СПОСОБ СБАЛАНСИРОВАННОЙ ЗАРЯДКИ ЛИТИЙ-ИОННОЙ ИЛИ ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2009 года по МПК H01M10/44 H02J7/00 

Настоящее изобретение относится к зарядке или подзарядке аккумуляторных батарей, и его объектом является способ сбалансированной по времени зарядки аккумуляторов литий-ионной или литий-полимерной батареи.

Оптимизация электрической зарядки батарей, содержащих несколько аккумуляторов, представляет собой сложную проблему, в частности, когда число последовательно соединенных элементов или аккумуляторов является достаточно большим.

В случае литий-ионных или литий-полимерных батарей к этим проблемам оптимизации зарядки различных элементов или аккумуляторов добавляется опасность необратимого разрушения указанных элементов или аккумуляторов в случае перегрузки, в частности, при перегреве или при чрезмерном напряжении.

С одной стороны, известно, что в батареях, содержащих последовательно соединенные литий-ионные или литий-полимерные элементы, параметры емкости каждого элемента или аккумулятора после зарядки не являются идентичными, и эти различия возрастают от цикла к циклу зарядки и разрядки вплоть до конца срока службы данной батареи.

С другой стороны, известно, что литий-ионные или литий-полимерные батареи не допускают как перегрузки в процессе зарядки, так и неполной зарядки в связи с использованием (разрядка). Установленное значение максимального напряжения, приведенное в качестве неограничительного примера, при перегрузке для каждого из соединенных последовательно литий-ионных или литий-полимерных элементов составляет 4,20 вольт, а установленное напряжение для остановки разрядки и предупреждения, таким образом, ухудшения рабочих характеристик батареи равно 2,70 вольт.

Известно также, что для каждого из литий-ионных или литий-полимерных элементов напряжение на контактах элемента или аккумулятора отражает емкость, накопленную в данном элементе или аккумуляторе. Это указание напряжения не дает представления о точном значении емкости в ампер-часах или ватт-часах, а только отражает процент емкости рассматриваемого элемента в момент измерения этого напряжения.

На фиг.1 прилагаемых чертежей показана кривая, отражающая изменение напряжения на контактах литий-ионного элемента в зависимости от его емкости (речь идет о кривой разрядки для постоянного тока, при этом время пропорционально проценту емкости, накопленной в рассматриваемом литий-ионном элементе, при этом 0 секунд ⇒95% (4,129 вольт), 6150 секунд ⇒50% (3,760 вольт) и 12300 секунд ⇒0% (3,600 вольт). Можно заметить, что на большей части этой кривой емкость является почти линейной, а затем резко снижается. Для контроля за операциями зарядки и разрядки литий-ионного элемента или аккумулятора используют эту почти линейную часть, что позволяет утверждать, что напряжение является отражением емкости.

С учетом положений трех предыдущих пунктов можно удостовериться, что в батарее, состоящей из более чем трех-четырех последовательно соединенных литий-ионных или литий-полимерных элементов, зарядка остановится, когда напряжение наиболее заряженного элемента достигнет 4,20 вольт, и, наоборот, во время разрядки ее останавливают, когда напряжение элемента с наименьшей емкостью достигнет 2,70 вольт: таким образом, элемент с наименьшей емкостью определяет общую емкость батареи. Это позволяет понять, что, когда батарея содержит много последовательно соединенных элементов, риск неполного использования емкости батареи становится реальным, так как элемент с наименьшей емкостью ограничительно определяет общую емкость батареи. Кроме того, этот феномен проявляется еще больше по мере увеличения числа циклов зарядки/разрядки.

Такое явление разбалансировки зарядки в основном вызвано различиями емкости и внутреннего сопротивления между элементами батареи, причем эти различия зависят также от качества изготовления литий-ионных или литий-полимерных элементов.

Для оптимизации емкости батареи во времени, что имеет большое значение для рентабельности эксплуатации, необходимо решить указанную выше проблему путем коррекции балансировки всех элементов или всех аккумуляторов батареи. Эта балансировка должна обеспечивать 100%-ную зарядку всех элементов, независимо от их емкости.

В существующей практике такую балансировку производят в конце зарядки, отводя зарядный ток от элемента, заряженного на 100%, то есть когда он достигает напряжения в 4,20 вольт. Таким образом, зарядку элементов останавливают по мере того, как они достигают 4,20 вольт и, таким образом, получают 100%-ную зарядку всех элементов в конце операции зарядки.

Однако этот известный способ балансировки в конце зарядки имеет существенные недостатки.

Так, эти системы балансировки требуют наличия мощных сопротивлений для обеспечения отвода соответствующих токов, тем более что система балансировки вступает в действие, когда зарядные токи остаются еще достаточно большими, что происходит, когда элементы батареи очень разбалансированы.

Кроме того, такое сильное рассеяние мощности приводит к соответствующему повышению температуры, что создает проблемы в случае компактных батарей, содержащих токоотводящие резисторы.

