УЗЕЛ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ЕГО Российский патент 2012 года по МПК H02J7/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к аккумуляторным батареям и, в частности, к зарядке аккумуляторных батарей.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Для аккумуляторных батарей, предназначенных для использования, например, для стартеров транспортных средств, электрических велосипедов, электрических мотоциклов, электрических или гибридных транспортных средств и так далее, высокое напряжение является существенным для увеличения коэффициента полезного действия и уменьшения цены. Увеличение напряжения требует аккумуляторных батарей, соединенных последовательно.

2. Проблемами, связанными с аккумуляторными батареями, соединенными последовательно, являются:

(a) если одна аккумуляторная батарея имеет меньшую электрическую емкость, то электрическая емкость всего набора аккумуляторных батарей диктуется электрической емкостью аккумуляторной батареи меньшей электрической емкости;

(b) если аккумуляторная батарея, обладающая меньшей электрической емкостью, не может быть заряжена до полного заряда во время зарядки, то рабочие характеристики всего набора аккумуляторных батарей будут ухудшаться вследствие аккумуляторной батареи меньшей электрической емкости. Это известно на предшествующем уровне техники как дисбаланс элементов;

(c) меньшая электрическая емкость одной конкретной аккумуляторной батареи может быть вызвана или высоким саморазрядом, или дефектами во время производства аккумуляторной батареи.

3. Стандартными способами решения проблемы дисбаланса элементов являются:

(a) сортировка аккумуляторных батарей для предотвращения несогласованности аккумуляторных батарей для последовательного соединения;

(b) зарядка аккумуляторных батарей отдельно (например, патент США №6586909), однако для преодоления проблем, указанных выше, требуется низкое напряжение для полной зарядки каждой аккумуляторной батареи (например, ионно-литиевые аккумуляторные батареи заряжают до 3,65 В), и эта низковольтная зарядка не является энергетически эффективной (энергоэкономичной) вследствие преобразований от нормального высоковольтного источника питания переменного тока до мощности постоянного тока малой мощности.

Большинство систем и способов, соответствующих предшествующему уровню техники, получения аккумуляторных батарей, сбалансированных во время зарядки, использует сложную схемотехнику для детектирования и балансировки незаряженных аккумуляторных батарей (например, US 7068011, US 6761207, US 6882129, US 6841971, US 6825638, US 6801014, US 6784638, US 6777908, US 6700350, 6642693, US 6642693, US 6586909, US 6511764, US 6271645).

ОБЪЕКТ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Объектом настоящего изобретения является обеспечение простого устройства и способа зарядки множества аккумуляторных батарей, электрически соединенных в последовательную цепь.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к узлу аккумуляторной батареи, имеющему аккумуляторную батарею с положительным выводом и отрицательным выводом и средство для саморазряда аккумуляторной батареи, когда напряжение через выводы больше или равно предварительно установленному значению. Средство для саморазряда электрически параллельно соединено с выводами аккумуляторной батареи.

ОПИСАНИЕ СОПРОВОДИТЕЛЬНЫХ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение станет более легко очевидным из следующего его описания, иллюстрируемого только в качестве примера на сопроводительных чертежах, где

Фиг.фиг.1a-e - схематические иллюстрации различных вариантов осуществления узлов аккумуляторных батарей, соответствующих настоящему изобретению;

Фиг.2a - схематическая иллюстрация узла аккумуляторных батарей, соответствующего настоящему изобретению, с увеличенным изображением цепи саморазряда, соответствующей настоящему изобретению;

Фиг.2b - схематическая иллюстрация узла аккумуляторных батарей, соответствующего настоящему изобретению, с увеличенным изображением другого варианта осуществления цепи саморазряда, соответствующей настоящему изобретению;

Фиг.3 - схематическая иллюстрация узла аккумуляторных батарей, соответствующего настоящему изобретению, имеющего цепь саморазряда, размещенную на корпусе аккумуляторной батареи;

Фиг.4 - схематическая иллюстрация системы электропитания, имеющей узлы аккумуляторных батарей, соответствующие настоящему изобретению;

Фиг.5a-e - схематические иллюстрации блоков батарей, имеющих узлы аккумуляторных батарей, соответствующие настоящему изобретению;

Фиг.6a-e - схематические иллюстрации блоков батарей, имеющих узлы аккумуляторных батарей, соответствующие настоящему изобретению, отличающиеся от узлов аккумуляторных батарей, иллюстрируемых на фиг.5a-e;

Фиг.7a-e - схематические иллюстрации блоков батарей, имеющих узлы аккумуляторных батарей, соответствующие настоящему изобретению, отличающиеся от узлов аккумуляторных батарей, иллюстрируемых на фиг.5a-e и фиг.6a-e;

