Система эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в режиме поддерживающего заряда
LITHIUM-ION BATTERY OPERATION SYSTEM IN FLOATING CHARGE MODE

Техническое решение относится к схемам зарядки батарей, а именно к системам или способам эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей, и представляет собой систему эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в режиме поддерживающего заряда.
Из существующего уровня техники широко известны незапатентованные традиционные системы для эксплуатации какой-либо аккумуляторной батареи в режиме поддерживающего заряда, включающие в себя: зарядное устройство, подключенное к нагрузке, аккумуляторную батарею, подключенную к нагрузке параллельно зарядному устройству.
Общими признаками заявляемого решения и приведённой традиционной системы являются:
- зарядное устройство, подключенное к нагрузке;
- аккумуляторная батарея, подключенная к нагрузке параллельно зарядному устройству.
Отличительными признаками заявляемого решения от приведённой традиционной системы являются:
- силовой коммутатор, подключенный к выходу литий-ионной аккумуляторной батареи;
- силовой полупроводниковый элемент, подключенный к выходу литий-ионной аккумуляторной батареи параллельно силовому коммутатору;
- система управления, управляющая силовым коммутатором.
Из существующего уровня техники известен патент РФ на изобретение № 2496189 «Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи». В указанном изобретении описан способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов, проведении зарядов, разрядов, периодической балансировке аккумуляторов по напряжению, проведении подзаряда и хранения в подзаряженном состоянии.
Общими признаками заявляемого решения и приведённой системы являются:
- зарядное устройство, подключенное к нагрузке;
- литий-ионная аккумуляторная батарея, подключенная к нагрузке;
- система управления, которая контролирует состояние батареи.
Отличительными признаками заявляемого решения от приведённой системы являются:
- силовой коммутатор, подключенный к выходу литий-ионной аккумуляторной батареи;
- силовой полупроводниковый элемент, подключенный к выходу литий-ионной аккумуляторной батареи параллельно силовому коммутатору;
- зарядное устройство, подключенное к нагрузке постоянно (режим поддерживающего заряда).
Из существующего уровня техники известен патентный документ США US5493197A «Усовершенствованная система аккумуляторных батарей», которая включает: литий-ионную аккумуляторную батарею, зарядное устройство для зарядки системы аккумуляторных батарей, нагрузку, систему управления, которая контролирует состояние аккумуляторной батареи и ограничивает ток заряда, посредством подключения к аккумулятору дополнительного шунтирующего резистора. Система работает таким образом, что при заряде аккумуляторной батареи до определенной степени заряда зарядное устройство просто отключается.
Общими признаками заявляемого решения и приведённой системы являются:
- литий-ионная аккумуляторная батарея,
- зарядное устройство для зарядки системы аккумуляторных батарей,
- нагрузка,
- система управления.
Отличающимися признаками предлагаемого технического решения и предлагаемого способа являются:
- силовой коммутатор, подключенный к выходу литий-ионной аккумуляторной батареи;
- силовой полупроводниковый элемент, подключенный к выходу литий-ионной аккумуляторной батареи параллельно силовому коммутатору;
- зарядное устройство, подключенное к нагрузке постоянно (режим поддерживающего заряда).
Технический результат предлагаемой системы эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в режиме поддерживающего заряда заключается в обеспечении максимальных сроков эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи. Увеличение сроков эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в заявляемом техническом решении происходит за счет ограничения ее степени заряда.
Технический результат достигается за счет того, что система эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в режиме поддерживающего заряда включает в себя зарядное устройство, подключенное к нагрузке, литий-ионную аккумуляторную батарею, подключенную к нагрузке через силовой коммутатор и силовой полупроводниковый элемент, причем силовой полупроводниковый элемент и силовой коммутатор включены параллельно, систему управления силовым коммутатором.
Литий-ионная аккумуляторная батарея – аккумуляторная батарея, состоящая из нескольких последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов.
Режим поддерживающего заряда (буферный режим) – режим заряда, при котором батарея постоянно подключена к зарядному устройству и к нагрузке. Если в электрической сети есть напряжение, то нагрузку питает зарядное устройство, одновременно оно компенсирует ток саморазряда аккумуляторной батареи. В случае отключения напряжения в электрической сети, батарея разряжается на подключенную к ней нагрузку без какого-либо перерыва в электроснабжении.
Силовой коммутатор – коммутационное устройство, предназначенное для подключения электрической нагрузки.
Силовой полупроводниковый элемент – устройство, обеспечивающее передачу электрической энергии только в одном направлении.