Кроме того, несмотря на подачу больших зарядных токов ближе к концу операции зарядки, батарея может оказаться не сбалансированной после выполнения условий зарядки.

Кроме того, следует также отметить, что литий-ионные или литий-полимерные батареи могут оказаться потенциально опасными в конце зарядки, учитывая их состав и количество накопленной энергии, поскольку аккумуляторы заряжаются практически до максимального уровня.

Действительно, применение зарядных токов большой силы на этой стадии и в данной ситуации с целью балансировки аккумуляторов с задержкой зарядки является причиной перегрева соответствующих элементов, что в некоторых чрезвычайных ситуациях может привести к их взрыву.

Наконец, применение большого зарядного тока ускоряет старение аккумуляторов батареи и, следовательно, снижает их эффективность.

Кроме того, в батареях большой мощности периоды зарядки батареи, в частности периоды полной зарядки, являются продолжительными и даже очень продолжительными. Поэтому часто случается, что реального времени зарядки между двумя фазами разрядки не хватает для завершения операции зарядки, и зарядка прерывается, тогда как разбалансировка между элементами или аккумуляторами еще не устранена (в случае использования системы балансировки в конце зарядки из предшествующего уровня техники). Повторение этого явления приводит также к быстрому ухудшению рабочих характеристик рассматриваемой батареи.

Настоящее изобретение призвано предложить решение оптимальной зарядки, характеризующееся вышеуказанными преимуществами и позволяющее устранить вышеупомянутые недостатки известных технических решений.

В этой связи объектом настоящего изобретения является способ сбалансированной зарядки n аккумуляторов, где n≥2, входящих в состав литий-ионной или литий-полимерной батареи и соединенных последовательно, при этом каждый аккумулятор состоит из одного или нескольких элементов, соединенных параллельно, отличающийся тем, что для каждой операции зарядки, начиная от момента t₁, последующего за началом рассматриваемой операции зарядки и до нормального завершения или преждевременной остановки этой операции, включает в себя постоянный или цикличный контроль за уровнями зарядки различных аккумуляторов и осуществление, в зависимости от предварительной оценки указанных уровней зарядки, либо равномерной подачи тока на все аккумуляторы, либо балансировки указанных уровней зарядки указанных аккумуляторов путем дифференцированной подачи на них тока в зависимости от их текущих уровней зарядки.

Момент t₁, с которого начинается контролируемая зарядка различных аккумуляторов батареи, может быть установлен либо во время изготовления, либо в результате единовременного регулирования после изготовления или, в случае необходимости, может быть установлен пользователем или специалистом (специалистом по обслуживанию).

Очевидно, что чем ближе момент t₁ к моменту t₀ начала операции зарядки, тем быстрее будут сбалансированы и выровнены уровни зарядки различных аккумуляторов и, следовательно, устранена возможность существенной разбалансировки, в частности, в случае прерывания зарядки до нормального завершения (сбой при зарядке, неисправность, преднамеренная остановка зарядки пользователем и т.д.).

Таким образом, учитывая вышеизложенное, момент t₁ может быть зафиксирован сразу же после определенного числа тестов на средствах зарядки и на аккумуляторах, произведенных после начала операции зарядки.

Вместе с тем, если различные аккумуляторы имеют очень близкие характеристики и/или если не предвидится никакого ограничения по времени зарядки, можно также предусмотреть, чтобы момент t₁ был смещен во времени относительно момента t₀ на долю теоретического максимального времени зарядки аккумуляторов, ограничивая, таким образом, фазу контролируемого питания с возможной балансировкой различных аккумуляторов, а также число циклов различных последовательных операций измерения, оценки и дифференцированного питания.

Наконец, можно также предусмотреть, чтобы t₁ менялся в ходе срока службы батареи, будучи относительно удаленным от момента t₀ начала зарядки или перезарядки, если батарея является новой, и будучи более приближенным к этому моменту t₀ в конце срока службы указанной батареи (как правило, после нескольких сотен циклов зарядки/разрядки).

Действительно, для новой батареи хорошего качества входящие в ее состав различные аккумуляторы обычно характеризуются, по существу, сходным состоянием свойств и характеристик.

Следовательно, их зарядка происходит почти сбалансированно, и в конце зарядки требуется лишь легкая балансировка при помощи дифференцированного питания.

Однако стареющие батареи, даже те, аккумуляторы которых были почти одинаковыми в новом состоянии, имеют разные характеристики и свойства аккумуляторов, что в конце зарядки приводит к большим разбросам их уровней зарядки при отсутствии компенсирования или балансировки во время зарядки. В этом случае сбалансированную зарядку в соответствии с настоящим изобретением следует производить уже на ранней стадии зарядки и даже практически сразу после начала операции зарядки или перезарядки.