Фиг.8a-e - схематические иллюстрации блоков батарей, имеющих узлы аккумуляторных батарей, соответствующие настоящему изобретению, отличающиеся от узлов аккумуляторных батарей, иллюстрируемых на фиг.5a-e, 6a-e и 7a-e;

Фиг.9 - схематическая иллюстрация узла блока батарей, имеющего узлы аккумуляторных батарей, соответствующие настоящему изобретению;

Фиг.10 - схематическая иллюстрация узла блока батарей, имеющего узлы аккумуляторных батарей, соответствующие настоящему изобретению, как описано в примере 3; и

Фиг.11 - схематическая иллюстрация узла блока батарей, имеющего узлы аккумуляторных батарей, соответствующие настоящему изобретению, как описано в примере 5.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение является особенно важным для решения проблем, вызываемых аккумуляторными батареями, соединенными последовательно. Проблема дисбаланса элементов во время зарядки может быть уменьшена путем создания устройства и способов, которые обеспечивают возможность утечки тока (энергии) из аккумуляторных батарей, перегруженных избыточным зарядом. Вместо использования очень дорогих устройств и способов для предотвращения перегрузки избыточным зарядом для предотвращения избыточного заряда, для достижения выравнивания заряда аккумуляторных батарей, как установлено, посредством устройств и способов, соответствующих предшествующему уровню техники, настоящее изобретение использует способ и устройство, которое уменьшает электрический ток, подаваемый к аккумуляторной батарее в последовательной цепи, которая перегружена избыточным зарядом. Такие способ и устройство могут быть реализованы для каждой аккумуляторной батареи или для каждого набора аккумуляторных батарей или блока батарей, соединенных последовательно. Терминология «набор аккумуляторных батарей», используемая в описании, означает множество аккумуляторных батарей, соединенных параллельно, или последовательно, или параллельно-последовательно, или последовательно-параллельно. Терминология «блок батарей», используемая в описании, означает множество наборов аккумуляторных батарей, соединенных параллельно, или последовательно, или параллельно-последовательно, или последовательно-параллельно. Терминология «узел», используемая в описании, означает аккумуляторную батарею, набор аккумуляторных батарей или блок батарей, сопровождаемые средством для саморазряда аккумуляторной батареи (аккумуляторных батарей), набора аккумуляторных батарей или блока батарей, если аккумуляторная батарея (аккумуляторные батареи) перегружена (перегружены) избыточным зарядом.

В настоящем изобретении аккумуляторная батарея или аккумуляторные батареи саморазряжаются при перегрузке избыточным зарядом. Поскольку каждая аккумуляторная батарея, набор аккумуляторных батарей или блок батарей предусмотрены со средством «для саморазряда», при достижении напряжения заданного параметра во время зарядки или даже после зарядки может быть исключена проблема дисбаланса элементов. Это является основной идеей настоящего изобретения.

На фиг.1a иллюстрируется структура «узла аккумуляторной батареи». На фиг.1b иллюстрируется структура «узла набора аккумуляторных батарей, соединенных параллельно»; на фиг.1 с иллюстрируется структура «узла набора аккумуляторных батарей, соединенных последовательно»; на фиг.1d иллюстрируется структура «узла аккумуляторных батарей, соединенных параллельно-последовательно»; на фиг.1e иллюстрируется структура «узла аккумуляторных батарей, соединенных последовательно-параллельно». Эти узлы являются основными модулями для использования в обеспечении блока батарей. На этих чертежах, так же как и на остальных чертежах, отдельные аккумуляторные батареи указаны ссылочным номером 1, а цепь для саморазряда аккумуляторной батареи (аккумуляторных батарей) указана ссылочным номером 3.

На фиг.2a иллюстрируется способ, соответствующий настоящему изобретению, решения проблемы дисбаланса элементов. Как показано на фиг.2a, каждая аккумуляторная батарея соединена с устройством 2, соединенным параллельно аккумуляторной батарее. Такое устройство состоит из коммутационного элемента 6, резистивного элемента 7, детектирующего напряжение элемента 5a, контроллера 5b коммутационного элемента, который отключает или подключает коммутационный элемент 6. Детектирующий напряжение элемент детектирует электрическое напряжение аккумуляторной батареи и вместе с контроллером коммутационного элемента контролирует «отключенное» или «подключенное» состояние коммутационного элемента. Коммутационный элемент, резистивный элемент, детектирующий напряжение элемент и контроллер коммутационного элемента могут быть размещены на печатной плате. Однако, поскольку транзистор может функционировать как комбинация детектирующего напряжение элемента, контроллера, коммутационного элемента и резистивного элемента, устройство, иллюстрируемое на фиг.2a, может быть заменено транзистором или множеством транзисторов, соединенных параллельно (для регулировки электрического сопротивления). Другими возможностями являются один транзистор 8, соединенный с резистором 7 последовательно, как показано на фиг.2b. В случае транзистора и резистора, соединенных последовательно, как показано на фиг.2b, электрическое сопротивление резистора должно быть небольшим для минимизации падения напряжения, вызываемого резистором, оказывая таким образом отрицательное влияние на детектирование напряжения транзистора. Конфигурация, приведенная на фиг.2b, может быть также применима к диодам, например светоизлучающим диодам, или печатной плате, состоящей только из коммутационного элемента и контроллера.

