АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2008 года по МПК H01M10/48 H02J7/02 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании вторичных источников тока.

Наиболее близким к данному изобретению является аккумуляторная батарея, включающая соединенные последовательно модули, состоящие из нескольких подключенных параллельно идентичных аккумуляторов [Семенов Л.Г. Электромонтер-аккумуляторщик. М., Высшая школа, 1973, 248 с.].

Недостатком известной аккумуляторной батареи является отсутствие в модулях элементов токовой защиты от короткого замыкания в одном из аккумуляторов, а также возможность возникновения разбаланса напряжения последовательно соединенных модулей из-за различий в их токах саморазряда.

Задачей изобретения является создание батареи, состоящей из соединенных по параллельно-последовательной схеме аккумуляторов, сохраняющей работоспособность при коротком замыкании в одном из аккумуляторов, а также позволяющей нивелировать разбаланс напряжений аккумуляторов, возникающий из-за различий в величине токов их саморазряда.

Указанный технический результат достигается следующим.

В аккумуляторной батарее, содержащей один или несколько соединенных последовательно модулей, состоящих из нескольких аккумуляторов, подключенных параллельно на общие шины (+) и (-), в цепи подключения каждого аккумулятора к одной из шин находится элемент защиты от перегрузки по току, дополнительно содержится по крайней мере один блок контроля аккумуляторов, измеряющий напряжение на каждом аккумуляторе и шинах модулей, а также контролирующий установленные или встроенные в аккумуляторы электрофизические датчики, по крайней мере один блок управления напряжением модуля, поддерживающий напряжение на шинах модуля в заданном диапазоне, блок контроля и сигнализации, осуществляющий общий контроль за работой и формирующий и передающий на внешние устройства информационные и управляющие сигналы о состоянии батареи.

В аккумуляторной батарее в качестве элемента защиты от перегрузки по току используется плавкий предохранитель.

В аккумуляторной батарее информационные и управляющие сигналы о состоянии батареи передаются из блока контроля и сигнализации на внешние устройства с использованием одного из стандартных интерфейсов.

В аккумуляторной батарее блок управления напряжением модуля содержит устройство подзаряда модуля.

Питание устройства подзаряда модуля осуществляется от внешнего (относительно аккумуляторной батареи) источника энергии.

В аккумуляторной батарее блок управления напряжением модуля содержит устройство для разряда модуля.

Устройство для разряда модуля содержит коммутирующий элемент и балластный резистор.

В аккумуляторной батарее управляющие сигналы для блока управления напряжением модуля формирует блок контроля аккумуляторов.

В аккумуляторной батарее управляющие сигналы для блока управления напряжением модуля формируются в самом блоке управления напряжением модуля с помощью платы управления.

В аккумуляторной батарее питание блока контроля аккумуляторов осуществляется от контролируемого им модуля, а сам блок содержит по крайней мере один микропроцессор.

В аккумуляторной батарее блоки контроля аккумуляторов связаны с блоком контроля и сигнализации по интерфейсу RS-485.

В аккумуляторной батарее блоки контроля аккумуляторов связаны с блоком контроля и сигнализации по CAN-интерфейсу.

В аккумуляторной батарее электрофизические датчики, контролирующие температуру аккумуляторов, установлены на теплопроводящую пластину, размещенную между корпусами соседних аккумуляторов.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1.

Аккумуляторная батарея выполнена в соответствии со структурной электрической схемой, приведенной на фиг.1. Она представляет собой два соединенных последовательно модуля 1, каждый из которых состоит из 4-х литий-ионных аккумуляторов 2, подключенных параллельно к шинам (+) и (-) 3. В цепи подключения аккумуляторов к шине (+) имеется плавкая вставка 4, защищающая электрическую цепь от токовых перегрузок. Батарея содержит два микропроцессорных блока контроля аккумуляторов 5 (по одному на каждый модуль), которые измеряют напряжение на шинах 3 и аккумуляторах 2, а также контролируют температуру в модуле с помощью двух аналоговых датчиков температуры 6. В батарее также имеется два блока управления напряжением модуля 8 (по одному на каждый модуль), состоящие из устройства для разряда модуля 9 и платы управления 10. Устройство для разряда модуля 9 выполнено в виде коммутирующего элемента 11 и балластного резистора 12. Включает/отключает коммутирующий элемент 11 аналоговая плата управления 10. Питание блока контроля аккумуляторов 5 и платы управления 10 осуществляется от контролируемого ими модуля 1. Блоки контроля аккумуляторов 5 по интерфейсу RS-485 связаны с блоком контроля и сигнализации 13, который в свою очередь подключен к внешнему устройству (например, жидкокристаллической индикаторной панели) 14. Питание блока контроля и сигнализации 13 индикаторной панели 14 осуществляется с выхода аккумуляторной батареи 15.