Таким образом, в случае необходимости, можно предусмотреть автоматическое изменение момента t₁ сбалансированной зарядки в соответствии с настоящим изобретением, например, путем декрементации временного интервала t₁-t₀ при каждой новой операции зарядки, при этом зарядку между моментами t₀ и t₁ можно осуществлять без контроля и возможной корректировки питания разных аккумуляторов.

Можно также предусмотреть в начале эксплуатации новой батареи или перед ее отправкой после изготовления тест, устанавливающий или фиксирующий первоначальное значение t₁ или параметр, позволяющий определить это значение.

Таким образом, интервал t₁-t₀ может колебаться, например, практически от нескольких секунд до нескольких десятков процентов от общего теоретического времени зарядки батареи.

Указанные выше этапы можно выполнять двумя разными способами, основанными на двух разных технологических возможностях.

Так, при применении решения, главным образом основанного на аналоговой технологии, контроль за уровнями зарядки выполняют непрерывно и дифференцированную подачу питания осуществляют после момента t₁, как только и до тех пор пока разность уровней зарядки между максимально заряженным(и) аккумулятором(ами) и минимально заряженным(и) аккумулятором(ами) превышает заранее определенное пороговое значение.

В варианте, при применении предпочтительного решения, в котором используют цифровую обработку сигналов и управление процессом при помощи цифрового блока обработки, контроль за уровнями зарядки осуществляют путем повторяющихся измерений и дифференцированной подачи питания в течение заранее определенного времени, в случае проверки установленных условий разбалансировки уровней зарядки.

Это второе решение позволяет одновременно упростить материальное и программное обеспечение, необходимое для осуществления способа.

В рамках этого второго решения способ предпочтительно состоит в поочередном выполнении для каждого аккумулятора батареи в течение дробного времени, входящего в общее время зарядки батареи, последовательно повторяющихся этапов оценки уровня зарядки данного аккумулятора, после которой, в зависимости от уровня его зарядки и от уровней зарядки всех остальных аккумуляторов батареи, осуществляют подачу одинакового или дифференцированного питания, причем цикл повторяют, начиная с момента t₁ и в течение всей операции зарядки.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения указанный способ содержит, по меньшей мере, выполнение следующих операций под управлением цифрового блока обработки, причем начиная с момента t₁:

- оценка, предпочтительно через равномерные интервалы, количества энергии, накопленной в каждом аккумуляторе, путем измерения параметра, отражающего указанное количество;

- сравнительный анализ определенных оценкой разных количеств энергии или разных значений измеряемого параметра;

- определение аккумулятора, наиболее отстающего по зарядке, и, в случае необходимости, наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов);

- подача питания на разные последовательно соединенные аккумуляторы, равномерно или с ограничением зарядного тока для аккумуляторов, отличных от наиболее отстающего по зарядке аккумулятора, или для наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) путем отвода всего или части указанного тока на уровне этого(их) последнего(их) аккумулятора(ов);

- последовательное повторение вышеуказанных операций до достижения состояния завершения зарядки батареи или до обнаружения дефекта, нарушения в работе или превышения допустимого порогового значения.

Произведенные заявителем испытания и работы показали, что такой способ последовательной балансировки позволяет достичь одинакового процентного уровня зарядки всех элементов или аккумуляторов батареи в данный момент зарядки и, более того, 100%-ной зарядки всех элементов батареи после нормального завершения зарядки, причем независимо от их собственной емкости.

Точно так же в случае остановки операции зарядки до ее нормального завершения гарантируется, по существу, идентичный уровень зарядки для всех аккумуляторов.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления, приведенного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых представлено:

фиг.2 - блок-схема устройства, предназначенного для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 - более подробная схема устройства, показанного на фиг.2, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 - структурная схема различных этапов способа согласно варианту осуществления изобретения (на этой схеме под термином «элемент» следует понимать отдельный элемент или аккумулятор с параллельно соединенными элементами);

фиг.5 - временные диаграммы, приведенные в качестве неограничительного примера и показывающие для батареи из двенадцати аккумуляторов операции, осуществляемые в течение цикла зарядки с балансировкой при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением.

Объектом настоящего изобретения является способ зарядки или сбалансированной зарядки n аккумуляторов 1, где n≥2, входящих в состав литий-ионной или литий-полимерной батареи 2 и соединенных последовательно, при этом каждый аккумулятор 1 состоит из одного или нескольких элементов, установленных параллельно.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения для каждой операции зарядки указанный способ содержит, по меньшей мере, выполнение следующих операций под управлением цифрового блока обработки, причем начиная с момента t₁, последующего за началом зарядки:

- оценка, предпочтительно через равномерные интервалы, количества энергии, накопленной в каждом аккумуляторе 1, путем измерения параметра, характеризующего это количество;

- сравнительный анализ определенных оценкой разных количеств энергии или разных значений измеряемого параметра;

- определение аккумулятора 1, наиболее отстающего по зарядке, и, в случае необходимости, наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) 1;

- подача питания на разные последовательно соединенные аккумуляторы 1, равномерно или с ограничением зарядного тока для аккумуляторов 1, отличных от наиболее отстающего по зарядке аккумулятора 1, и для наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) 1 путем отвода всего или части указанного тока на уровне этого(их) последнего(их) аккумулятора(ов);

- последовательное повторение вышеуказанных операций до достижения состояния конца зарядки батареи 2 или до обнаружения дефекта, нарушения в работе или превышения допустимого порогового значения.