При зарядке аккумуляторных батарей, если напряжение одной из аккумуляторных батарей выше предварительно установленного верхнего предела, то подключается коммутационный элемент устройства, электрически соединенный параллельно аккумуляторной батарее, для обеспечения возможности прохождения электрического тока через резистор. Таким образом, зарядный ток для аккумуляторной батареи, который прошел предварительно установленное верхнее предельное электрическое напряжение, уменьшается вследствие наличия устройства, соединенного параллельно с аккумуляторной батареей. Такое уменьшение показано в приведенном ниже примере 1. При таком условии другие аккумуляторные батареи заряжаются в нормальном потоке электрического тока, но ток, который прошел верхний предел напряжения, имеет уменьшенное зарядное действие. Это является основным механизмом настоящего изобретения для предотвращения перегрузки аккумуляторной батареи избыточным зарядом. Необходимо упомянуть, что резистивный элемент может быть любым электронным компонентом, который обладает удовлетворительным электрическим сопротивлением. Например, в качестве источника сопротивления может быть использована электрическая лампочка.

Элементы устройства могут быть размещены на полупроводниковом кристалле 2 (полупроводниковой интегральной схеме), который может быть расположен в любом месте вблизи аккумуляторной батареи. На фиг.3 иллюстрируется одна возможность полупроводникового кристалла 2 быть встроенным в крышку корпуса аккумуляторной батареи. Например, полупроводниковый кристалл может быть также размещен между катодом (корпусом) 11 и анодом (отрицательным выводом) 12. Полупроводниковый кристалл может быть также размещен внутри корпуса аккумуляторной батареи.

Резистор может быть переменным резистором, если необходимо дополнительное точное регулирование сопротивления. Детали изменения тока для каждой аккумуляторной батареи во время зарядки дополнительно описаны ниже:

Пример 1. Теоретическая демонстрация того, как может быть достигнуто выравнивание заряда элементов

Допущения:

1. Четыре узла аккумуляторных батарей соединены последовательно, как показано на фиг.2а.

2. Аккумуляторные батареи (1), (3), (4) имеют внутреннее сопротивление 5 мОм, аккумуляторная батарея (2) имеет внутреннее сопротивление 10 мОм.

3. Аккумуляторные батареи (1), (3), (4) имеют напряжение разомкнутой цепи, составляющее 3,3 В, аккумуляторная батарея (2) имеет напряжение разомкнутой цепи, составляющее 3,6 В.

4. Для каждого узла аккумуляторной батареи резистор 1,0 Ом соединен параллельно аккумуляторной батарее.

5. Источник питания 15 В использован для четырех узлов аккумуляторных батарей, соединенных последовательно.

Случай 1 расчета (когда отключены все параллельные резисторы)

Во время зарядки четырех узлов аккумуляторных батарей напряжение каждой аккумуляторной батареи может быть представлено как:

Аккумуляторная батарея (1): V₁=V_O1+I₁R₁, где V₁ - напряжение аккумуляторной батареи (1) во время зарядки, V_O1 - напряжение разомкнутой цепи аккумуляторной батареи (1), I₁ - электрический ток, проходящий через аккумуляторную батарею (1) и R₁ - внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи (1).

Аккумуляторная батарея (2): V₂=V_O2+I₂R₂,

Аккумуляторная батарея (3): V₃=V_О3+I₃P₃,

Аккумуляторная батарея (4): V₄=V_O4+I₄P₄.

Поскольку нет других соединенных резисторов, I₁I₂=I₃=I₄=I

15=(V₁+V₂+V₃+V₄)=(V_O1+V_O2+V_O3+V_O4)+I(R₁+R₂+R₃+R₄)

15-(V_O1+V_O2+V_O3+V_O4)=I(R₁+R₂+R₃+R₄)

15-3,3-3,6-3,3-3,3=I(0,005+0,01+0,005+0,005)

I=60 A - электрический ток, который проходит через каждую аккумуляторную батарею.