Датчики температуры 6 установлены на теплопроводящем элементе 7, размещенном между корпусами соседних аккумуляторов 2 в модуле (см. фиг.2).

Алгоритм работы аккумуляторной батареи

Заряд аккумуляторной батареи осуществляется от внешнего зарядного устройства. В процессе заряда при достижении на одном из модулей максимального напряжения (4,2 В) соответствующая плата управления 10 включает коммутирующий элемент 11 и зарядный ток начинает протекать через балластный резистор 12. По аналогичному алгоритму работает блок управления напряжением второго модуля 8. Блоки контроля аккумуляторов 5 измеряют напряжение на шинах соответствующих модулей и при достижении напряжения на шинах модуля максимального значения (4,2 В) формируют сигнал «Окончание заряда», поступающий по интерфейсу RS-485 в блок контроля и сигнализации 13. При поступлении сигналов «Окончание заряда» от всех блоков контроля аккумуляторов 5 блок контроля и сигнализации 13 формирует сигнал «Окончание заряда» для к внешнего устройства (индикаторной панели) 14. Этот сигнал также может быть использован для выключения или отключения (с помощью коммутатора) внешнего зарядного устройства.

При разряде аккумуляторной батареи блоки контроля аккумуляторов 5 измеряют напряжение на шинах 3 соответствующих модулей 1. При достижении напряжения на шинах любого модуля минимального значения (3,0 В), соответствующий блок контроля аккумуляторов 5, а затем и блок контроля и сигнализации 13, формируют сигнал «Окончание разряда», который поступает на внешнее устройство (индикаторную панель) 14.

При возникновении короткого замыкания в одном из аккумуляторов 2 ток в его цепи повышается за счет разряда на него остальных аккумуляторов данного модуля 1. При возрастании тока до величины срабатывания плавкой вставки 4, последняя разрывает цепь аварийного аккумулятора 2, чем препятствует дальнейшему разряду штатно работающих аккумуляторов. После разрыва цепи аварийного аккумулятора соответствующий блок контроля аккумуляторов 5 фиксирует разницу в величинах напряжения на шинах модуля 3 и аварийном аккумуляторе 2 и формирует сигнал «Отказ аккумулятора», поступающий через блок контроля и сигнализации 13 на внешнее устройство (индикаторную панель) 14.

Пример 2.

Аккумуляторная батарея выполнена в соответствии со структурной электрической схемой, приведенной на фиг.3. Она представляет собой два соединенных последовательно модуля 1, каждый из которых состоит из 4-х никель-металлогидридныхых аккумуляторов 2, подключенных параллельно к шинам (+) и (-) 3. В каждом аккумуляторе имеется встроенный пороговый датчик давления 16. В цепи подключения аккумуляторов к шине (+) имеется плавкая вставка 4, защищающая электрическую цепь от токовых перегрузок. Батарея содержит два микропроцессорных блока контроля аккумуляторов 5 (по одному на каждый модуль), которые измеряют напряжение на шинах 3 и аккумуляторах 2, а также контролируют состояние пороговых датчиков давления 16. В батарее также имеется два блока управления напряжением модуля 8 (по одному на каждый модуль), состоящие из устройства подзряда модуля 17, питание которых осуществляется от электрического генератора 18. Включение/отключение устройства подзряда модуля 17 осуществляется по командам, поступающим от блока контроля аккумуляторов 5. Блок контроля и сигнализации 13 по интерфейсу RS-485 с блоком контроля аккумуляторов 5 и по интерфейсу RS-286 - с внешним устройством (персональной ЭВМ) 19.

Алгоритм работы аккумуляторной батареи

Предварительно аккумуляторная батарея заряжается от внешнего зарядного устройства. Окончательно заряд батареи осуществляется от внешнего источника энергии - электрического генератора 18 через устройства подзряда модуля 17, индивидуально для каждого модуля. В процессе заряда блоки контроля аккумуляторов 5 измеряют напряжение на шинах соответствующих модулей и при достижении напряжения на шинах модуля максимального значения (4,2 В) формируют сигнал «Окончание заряда», выключающий соответствующее устройство подзряда модуля 17, а также по интерфейсу RS-485 поступающий в блок контроля и сигнализации 13. При поступлении сигналов «Окончание заряда» от всех блоков контроля аккумуляторов 5 блок контроля и сигнализации 13 формирует сигнал «Окончание заряда» для внешнего устройства. Аналогично формируется для внешнего устройства аварийный сигнал «Срабатывание датчика давления», если соответствующий блок контроля аккумуляторов 5 фиксирует изменение состояния любого порогового датчика давления 16. Информация о состоянии батареи (величины напряжения на шинах модулей, номера отказавших аккумуляторов, состояние датчиков давления, аварийные и информационные сигналы) передаются по интерфейсу RS-286 к внешнему устройству (персональной ЭВМ) 19.