Предпочтительно параметром, измеряемым на уровне каждого аккумулятора 1 и используемым для оценки количества накопленной в нем энергии, является напряжение на контактах рассматриваемого аккумулятора 1.

Как уже было указано выше, ограничения зарядного тока могут касаться всех аккумуляторов, опережающих по зарядке наименее заряженный аккумулятор, причем, в случае необходимости, с разной степенью ограничения питания.

Вместе с тем, чтобы еще больше расширить активные фазы балансировки согласно изобретению, предпочтительно только аккумулятор, или аккумуляторы, уровень зарядки которого(ых) наиболее опережает уровень зарядки наименее заряженного аккумулятора (в течение заданного дробного времени n), подвергается(ются) ограничению зарядки (в течение следующего дробного времени n+1). Таким образом, для аккумуляторов, уровень зарядки которых только слегка превышает уровень зарядки наименее заряженного аккумулятора, зарядка будет продолжаться в нормальном режиме.

Различение между аккумуляторами, подвергнутыми и не подвергнутыми временному ограничению зарядки (в течение дробного времени относительно общего времени зарядки), может, например, вытекать из состояния (с точки зрения значений) уровней зарядки этих аккумуляторов по отношению к заданному пороговому значению [значение зарядки наименее заряженного аккумулятора + дельта (Δ)].

Кроме того, принимая стратегию ограничения зарядного тока наиболее заряженных аккумуляторов в течение всего процесса зарядки батареи, начиная с момента t₁, не дожидаясь конца указанной зарядки, изобретение позволяет избежать любой возможности перегрева батареи 2 из-за поздней балансировки и обеспечить сбалансированное напряжение на уровне аккумуляторов 1 в конце зарядки.

Кроме того, начиная балансировку с момента t₁ и продолжая ее в течение всей последующей фазы операции зарядки, можно гарантировать поддержание батареи, по существу, в сбалансированном состоянии спустя короткое время после момента t₁ и в течение всей последующей фазы зарядки, то есть даже в случае остановки зарядки до ее нормального завершения.

Согласно предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения отвод тока на уровне наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) 1 осуществляют при помощи параллельных цепей 4, каждая из которых путем параллельного монтажа соединена с одним из указанных аккумуляторов 1 (одна цепь 4 на каждый аккумулятор 1), при этом каждая из указанных цепей 4 содержит коммутационный механизм 5 и, в случае необходимости, по меньшей мере, один, возможно регулируемый, компонент 6 рассеяния электрической энергии, такой, например, как электрический резистор (фиг.2 и 3).

Коммутационный механизм 5 можно выбирать, например, из группы, в которую входят электромеханические или электронные реле, биполярные или полевые транзисторы, или аналогичные устройства.

Кроме того, поскольку отвод энергии, связанный с балансировкой зарядки различных аккумуляторов 1, распределяют по большей части и даже, в случае необходимости, по всей продолжительности зарядки, то можно оптимизировать как коммутационный компонент 5, так и соответствующий рассеивающий компонент 6.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения для зарядки с последовательной балансировкой осуществляют, в частности, следующие операции, начиная с момента t₁ и возобновляя их в течение всего процесса зарядки батареи 2:

а) за каждым отдельным аккумулятором 1 батареи 2 ведут наблюдение, измеряя напряжение на их контактах, не подключая при этом токоотводящие или балансировочные резисторы 6;

б) определяют аккумулятор 1, наиболее отстающий по зарядке;

в) определяют аккумуляторы 1, которые, по отношению к наименее заряженному или наиболее отстающему по зарядке аккумулятору 1, имеют превышение зарядки сверх заранее определенного порогового значения отклонения емкости, например, соответствующего разности напряжения (dVs) в 10 мВ;

г) каждый обнаруженный аккумулятор 1 с превышением зарядки сверх порогового значения индивидуально подключают к соответствующему балансировочному резистору 6 таким образом, чтобы понизить зарядный ток для каждого из рассматриваемых аккумуляторов 1, например, на 10% в течение заранее определенного последовательного промежутка времени, например, в течение двух секунд;

д) по истечении указанного заранее определенного последовательного промежутка времени балансировочные резисторы 6 отключают;

е) по истечении периода стабилизации напряжения аккумуляторов 1 повторяют этапы а) - д).

Обычно зарядку батареи останавливают, когда сила общего зарядного тока всех аккумуляторов этой батареи опускается ниже заранее определенного порогового значения, например 50 мА.