Случай 2 расчета (когда для аккумуляторной батареи (2) подключена параллельная цепь резистора)

Допустим, что I′ - электрический ток, проходящий через резистор, a R′ - сопротивление резистора, тогда

V₂=I'R', I'=V₂/R'

V₂=V_O2+I₂R₂,

полагая, что баланс тока: (I′+I₂)=I₁=I₃=I₄=I,

то

V₂=V_O2+(I-I')R₂=V_O2+(I-V₂/R')R₂

После перестановки получим

V₂=(V_O2+IR₂)/(1+R₂/R')

Таким образом,

15=(V₁+V₂+V₃+V₄)=(V_O1+V_O3+V_O4)+I(R₁+R₃+R₄)+(V_O2+IR₂)/(1+R₂/R')

Таким образом,

I=61,672 А

V₂=(V_O2+IR₂)/(1+R₂/R')=4,175 В

I'=V₂/R'=4,175 A

I₂=I-I'=57,497 A

Если мы подставляем резистор 10 Ом, то

I=60,168 А

V₂=V_O2+(I-V₂/R')R₂=4,1975 В

I'=V₂/R'=0,4198 A

I₂=I-I'=59,748 A

Выводы, сделанные из расчетов:

1. Что касается узла аккумуляторной батареи, иллюстрируемого на фиг.2а, то если коммутация резистора в параллельной цепи включена, то электрический ток проходит через резистор и зарядный ток для аккумуляторной батареи (2) уменьшается.

2. Тогда как коммутация параллельной цепи резистора включена для узла аккумуляторной батареи, иллюстрируемого на фиг.2а, зарядный ток для других аккумуляторных батарей (1, 3, 4) увеличивается.

3. Сопротивление резистора диктует величину уменьшения электрического тока для аккумуляторной батареи 2. Чем меньше сопротивление, тем больше величина уменьшения тока.

4. Таким образом, идея включения резистора с каждой аккумуляторной батареей, соединенной последовательно, является эффективной в балансировке емкости всех аккумуляторных батарей благодаря уменьшению зарядного тока аккумуляторной батареи, которая имеет большую емкость, и благодаря увеличению зарядного тока других аккумуляторных батарей, которые имеют меньшую емкость.

5. Очевидно, что резистор, соединенный параллельно с аккумуляторной батареей, должен обладать удовлетворительной функцией балансировки элементов. Любые электронные устройства или компоненты, которые удовлетворяют функции измерения напряжения и обеспечения источника сопротивления, находятся в фокусе настоящего изобретения.

Пример 2. Теоретический расчет, демонстрирующий способ зарядки узла аккумуляторной батареи

Допущения:

1. Четыре узла аккумуляторных батарей соединены последовательно, как показано на фиг.2а.

2. Аккумуляторные батареи (1), (3), (4) имеют внутреннее сопротивление 5 мОм, аккумуляторная батарея (2) имеет внутреннее сопротивление 10 мОм.

3. Аккумуляторные батареи (1), (3), (4) имеют напряжение разомкнутой цепи, составляющее 3,3 В, аккумуляторная батарея (2) имеет напряжение разомкнутой цепи, составляющее 3,6 В.

4. Аккумуляторные батареи (1), (2), (3) и (4) подвергают зарядке постоянным током. Величина электрического тока составляет 2 А.

5. Для целей демонстрации исследуемой аккумуляторной батареи является аккумуляторная батарея (2), а резистор, имеющий сопротивление 1,0 Ом, соединен параллельно с аккумуляторной батареей и коммутация цепи замкнута.

Расчеты:

Принимая во внимание баланс электрического тока: (I′+I₂)=I₁=I₃=I₄=I=2 A

V₂=V_O2+(I-I')R₂=V_O2+(I-V₂/R')R₂

При перегруппировке мы получаем

V₂=(V_O2+IR₂)/(1+R₂/R')

Подставляя V_O2=3,6 В, I=2 A, R₂=0,01 Ом, R'=10 м,

получаем

V₂=3,5842 B

I'=V₂/R'=3,5842 A,

I₂=I-I'=2-3,5842=-1,5842 А<0.

Выводы, сделанные из расчетов:

1. Аккумуляторная батарея, которая перегружена чрезмерным зарядом, будет разряжаться, когда электрический ток (I) цепи меньше электрического тока, который проходит через резистор (I′). То есть (I-I′<0).

2. Когда аккумуляторные батареи, перегруженные избыточным зарядом, разряжаются, может быть достигнут баланс элементов.

3. Комбинированием результатов расчетов, показанных в Примере 1 и 2, можно также сделать вывод, что способ зарядки с балансировкой элементов может быть реализован в режиме постоянного напряжения (но требуемое время зарядки должно быть больше, чем время, требуемое для условия I<I') или в режиме постоянного тока путем пропускания электрического тока (I), который меньше тока, который проходит через резистор (I').