При разряде аккумуляторной батареи блоки контроля аккумуляторов 5 измеряют напряжение на шинах 3 соответствующих модулей 1. При достижении напряжения на шинах любого модуля минимального значения (3,0 В), соответствующий блок контроля аккумуляторов 5, а затем и блок контроля и сигнализации 13, формируют сигнал «Окончание разряда», который поступает на внешнее устройство (персональную ЭВМ) 19.

Использование: при изготовлении вторичных источников тока, в частности батарей на основе литий-ионных аккумуляторов. Сущность изобретения: аккумуляторная батарея, содержащая один или несколько соединенных последовательно модулей, состоящих из нескольких аккумуляторов, подключенных параллельно на общие шины (+) и (-), в цепи подключения каждого аккумулятора к одной из шин содержит элемент защиты от перегрузки по току. Батарея также дополнительно содержит блоки контроля аккумуляторов, измеряющие напряжение на каждом аккумуляторе и шинах модулей, а также контролирующие установленные или встроенные в аккумуляторы электрофизические датчики, блоки управления напряжением модуля, поддерживающие напряжение на шинах модулей в заданном диапазоне за счет их подзаряда или доразряда, блок контроля и сигнализации, осуществляющий общий контроль за работой и формирующий информационные и управляющие сигналы о состоянии батареи. Технический результат - повышение надежности работы и нивелирование разбаланса напряжений аккумуляторов. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аккумуляторная батарея, содержащая один или несколько соединенных последовательно модулей, состоящих из нескольких аккумуляторов, подключенных параллельно на общие шины (+) и (-), отличающаяся тем, что в цепи подключения каждого аккумулятора к одной из шин находится элемент защиты от перегрузки по току, а батарея дополнительно содержит по крайней мере один блок контроля аккумуляторов, измеряющий напряжение на каждом аккумуляторе и шинах модулей, а также контролирующий установленные или встроенные в аккумуляторы электрофизические датчики, по крайней мере один блок управления напряжением модуля, поддерживающий напряжение на шинах модуля в заданном диапазоне, блок контроля и сигнализации, осуществляющий общий контроль за работой и формирующий и передающий на внешние устройства информационные и управляющие сигналы о состоянии батареи.2. Аккумуляторная батарея по п.1, отличающаяся тем, что в качестве элемента защиты от перегрузки по току используется плавкий предохранитель.3. Аккумуляторная батарея по п.1, отличающаяся тем, что информационные и управляющие сигналы о состоянии батареи передаются из блока контроля и сигнализации на внешние устройства с использованием одного из стандартных интерфейсов.4. Аккумуляторная батарея по п.1, отличающаяся тем, что блок управления напряжением модуля содержит устройство подзаряда модуля.5. Аккумуляторная батарея по п.4, отличающаяся тем, что питание устройства подзаряда модуля осуществляется от внешнего (относительно аккумуляторной батареи) источника энергии.6. Аккумуляторная батарея по п.1, отличающаяся тем, что блок управления напряжением модуля содержит устройство для разряда модуля.7. Аккумуляторная батарея по п.6, отличающаяся тем, что устройство для разряда модуля содержит коммутирующий элемент и балластный резистор.8. Аккумуляторная батарея по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что управляющие сигналы для блока управления напряжением модуля формирует блок контроля аккумуляторов.9. Аккумуляторная батарея по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что управляющие сигналы для блока управления напряжением модуля формируются в самом блоке управления напряжением модуля с помощью платы управления.10. Аккумуляторная батарея по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что питание блока контроля аккумуляторов осуществляется от контролируемого им модуля, а сам блок содержит по крайней мере один микропроцессор.11. Аккумуляторная батарея по п.10, отличающаяся тем, что блоки контроля аккумуляторов связаны с блоком контроля и сигнализации по интерфейсу RS-485.12. Аккумуляторная батарея по п.10, отличающаяся тем, что блоки контроля аккумуляторов связаны с блоком контроля и сигнализации по CAN-интерфейсу.13. Аккумуляторная батарея по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что электрофизические датчики, контролирующие температуру аккумуляторов, установлены на теплопроводящую пластину, размещенную между корпусами соседних аккумуляторов.