В примере практического применения настоящего изобретения значения мощности различных параллельных цепей 4 выбирают близкими к значениям, получаемым при помощи следующей формулы:

где

Psd max = максимальная оптимизированная рассеиваемая мощность, выраженная в Вт;

Vmax акк. = максимальное напряжение, измеренное в ходе зарядки на контактах аккумулятора, выраженное в В;

% = соотношение, выраженное в процентах, соответствующее максимальному отклонению между двумя аккумуляторами, зарядку которых необходимо сбалансировать;

АН = номинальная емкость батареи, выраженная в А·ч (ампер-час).

Кроме того, чтобы достичь точного и постепенного регулирования зарядки каждого аккумулятора 1, напряжение на контактах каждого аккумулятора 1 точно измеряют при помощи соответствующего комплекса 7 измерительных модулей 7', выходные сигналы которых, предпочтительно после оцифровки, передаются на цифровой блок 3 обработки, при этом последний на следующем цикле управляет коммутационными механизмами 5 различных параллельных цепей 4 в зависимости от сравнительного изменения указанных выходных сигналов, направляемых модулями 7'.

Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг.4 и 5, операции повторяют, начиная с момента t₁ и в течение всей операции зарядки, последующей за этим моментом, в виде замкнутого цикла, состоящего из двух рабочих полуциклов, выполняемых последовательно при каждом завершении цикла, при этом первый полуцикл содержит последовательное выполнение следующих операций: последовательное считывание значений напряжения различных аккумуляторов 1 и подключение со смещением во времени балансировочного резистора 6 для каждого аккумулятора 1, разность напряжения (dV) которого с наиболее отстающим по зарядке аккумулятором 1 превышает пороговое значение (dVs), а второй полуцикл содержит следующие операции: последовательное отключение балансировочных резисторов 6 различных аккумуляторов 1 и выжидание стабилизации напряжений различных аккумуляторов 1 перед следующим считыванием во время первого полуцикла следующего цикла, при этом оба полуцикла предпочтительно имеют примерно одинаковую продолжительность, например, приблизительно 2 с.

Благодаря циклическому возобновлению операций двух полуциклов (при продолжительности цикла, например, 4 с) в течение всего процесса зарядки батареи 2, начиная с момента t₁, то есть до наступления завершения зарядки или появления предупреждающей информации на индикаторе, все аккумуляторы 1 (и элемент или элементы каждого из этих аккумуляторов) в любой момент характеризуются незначительным разбросом емкости (за счет постоянных соединений нагрузки между аккумуляторами) и самым оптимальным образом максимально восстанавливают свои характеристики.

Кроме того, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет допускать в начале зарядки большие перепады уровней зарядки между аккумуляторами 1, при этом «нивелирование» или балансировка распределяется по времени, истекшем с момента t₁ до конца процесса зарядки батареи 2.

Согласно первому варианту можно предусмотреть, чтобы пороговое значение разности напряжения dVs представляло собой первое заранее определенное фиксированное значение V1, например 10 мВ, если разность напряжения dV между напряжением аккумулятора 1, имеющего самое высокое напряжение, и напряжением аккумулятора 1, имеющего самое низкое напряжение, меньше второго заранее определенного фиксированного значения V2, превышающего первое заранее определенное пороговое значение V1, например 100 мВ.

Кроме того, можно также предусмотреть, чтобы, если разность напряжения dV между напряжением аккумулятора 1, имеющего самое высокое напряжение, и напряжением аккумулятора 1, имеющего самое низкое напряжение, превышает второе заранее определенное фиксированное значение V2, например 100 мВ, пороговое значение разности напряжения dVs представляло собой третье заранее определенное фиксированное значение V3, меньшее указанного второго значения V2, например 30 мВ.

Предпочтительно третье заранее определенное фиксированное значение V3 превышает указанное первое заранее определенное фиксированное значение V1.

Согласно второму варианту альтернативно можно предусмотреть, чтобы пороговое значение разности напряжения dVs соответствовало заданной доле разности напряжения dV, измеренной во время предыдущего цикла, между напряжением аккумулятора 1 с самым высоким напряжением и напряжением аккумулятора 1 с самым низким напряжением, если во время текущего цикла указанная разность напряжения dV превышает четвертое заранее определенное фиксированное значение V4, например 10 мВ.

Предпочтительно в каждом из двух указанных вариантов и, как уже было указано ранее, измерения напряжений на уровне различных аккумуляторов 1 каждый паз осуществляют только по истечении заданного промежутка времени, например 2 с, после отмены отвода токов таким образом, чтобы обеспечить стабилизацию напряжений на контактах указанных аккумуляторов 1.

Чтобы уберечь аккумуляторы 1 батареи 2 от возможных скачков напряжения, программа управления зарядкой, структурная схема которой представлена в качестве примера на фиг.4, может содержать выполнение определенного числа тестов перед началом зарядки, в ходе зарядки и после завершения зарядки.