4. Можно сделать дополнительный вывод, что зарядное устройство может быть сконструировано таким, чтобы иметь два режима зарядки. Один режим является нормальным режимом зарядки при постоянном токе/постоянном напряжении для нормального использования системы аккумуляторных батарей (конец зарядки определяется установкой определенного времени зарядки). Другой режим является режимом балансировки элементов (зарядка при постоянном токе), который может быть использован, когда система аккумуляторных батарей обладает меньшей электрической емкостью, чем их нормальное использование.

Пример 3. Блок батарей и система аккумуляторных батарей

Как указано выше, блок батарей может состоять из наборов аккумуляторных батарей или узлов наборов аккумуляторных батарей, как показано на фиг.1a-e. В настоящем изобретении блок батарей может также соединяться с параллельной цепью, содержащей коммутационный элемент, детектирующий напряжение элемент, контроллер и резистивный элемент для образования «узла блока батарей». Возможные структуры блоков батарей, разработанные при использовании узлов наборов аккумуляторных батарей, иллюстрируются на фиг.5a-e, фиг.6a-e, фиг.7a-e и фиг.8a-e. На этих чертежах представлены структуры пяти модулей, показанных на фиг.1a-e, соединенные в различных конфигурациях цепей: в последовательной конфигурации (фиг.5a-e), в параллельной конфигурации (фиг.6a-e), в параллельно-последовательной (фиг.7a-e) и в последовательно-параллельной конфигурации (фиг.8a-e). Каждый из случаев, иллюстрируемых на фиг.5, 6, 7 и 8, и здесь может комбинироваться с параллельной цепью, состоящей из коммутационного элемента, контроллера, детектирующего напряжение элемента и резистивного элемента для образования «узла блока батарей». Пример «узла блока батарей» иллюстрируется на фиг.9.

Подобно случаю, когда блок батарей, который состоит из наборов аккумуляторных батарей или узлов наборов аккумуляторных батарей, система аккумуляторных батарей состоит из блоков батарей или узлов блоков батарей. И в этом случае возможные структуры системы аккумуляторных батарей, полученные при использовании узлов блоков батарей, могут быть в последовательной, параллельной, параллельно-последовательной и последовательно-параллельной конфигурации.

В этой заявке описан один практический случай, который является примером системы аккумуляторных батарей для электрического мотоцикла. Как следует из фиг.10, типовой электрический мотоцикл использует систему аккумуляторных батарей, имеющую электрическое напряжение 53 В и электрическую емкость 40 А·ч. Система аккумуляторных батарей состоит из четырех блоков батарей (13,3 В), соединенных последовательно. Каждый из блоков батарей состоит из четырех наборов ионно-литиевых аккумуляторных батарей (3,33 В), соединенных последовательно. И каждый из наборов аккумуляторных батарей состоит из четырех аккумуляторных батарей электрической емкостью 10 А·ч, соединенных параллельно. В этом случае наилучшая структура системы аккумуляторных батарей использует узлы блоков батарей и узлы наборов аккумуляторных батарей в качестве строительных блоков для системы аккумуляторных батарей. В такой конфигурации может быть предотвращена перегрузка блоков батарей и наборов аккумуляторных батарей чрезмерным зарядом. Если система аккумуляторных батарей получена при использовании узлов блоков батарей, но узлы блоков батарей получены только с помощью наборов аккумуляторных батарей, некоторая возможная перегрузка набора аккумуляторных батарей избыточным зарядом может иметь место после долговременной цикличной работы. Если система аккумуляторных батарей получена при использовании только блоков батарей, а блоки батарей получены при использовании наборов аккумуляторных батарей, а не узлов наборов аккумуляторных батарей, то может иметь место дисбаланс элементов, сопровождающийся перегрузкой избыточным зарядом во время зарядки.