Система управления – система, обеспечивающая работу аккумуляторной батареи и силового коммутатора в соответствии с заданными алгоритмами.
Система управления в заявленном техническом решении отключает силовой коммутатор в соответствии с заданным алгоритмом, тем самым прерывая заряд аккумуляторной батареи, при этом аккумуляторная батарея остается подключенной к нагрузке в любой момент времени.
Режим хранения аккумуляторной батареи – режим, при котором она не заряжается и не разряжается.
Токовая пауза – перерыв в электроснабжении нагрузки.
Аварийный режим – режим разряда аккумуляторной батареи на нагрузку в отсутствие напряжения на выходе зарядного устройства.
Такая система позволяет использовать литий-ионные аккумуляторные батареи в источниках бесперебойного питания (в том числе on-line ИБП) и в системах оперативного постоянного тока (СОПТ), призванных обеспечить бесперебойным (без токовой паузы в случае исчезновения напряжения сети электроснабжения) питанием критически важных потребителей. При этом аккумуляторная батарея эксплуатируется в так называемом режиме поддерживающего заряда (буферном режиме), при котором питание потребителей осуществляется от зарядных устройств, а аккумуляторная батарея всегда подключена к нагрузке параллельно с зарядным устройством. Зарядное устройство (ЗУ) при этом компенсирует токи саморазряда батареи.
От аккумуляторной батареи требуются длительные сроки ее эксплуатации – от 15 лет и выше. Последнее требование является определяющим при выборе оборудования, используемого на подстанциях или электростанциях. Для обеспечения требуемых сроков эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей, недопустимо длительное нахождение их в полностью заряженном состоянии. Литий-ионные аккумуляторы, в отличие от свинцово-кислотных или никель-кадмиевых, недопустимо эксплуатировать в состоянии 100% степени заряда. При эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей в таком состоянии происходит их ускоренная деградация, обусловленная запуском паразитных электрохимических реакций. Заявляемое техническое решение обеспечивает длительную эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи в режиме поддерживающего заряда, обеспечивая нужный заряд батареи не выше 95 %, при этом оставляя батарею постоянно подключенной к нагрузке (следовательно, к выходу зарядного устройства) без какого-либо отключения, как это предполагают традиционные способы ограничения заряда, при которых отключают ЗУ, и батарея отключается также и от нагрузки.
Схема системы эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в режиме поддерживающего заряда представлена на фигуре, где:
1 – зарядное устройство;
2 – нагрузка;
3 – литий-ионная аккумуляторная батарея;
4 – силовой коммутатор;
5 – силовой полупроводниковый элемент;
6 – система управления.
Система эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей в режиме поддерживающего заряда, в составе систем оперативного постоянного тока или он-лайн источника бесперебойного питания (ИБП),  реализована таким образом, что литий-ионная аккумуляторная батарея - 3 подключена к выходу зарядного устройства - 1 через силовой коммутатор - 4, обеспечивающий прерывание цепи заряда по команде системы управления - 6, в случае заряда литий-ионной аккумуляторной батареи - 3 до некоторой величины (как правило, не более 95%). Заряд батареи - 3 вычисляется либо через подсчет зарядного тока (определение кулоновского интеграла), либо через определение принимаемого тока при подаче на батарею - 3 определенного напряжения, либо иным другим известным способом. Таким образом, аккумуляторная батарея - 3 в нужный момент времени отключается от выхода зарядного устройства - 1 и дальше не заряжается. И при этом литий-ионная аккумуляторная батарея – 3 остается подключенной к нагрузке - 2 через силовой полупроводниковый элемент – 5 (например, силовой диод), включенный параллельно силовому коммутатору - 4, таким образом, что он не дает заряжаться литий-ионной аккумуляторной батарее - 3, но позволяет литий-ионной аккумуляторной батарее – 3 питать нагрузку – 2, в случае исчезновения питания на выходе зарядного устройства  - 1 без токовой паузы, в результате чего  аккумуляторная батарея - 3 не заряжается выше установленной величины и, тем самым, обеспечиваются длительные сроки ее эксплуатации, а компенсация разряда батареи происходит благодаря системе управления - 6, которая по специальному алгоритму, обеспечивает включение силового коммутатора – 4 в  нужный момент, поддерживая тем самым заряд батареи - 3 на нужном уровне.