Так, сначала перед запуском выполнения операций способ зарядки может включать измерение напряжения холостого хода Vo зарядного устройства 8, подключенного к батарее 2 для ее зарядки, и остановку указанного процесса зарядки с возможным включением тревожного сигнала и/или индикацией визуального сигнала, если указанное напряжение холостого хода Vo превышает [n x максимально допустимое напряжение Vmax для каждого аккумулятора 1].

Точно так же указанный способ перед выполнением следующего замкнутого цикла или следующего цикла может включать проверку, для того чтобы, если, по меньшей мере, один из аккумуляторов 1 батареи 2 имеет на своих контактах напряжение, превышающее максимально допустимое напряжение Vmax (например, и не ограничительно, 4,23 В), прерывать процесс зарядки с возможным включением тревожного сигнала и/или индикацией визуального сигнала.

Объектом настоящего изобретения является также устройство для осуществления описанного выше способа, основные компоненты которого схематично показаны на фиг.2 и 3.

Это устройство в основном содержит с одной стороны комплекс 7 модулей 7' измерения напряжения, каждый из которых связан с одним из последовательно соединенных аккумуляторов 1, образующих батарею 2, и замеряет напряжение на контактах этих аккумуляторов, с другой стороны - множество токоотводящих цепей 4, каждая из которых соединена параллельно с контактами соответствующего аккумулятора 1 и каждая из которых может быть разомкнута или замкнута селективно, и, наконец, цифровой блок 3 обработки и управления процессом, при этом на указанный блок 3 поступают сигналы измерения от указанного комплекса 7 модулей 7' измерения напряжения, и он управляет состоянием (замкнутое/разомкнутое) каждой токоотводящей цепи 4.

Модули 7' могут представлять собой, например, дифференцирующие схемы измерения напряжения с рабочим усилителем, характеризующиеся точностью измерения, по меньшей мере, 50 мВ.

Предпочтительно каждая токоотводящая цепь 4 содержит коммутационный механизм 5, который является выключателем и положение которого управляется цифровым блоком 3 обработки, и, в случае необходимости, по меньшей мере, один компонент 6 рассеяния электрической энергии, такой, например, как резистор или резисторы.

Как показано на фиг.3 и согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, комплекс 7 модулей 7' измерения напряжения содержит с одной стороны n аналоговых модулей 7' измерения напряжения, каждый из которых непосредственно связан с аккумулятором 1 батареи 2, с другой стороны - схему 9 умножения, входы которой соединены с выходами указанных модулей 7', и, наконец, схему 10 аналогово-цифрового преобразования, соединенную на входе с выходом схемы 9 умножения и на выходе с цифровым блоком 3 обработки и управления.

В предпочтительном, но не ограничительном варианте применения устройство, показанное на фиг.2 и 3, предпочтительно может входить в комплект автономного электросилового инструмента.

В этой связи следует отметить, что токоотводящие цепи 4, индивидуально связанные с аккумуляторами 1 батареи 2, могут также использоваться для возможной корректировки зарядки указанных аккумуляторов 1 до уровня, совместимого с длительным хранением указанной батареи 2 без эксплуатации.

Само собой разумеется, что настоящее изобретение не ограничивается описанными и показанными на прилагаемых чертежах вариантами осуществления. В него можно вносить изменения, в частности, с точки зрения компоновки различными элементами или их замены техническими эквивалентами, не выходя при этом за рамки области правовой охраны изобретения.