Пример 4. Предпочтительная система электропитания

Система электропитания является интеграцией компонентов, включающих в себя зарядное устройство 4, систему аккумуляторных батарей (блоков или наборов), панель управления 10 и выключатель 9, как показано на фиг.4. И в этом случае четыре узла аккумуляторных батарей, соответствующих настоящему изобретению, соединены последовательно в качестве простейшего примера для демонстрации. Из фиг.4 можно видеть, что каждая аккумуляторная батарея соединена параллельно цепи, состоящей из компонентов, показанных на фиг.2а или фиг.2b. Панель управления соединена с электрическими проводниками к каждому выводу каждой из аккумуляторных батарей. Эти электрические проводники служат в качестве средства для обеспечения детектирования напряжения. Другой конец панели управления соединен с выключателем. Зарядное устройство соединено непосредственно с двумя концами аккумуляторных батарей, электрически соединенных последовательно. Во время нормальной зарядки (постоянный электрический ток/постоянное напряжение), если какая-либо из аккумуляторных батарей превышает предварительно установленное напряжение избыточного заряда, то панель управления передает сигнал к выключателю для завершения зарядки. Аналогичным образом во время такой зарядки, если какая-либо из аккумуляторных батарей находится ниже предварительно установленного напряжения, панель управления передает сигнал к выключателю для завершения разрядки. Эти два действия служат в качестве защиты аккумуляторной батареи для предотвращения перегрузки чрезмерным зарядом и чрезмерной разрядки. Во время нормальной зарядки предварительно установленное время дается для действия зарядки (например, завершение зарядки через 1,5 часа после зарядки при постоянном напряжении). В это время аккумуляторные батареи могут быть более или менее сбалансированы. Однако аккумуляторные батареи могут быть сбалансированы после нескольких зарядок или непосредственно начальным режимом сбалансированной зарядки (небольшой постоянный электрический ток и токовый заряд, амплитуда электрического тока I<I′) для обеспечения возможности зарядки при постоянном токе до тех пор, пока все аккумуляторные батареи не будут сбалансированы.

В представленном случае панель управления может быть простым устройством для детектирования напряжений каждой аккумуляторной батареи, соединенной последовательно, посылающим сигналы к выключателю для завершения действия зарядки или разрядки. Простота панели управления таким образом является выгодной благодаря характеристикам аккумуляторных батарей, соответствующим настоящему изобретению, поскольку они имеют утечки тока во время зарядки. В настоящем изобретении выключение зарядки предпочтительно осуществляется посредством электромагнитного реле, которое выключает вход или выход мощности. Это электромагнитное реле предпочтительно не требует потребления мощности в состоянии незанятости, и импульсный сигнал, генерируемый панелью управления, определяет замкнутое и разомкнутое состояние цепи реле и, таким образом, включение и выключение зарядки аккумуляторной батареи.

Пример 5. Способы достижения выравнивания элементов, как описано в Примере 1

Как следует из фиг.11, в представленном примере восемь ионно-литиевых аккумуляторных батарей, имеющих электрическую емкость 10 А·ч, используют для демонстрации способа зарядки и характеристики балансировки элементов аккумуляторных батарей во время зарядки. Два элемента сначала соединены параллельно для образования набора параллельных аккумуляторных батарей. Каждый набор аккумуляторных батарей затем соединяют с цепью (например, печатной платой), электрически соединенной параллельно набору аккумуляторных батарей для образования узла аккумуляторных батарей. Четыре узла аккумуляторных батарей затем соединяют последовательно. В представленном случае первый набор, второй набор, третий набор и четвертый набор поименованы для четырех узлов наборов аккумуляторных батарей, соединенных последовательно для ясности. Все четыре узла наборов сначала заряжают полностью до 100%. Первый узел набора аккумуляторных батарей затем подвергают разрядке 10% электрической емкости (2 А·ч). После этой процедуры все четыре узла наборов аккумуляторных батарей соединяют последовательно и эту структуру называют блоком батарей. В представленном случае предварительно устанавливаемое напряжение активации саморазряда устанавливают равным 3,75 В. Цепь саморазряда, которая является параллельной каждому набору аккумуляторных батарей, имеет сопротивление 2 Ом. После вышеуказанных процедур блок батарей подвергают воздействию заряда постоянного тока 1,7 А. Как показано в Таблице 1, напряжение изменяется в зависимости от времени для каждого набора аккумуляторных батарей. Из Таблицы 1 можно видеть, что 2^ой, 3^ий и 4^ый узел набора аккумуляторных батарей имел увеличение напряжения за 3,75 В в исходном состоянии. Через 5 минут после этого 2^ой, 3^ий и 4^ый узел набора аккумуляторных батарей пришел в стабилизированное состояние при 3,75 В. В это время измеряемый электрический ток, проходящий через резистор, составлял 1,8 А.

1^ый набор узла наборов аккумуляторных батарей постепенно увеличивает его напряжение до 3,75 В через 80 минут, и это является концом действия балансировки заряда. В настоящем эксперименте I (электрический ток источника питания) устанавливают меньше I' (электрический ток, проходящий через резистор). Как результат, напряжения для 2^го, 3^го и 4^го узлов наборов аккумуляторных батарей стабилизировались при напряжении 3,75 В во время зарядки. Полные балансы четырех наборов узлов наборов аккумуляторных батарей получали после определенного периода времени. Было установлено, что, если электрический ток I устанавливали немного большим электрического тока I′ (1,8 в этом случае), напряжения 2^го, 3^го и 4^го наборов аккумуляторных батарей может быть выше напряжения 3,75 В во время заряда постоянного тока. Однако, если заряд постоянного напряжения устанавливают при напряжении 15 В в качестве зарядки второго этапа, может наблюдаться уменьшение напряжения 2^го, 3^го и 4^го наборов аккумуляторных батарей (когда электрический ток I начинает уменьшаться ниже электрического тока I′), и эти четыре набора узлов наборов аккумуляторных батарей могут быть, в конечном счете, сбалансированы, но требуя более продолжительного времени.

