R1 - резистор;
C1 - переключаемый конденсатор;
VT1, VT2, VT3, VT4 - полевые транзисторы (ключи).
Рассмотрим схему устройства на примере балансировки двух накопителей энергии, представленную на фигуре.
Схема балансировки 2 содержит формирователь импульсов 1, резистор R1, переключаемый конденсатор C1 и полевые транзисторы (ключи) VT1, VT2, VT3, VT4.
Формирователь импульсов 1 соединен с затворами полевых транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4, выполняющих функцию ключей, таким образом, что обеспечивает их замыкание попарно и поочередно (VT1/VT3 и VT2/VT4). Формирователь импульсов 1 обеспечивает попеременное замыкание двух контуров.
Первый контур включает в себя накопитель U1, первый полевой транзистор VT1, резистор R1, конденсатор C1, третий полевой транзистор VT3. Накопитель U1 соединен положительным полюсом с истоком первого полевого транзистора VT1, сток которого через резистор R1 подключен к конденсатору C1. Конденсатор C1 подключен к стоку третьего полевого транзистора VT3, исток которого подключен к отрицательно заряженному полюсу накопителя U2.
Второй контур включает в себя накопитель U2, второй полевой транзистор VT2, резистор R1, конденсатор C1, четвертый полевой транзистор VT4. Накопитель U2 соединен положительным полюсом с истоком второго полевого транзистора VT2, сток которого через резистор R1 подключен к конденсатору C1. Конденсатор C1 подключен к стоку четвертого полевого транзистора VT4, исток которого подключен к отрицательно заряженному полюсу накопителя U2.
Устройство балансировки накопителей энергии для минимального количества накопителей (два с одной схемой балансировки) работает следующим образом.
Формирователь импульсов 1, который управляет ключами VT1, VT2, VT3, VT4 и «мертвым» временем поочередно подает напряжение на пары ключей VT1 и VT3, VT2 и VT4. «Мертвое» время (защитная пауза) - промежуток времени между включением и выключением пар ключей VT1/VT3 и VT2/VT4, который обеспечивает корректную работу устройства балансировки, что повышает надежность и работоспособность и исключает возможность замыкания и выхода схемы из строя.
Переключаемый конденсатор C1 ключами VT1-VT4 поочередно подключается к накопителям U1 и U2. За один цикл конденсатор C1 подключается параллельно к накопителю U1, когда VT1 и VT3 замыкаются. Так как емкость у конденсатора C1 ничтожно меньше, чем у накопителя U1, то конденсатор C1 заряжается до напряжения U1. Как только конденсатор C1 зарядился до напряжения U1, формирователь импульсов 1 подает импульс на ключи VT1-VT4 таким образом, что ключи VT1 и VT3 размыкаются, а ключи VT2 и VT4 спустя «мертвое» время замыкаются и подключают резистор R1 и конденсатор C1 к накопителю U2. Если на накопителе U2 напряжение, отличное от напряжения на накопителе U1, то заряд будет постепенно выравниваться (либо добавляя заряд, либо забирая его и тем самым разряжая).
Все эти переключения происходят быстро, непрерывно и такое количество циклов, пока заряд на накопителях U1, U2 не станет равным и схема не сбалансируется, решив поставленную техническую задачу и обеспечив тем самым повышение надежности устройства балансировки по сравнению с аналогами.
После завершения балансировки устройство легко перевести в ждущий режим для экономии потребляемой энергии, но это актуально только для малоемких накопителей, так как потребление тока устройством от сбалансированных ячеек может составлять 50 мка.