Изобретение относится к зарядке или подзарядке аккумуляторных батарей. Техническим результатом изобретения является оптимизация процесса зарядки аккумуляторной батареи. Согласно изобретению способ сбалансированной зарядки п последовательно соединенных аккумуляторов литий-ионной или литий-полимерной батареи отличается тем, что, начиная с момента (t₁), последующего за началом операции зарядки батареи (2) и до нормального завершения или остановки этой операции, включает в себя постоянный контроль за уровнями зарядки различных аккумуляторов (1) и осуществление, в зависимости от предварительной оценки указанных уровней зарядки, либо равномерной подачи тока на все аккумуляторы (1), либо балансировки указанных уровней зарядки указанных аккумуляторов (1) путем дифференцированной подачи на них тока в зависимости от их текущих уровней зарядки. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ сбалансированной зарядки n аккумуляторов (1), где n≥2, входящих в состав литий-ионной или литий-полимерной батареи (2) и соединенных последовательно, при этом каждый аккумулятор (1) состоит из одного или нескольких элементов, установленных параллельно, отличающийся тем, что для каждой операции зарядки непрерывно или циклично, начиная с момента (t₁), последующего за началом рассматриваемой операции зарядки и до нормального завершения или преждевременной остановки этой операции, контролируют уровень зарядки различных аккумуляторов (1) и осуществляют в зависимости от предварительной оценки указанных уровней зарядки либо равномерную подачу тока на все аккумуляторы (1), либо балансировку указанных уровней зарядки указанных аккумуляторов (1) путем дифференцированной подачи на них тока в зависимости от их текущих уровней зарядки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает поочередное последовательное выполнение для каждого аккумулятора (1) батареи в течение дробного времени, входящего в общее время зарядки батареи (2), последовательно повторяющихся этапов оценки уровней зарядки данного аккумулятора (1), после которой в зависимости от уровня его зарядки и от уровней зарядки всех остальных аккумуляторов (1) батареи осуществляют подачу одинакового или дифференцированного питания, причем цикл повторяют, начиная с момента (t₁) в течение всего последующего хода операции зарядки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, выполнение следующих операций под управлением цифрового блока (3) обработки, причем начиная с момента (ti):
оценка предпочтительно через равномерные интервалы количества энергии, накопленной в каждом аккумуляторе (1), путем измерения параметра, характеризующего это количество;
сравнительный анализ определенных оценкой разных количеств энергии или разных значений параметра, измеряемого на каждом аккумуляторе (1);
определение аккумулятора (1), наиболее отстающего по зарядке, и в случае необходимости наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) (1);
питание разных последовательно соединенных аккумуляторов (1) равномерно или с ограничением зарядного тока для аккумуляторов (1), отличных от наиболее отстающего по зарядке аккумулятора, и для наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) (1) путем отвода всего или части указанного тока на уровне этого(их) последнего(их) аккумулятора(ов);
последовательное повторение вышеуказанных операций до достижения состояния конца зарядки батареи (2) или до обнаружения дефекта, нарушения в работе или превышения допустимого порогового значения.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что параметром, измеряемым на уровне каждого аккумулятора (1) и используемым для оценки количества накопленной в нем энергии, является напряжение на контактах рассматриваемого аккумулятора (1).

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что отвод тока на уровне наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) (1) осуществляют при помощи токоотводящих цепей (4), каждая из которых путем параллельного монтажа соединена с одним из указанных аккумуляторов (1), при этом каждая из указанных цепей (4) содержит коммутационный механизм (5) и в случае необходимости, по меньшей мере, один возможно регулируемый компонент (6) рассеяния электрической энергии, такой, например, как электрический резистор.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что для зарядки с последовательной балансировкой осуществляют, в частности, следующие операции, начиная с момента (t₁) и возобновляемые в течение всего последующего процесса зарядки батареи (2):
а) за всеми аккумуляторами (1) батареи (2) поочередно ведут наблюдение, измеряя напряжение на их контактах, не подключая при этом токоотводящие или балансировочные резисторы (6);
б) определяют аккумулятор (1), наиболее отстающий по зарядке;
в) определяют аккумуляторы (1), которые по отношению к наименее заряженному или наиболее отстающему по зарядке аккумулятору (1) имеют превышение зарядки сверх заранее определенного порогового значения отклонения емкости, например, соответствующего разности напряжения (dVs) в 10 мВ;
г) каждый обнаруженный аккумулятор (1) с превышением зарядки сверх порогового значения индивидуально подключают к соответствующему балансировочному резистору (6) таким образом, чтобы понизить зарядный ток для каждого из рассматриваемых аккумуляторов (1), например, на 10% в течение заранее определенного промежутка времени, например в течение 2 с;
д) по истечении указанного заранее определенного промежутка времени балансировочные резисторы (6) отключают от всех аккумуляторов (1);
е) по истечении периода стабилизации напряжения аккумуляторов (1) повторяют этапы а) - д).

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что зарядку батареи (2) обычно останавливают, когда сила общего зарядного тока всех аккумуляторов (1) этой батареи опускается ниже заранее определенного порогового значения, например 50 мА.

8. Способ по любому из пп.5 и 6, отличающийся тем, что напряжение на контактах каждого аккумулятора (1) точно измеряют при помощи соответствующего комплекса (7) модулей (7') измерения напряжения, выходные сигналы которых передаются предпочтительно после оцифровки на цифровой блок (3) обработки, который во время следующего цикла управляет механизмами (5) коммутации различных токоотводящих цепей (4) в зависимости от сравнительного изменения указанных сигналов, направляемых модулями (7').

9. Способ по любому из пп.3-6, отличающийся тем, что операции повторяют, начиная с момента (t₁) и в течение всей последующей операции зарядки, в виде замкнутого цикла, состоящего из двух рабочих полуциклов, выполняемых последовательно при каждом завершении замкнутого цикла, при этом первый полуцикл содержит последовательное выполнение следующих операций: последовательное считывание значений напряжения различных аккумуляторов (1) и подключение со смещением во времени балансировочного резистора (6) для каждого аккумулятора (1), разность напряжения (dV) которого с наиболее отстающим по зарядке аккумулятором (1) превышает пороговое значение (dVs), а второй полуцикл содержит следующие операции:
последовательное отключение балансировочных резисторов (6) различных аккумуляторов (1) и выжидание стабилизации напряжений различных аккумуляторов (1) перед следующим считыванием во время первого полуцикла следующего цикла, при этом оба полуцикла предпочтительно имеют, по существу, одинаковую продолжительность, например приблизительно 2 с.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что пороговое значение (dVs) разности напряжения представляет собой первое заранее определенное фиксированное значение (VI), например 10 мВ, если разность напряжения (dV) между напряжением аккумулятора (1), имеющего самое высокое напряжение, и напряжением аккумулятора (1), имеющего самое низкое напряжение, меньше второго заранее определенного фиксированного значения (V2), превышающего первое заранее определенное пороговое значение (VI), например 100 мВ.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что, если разность напряжения (dV) между напряжением аккумулятора (1), имеющего самое высокое напряжение, и напряжением аккумулятора (1), имеющего самое низкое напряжение, превышает второе заранее определенное фиксированное значение (V2), например 100 мВ, пороговое значение (dVs) разности напряжения представляет собой третье заранее определенное фиксированное значение (V3), меньшее указанного второго значения (V2), например 30 мВ.