Таблица 1 Зависимость напряжения от времени для каждого набора аккумуляторных батарей. Тестирование зарядки при балансе ионно-литиевых элементов 40138 12 В, 20 А·ч при постоянном токе 1,7 А зарядки Номер набора 1 2 3 4 Исходное напряжение (В) 3,344 3,354 3,348 3,35 Время (минуты) Напряжение для каждого набора (В) 0 3,401 3,883 3,852 3,861 5 3,457 3,761 3,757 3,759 10 3,462 3,752 3,761 3,762 15 3,473 3,753 3,755 3,757 20 3,481 3,756 3,751 3,754 30 3,499 3,759 3,752 3,757 40 3,558 3,753 3,756 3,755 50 3,633 3,758 3,754 3,756 60 3,757 3,751 3,753 3,754 70 3,752 3,757 3,756 3,752 80 3,759 3,751 3,754 3,755

Изобретение относится к области аккумуляторных батарей для транспортных средств. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции батареи и способа ее заряда. Согласно изобретению аккумуляторная батарея, набор батарей или блок батарей, имеющие электрическую цепь или множество цепей для их саморазряда, соединенные параллельно, используют для образования узлов аккумуляторных батарей и систем электропитания для использования в электрических и гибридных транспортных средствах и подобных транспортных средствах. 24 н. и 18 з.п. ф-лы, 31 ил, 1 табл.

1. Узел аккумуляторной батареи, содержащий
аккумуляторную батарею, имеющую положительный вывод и отрицательный вывод, и
средство для саморазряда аккумуляторной батареи, когда напряжение через указанные выводы больше или равно предварительно установленному значению, причем указанное средство для саморазряда электрически соединено параллельно выводам батареи.

2. Узел набора параллельно соединенных аккумуляторных батарей,
содержащий
множество аккумуляторных батарей, причем каждая имеет положительный вывод и отрицательный вывод, электрически соединенных параллельно для образования набора параллельно соединенных батарей, и
средство для саморазряда набора параллельно соединенных батарей, причем указанное средство электрически соединено параллельно с указанным набором параллельно соединенных батарей для саморазряда указанного набора параллельно соединенных батарей, когда напряжение через набор параллельно соединенных батарей больше или равно предварительно установленному значению.

3. Узел набора последовательно соединенных аккумуляторных батарей, содержащий
множество аккумуляторных батарей, причем каждая имеет положительный вывод и отрицательный вывод, электрически соединенных последовательно для образования набора последовательно соединенных батарей, и
средство для саморазряда набора последовательно соединенных батарей, причем указанное средство электрически соединено параллельно с указанным набором последовательно соединенных батарей для саморазряда указанного набора последовательно соединенных батарей, когда напряжение через набор последовательно соединенных батарей больше или равно предварительно установленному значению.

4. Узел набора параллельно-последовательно соединенных аккумуляторных батарей, содержащий
множество аккумуляторных батарей, причем каждая имеет положительный вывод и отрицательный вывод, электрически соединенных параллельно для образования набора параллельно соединенных батарей, множество указанных наборов параллельно соединенных батарей, электрически соединенных последовательно для образования набора параллельно-последовательно соединенных батарей, и
средство для саморазряда набора параллельно-последовательно соединенных батарей, причем указанное средство электрически соединено параллельно с указанным набором параллельно-последовательно соединенных батарей для саморазряда указанного набора параллельно-последовательно соединенных батарей, когда напряжение через набор параллельно-последовательно соединенных батарей больше или равно предварительно установленному значению.

5. Узел набора последовательно-параллельно соединенных
аккумуляторных батарей, содержащий
множество аккумуляторных батарей, причем каждая имеет положительный вывод и отрицательный вывод, электрически соединенных последовательно для образования набора последовательно соединенных батарей,
множество указанных наборов последовательно соединенных батарей, электрически соединенных параллельно для образования набора последовательно-параллельно соединенных батарей, и средство для саморазряда набора последовательно-параллельно соединенных батарей, причем указанное средство электрически соединено параллельно с указанным набором последовательно-параллельно соединенных батарей для саморазряда указанного набора последовательно-параллельно соединенных батарей, когда напряжение через набор последовательно-параллельно соединенных батарей больше или равно предварительно установленному значению.