Система управления - 6 включает силовой коммутатор – 4, обеспечивая питание батареи - 3 от зарядного устройства - 1 в следующих случаях:
- после исчезновения переменного напряжения на входе зарядного устройства - 1 на установленную величину времени и последующего его (напряжения) восстановления (как правило, принята величина 10 минут);
- при разряде батареи - 3 на установленную величину заряда, определенную через измерение напряжения на батарее - 3 или иным способом;
- периодически один раз в установленный промежуток времени (например, один раз в месяц) - для компенсации тока саморазряда батареи - 3;
- в любом другом случае  по команде системы управления - 6, согласно заданной программе.
Данный режим обеспечивает работу аккумуляторной батареи – 3, при котором она:
- не заряжается выше определенной величины;
- не разряжается ниже установленной величины;
- готова питать нагрузку без токовой паузы в любой момент времени без токовой паузы из-за включения силового коммутатора - 4;
- фактически эксплуатируется в режиме хранения – наиболее щадящем режиме для аккумуляторов.
Ниже описаны основные состояния системы эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в режиме, поддерживающем заряд.
В режиме заряда:
Силовой коммутатор – 4 включен, напряжение на выходе зарядного устройства - 1 соответствует установленному напряжению заряда для данного типа аккумуляторной батареи - 3, батарея - 3 заряжается в обычном режиме, как правило, в режиме «постоянная величина тока»/«постоянная величина напряжения».
В режиме поддерживающего заряда:
Силовой коммутатор – 4 отключен, напряжение на выходе зарядного устройства – 1 не меняется, заряд батареи – 3 не происходит, так как аккумуляторная батарея - 3 подключена к выходу зарядного устройства - 1 через закрытый переход силового полупроводникового элемента - 5. В случае перехода в аварийный режим напряжение на выходе зарядного устройства – 1 понижается (или исчезает вовсе), и батарея - 3 через открытый переход силового полупроводникового элемента - 5 начинает питать нагрузку - 2 без токовой паузы. При этом в случае отсутствия напряжения сети электроснабжения в течение установленного времени происходит включение силового коммутатора - 4, и нагрузка - 2 питается от батареи – 3 напрямую, минуя силовой полупроводниковый элемент - 5.  В данном режиме происходит медленный разряд батареи – 3 вследствие токов саморазряда и питания ее элементов системы управления - 6. При этом потребляемый от батареи – 3 ток составляет от единиц до десятков миллиампер.
В режиме аварийного разряда заряда (при исчезновении переменного напряжения собственных нужд):
Силовой коммутатор - 4 включен, батарея - 3 питает нагрузку - 2.
Данные логические состояния описаны в таблице 1.
Таблица 1
Режим батареи - 3
Положение силового коммутатора - 4
Статус батареи – 3. Ток, А
Заряд
ON
Батарея – 3 заряжается. Ток определяется уставкой зарядного устройства
Поддерживающий заряд
OFF
Батарея - 3 разряжается током саморазряда. Ток  ~ 10-50 мА.
Аварийный разряд
ON
Батарея - 3 разряжается. Ток определяется величиной нагрузки - 2
Условие включения системой управления – 6 силового коммутатора - 4:
1. Исчезло напряжение сети электроснабжения на 10 секунд и более (параметр настраиваемый). Сигнал на включение силового коммутатора – 4 подает система управления – 6;
2. Система управления – 6 зафиксировала снижение степени заряда батареи - 3 на величину более 10% (снижение уровня напряжения батареи - 3). Сигнал на включение силового коммутатора – 4 дает система управления батареи – 3;
3. Системы управления – 6 дает сигнал на включение силового коммутатора – 4 согласно заданной программе.
Таблица 2. Диаграмма состояний силового коммутатора - 4
Сигнал системы управления - 6
Положение силового коммутатора - 4
Приоритет выполнения системой управления - 6
Напряжение сети электроснабжения исчезло на установленное время (настраиваемый параметр)
ON
1
Снижение степени заряда батареи - 3 на 10% (настраиваемый параметр)
ON
3
Согласно заданной программе системы управления - 6
ON
4
Снижение тока заряда батареи – 3 при заряде фиксированным напряжением на выходе зарядного устройства – 1 (настраиваемый параметр)
OFF
2
Нужно отметить, что для реализации заявленного технического решения не предъявляется дополнительных требований к зарядному устройству, что позволяет без существенных доработок использовать штатное оборудование, использующееся для эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.
Использование предлагаемого изобретения с совокупностью всех существенных признаков позволяет реализовать систему эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в режиме поддерживающего заряда, обеспечивающую максимальные сроки эксплуатации батареи.