12. Способ по одному из пп.10 или 11, отличающийся тем, что третье заранее определенное фиксированное значение (V3) превышает указанное первое заранее определенное фиксированное значение (V1).

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что пороговое значение (dVs) разности напряжения соответствует заданной доле разности напряжения (dV), измеренной во время предыдущего цикла, между напряжением аккумулятора (1) с самым высоким напряжением и напряжением аккумулятора (1) с самым низким напряжением, если во время текущего цикла указанная разность напряжения (dV) превышает четвертое заранее определенное фиксированное значение (V4), например 10 мВ.

14. Способ по п.9, отличающийся тем, что измерения напряжений на уровне различных аккумуляторов (1) осуществляют только по истечении заданного промежутка времени, например 2 с, после прекращения отвода токов таким образом, чтобы дождаться стабилизации напряжений на контактах указанных аккумуляторов (1).

15. Способ по п.5, отличающийся тем, что значения мощности различных параллельных цепей (4) выбирают близкими к значениям, получаемым при помощи следующей формулы:

где Psd max - максимальная оптимизированная рассеиваемая мощность, выраженная в Вт;
Vmax акк. - максимальное напряжение, измеренное в ходе зарядки на контактах аккумулятора, выраженное в В;
% - соотношение, выраженное в процентах, соответствующее максимальному отклонению между двумя аккумуляторами, зарядку которых необходимо сбалансировать;
АН-номинальная емкость батареи, выраженная в А-ч (ампер-час);
Тс-время зарядки батареи, выраженной в часах.

16. Способ по п.3, отличающийся тем, что сначала перед запуском выполнения операций содержит измерение напряжения холостого хода (Vo) зарядного устройства (8), подключенного к батарее (2) для ее последующей зарядки, и остановку указанного процесса зарядки с возможным включением тревожного сигнала и/или индикацией визуального сигнала, если указанное напряжение холостого хода (Vo) превышает [n × максимально допустимое напряжение (Vmax) для каждого аккумулятора (1)].

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что перед выполнением следующего замкнутого цикла содержит проверку для того, чтобы, если, по меньшей мере, один из аккумуляторов (1) батареи (2) имеет на своих контактах напряжение, превышающее максимально допустимое напряжение (Vmax), прервать процесс зарядки с возможным включением соответствующего тревожного сигнала и/или индикацией визуального сигнала.

18. Устройство для осуществления способа по любому из пп.1-17, отличающееся тем, что содержит, с одной стороны, комплекс (7) модулей (7') измерения напряжения, каждый из которых связан с одним из последовательно соединенных аккумуляторов (1), образующих батарею (2), и замеряет напряжение на контактах этих аккумуляторов, с другой стороны, множество токоотводящих цепей (4), каждая из которых соединена параллельно с контактами соответствующего аккумулятора (1) и каждая из которых может быть разомкнута или замкнута селективно, и, наконец, цифровой блок (3) обработки и управления процессом, при этом на указанный блок (3) поступают сигналы измерения от указанного комплекса (7) модулей (7') измерения напряжения, и он управляет состоянием (замкнутое/разомкнутое) каждой токоотводящей цепи (4).

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что каждая токоотводящая цепь (4) содержит коммутационный механизм (5), образующий выключатель, положение которого управляется цифровым блоком (3) обработки, и в случае необходимости, по меньшей мере, один компонент (6) рассеяния электрической энергии, такой, например, как резистор или резисторы.

20. Устройство по любому из пп.18 и 19, отличающееся тем, что комплекс (7) модулей (7') измерения напряжения содержит с одной стороны n аналоговых модулей (7') измерения, каждый из которых непосредственно связан с аккумулятором (1) батареи
(2), с другой стороны схему (9) умножения, входы которой соединены с выходами указанных модулей (7'), и, наконец, схему (10) аналогово-цифрового преобразования, соединенную на входе с выходом схемы (9) умножения и на выходе с цифровым блоком (3) обработки и управления.

21. Устройство по п.18, отличающееся тем, что входит в комплект автономного электросилового инструмента.