6. Узел аккумуляторных батарей по пп.1-4 или 5, в котором указанное
средство для саморазряда содержит
резистивный элемент и коммутационный элемент, соединенные последовательно,
детектирующий напряжение элемент для детектирования напряжения узла и контроллер коммутационного элемента для замыкания коммутационного элемента, когда напряжение узла больше или равно предварительно установленному значению, и размыкания коммутационного элемента, когда напряжение узла меньше предварительно установленного значения на выбранную величину.

7. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный резистивный элемент, указанный коммутационный элемент и указанный контроллер коммутационного элемента размещены на печатной плате.

8. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный коммутационный элемент и указанный контроллер коммутационного элемента размещены на печатной плате.

9. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный коммутационный элемент выбран из группы, состоящей из ручного переключателя, контактора, контролируемого соленоидом и транзистора.

10. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный резистивный элемент выбран из группы, состоящей из резистора, электрической лампочки и светоизлучающего диода.

11. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный резистивный элемент, указанный коммутационный элемент и указанный контроллер коммутационного элемента являются транзистором или множеством транзисторов.

12. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный резистивный элемент, указанный коммутационный элемент и указанный контроллер коммутационного элемента являются комбинацией транзисторов и резисторов.

13. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный резистивный элемент, указанный коммутационный элемент и указанный контроллер коммутационного элемента являются светоизлучающим диодом или множеством светоизлучающих диодов.

14. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный резистивный элемент, указанный коммутационный элемент и указанный контроллер коммутационного элемента являются комбинацией светоизлучающих диодов и резисторов.

15. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный резистивный элемент, указанный коммутационный элемент и указанный контроллер коммутационного элемента являются интегрированными на полупроводниковом кристалле.

16. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный коммутационный элемент и указанный контроллер коммутационного элемента являются интегрированными на полупроводниковом кристалле.

17. Узел аккумуляторных батарей по п.6, в котором указанный резистивный элемент поддается регулированию для изменения его сопротивления, а значение сопротивления регулируется посредством элемента регулирования сопротивления в отношении напряжения, детектируемого указанным детектирующим напряжение элементом.

18. Узел аккумуляторных батарей по пп.1-4 или 5, в котором указанное средство для саморазряда интегрировано на полупроводниковом кристалле, а указанный полупроводниковый кристалл размещен на аккумуляторной батарее.

19. Узел аккумуляторных батарей по пп.1-4 или 5, в котором указанное средство для саморазряда интегрировано на полупроводниковом кристалле, каждая указанная аккумуляторная батарея заключена в корпус, а указанный полупроводниковый кристалл размещен в корпусе.

20. Блок аккумуляторных батарей, содержащий множество указанных узлов по пп.1-4 или 5, электрически соединенное последовательно, параллельно или в комбинации соединений последовательно и параллельно.

21. Узел блока аккумуляторных батарей, содержащий
блок аккумуляторных батарей по п.20 и
средство для саморазряда блока аккумуляторных батарей, когда напряжение через указанный блок батарей больше или равен предварительно установленному значению, причем указанное средство для саморазряда электрически соединено параллельно блоку батарей.

22. Узел блока аккумуляторных батарей, содержащий
множество аккумуляторных батарей, электрически соединенных последовательно, параллельно или в комбинации последовательного и параллельного соединения, и
средство для саморазряда блока аккумуляторных батарей, когда
напряжение через указанный блок батарей больше или равно предварительно установленному значению, причем указанное средство для саморазряда электрически соединено параллельно блоку батарей.

23. Система электропитания, содержащая
множество указанного узла по пп.1-4 или 5, электрически соединенное последовательно, параллельно или в комбинации соединений последовательно и параллельно цепи системы для зарядки множества указанных аккумуляторных батарей,
устройство для зарядки батарей в цепи системы для зарядки множества аккумуляторных батарей,
прерыватель цепи системы в цепи системы и
контроллер системы для детектирования напряжения через каждый указанный узел в цепи системы, подключенный последовательно, для выключения прерывателя цепи системы, когда детектируемое напряжение больше или равно выбранному высокому напряжению, и для выключения прерывателя цепи системы, когда детектируемое напряжение меньше или равно выбранному низкому напряжению.

24. Система электропитания, содержащая
множество указанного блока аккумуляторных батарей по п.20, электрически соединенное последовательно, параллельно или в комбинации соединений последовательно и параллельно в цепи системы для зарядки,
устройство для зарядки аккумуляторных батарей в цепи,
прерыватель цепи системы в цепи и
контроллер системы для детектирования напряжения через каждый указанный узел в цепи системы, подключенный последовательно, для выключения прерывателя цепи системы, когда детектируемое напряжение больше или равно выбранному высокому напряжению, и для выключения прерывателя цепи системы, когда детектируемое напряжение меньше или равно выбранному низкому напряжению.

25. Система электропитания, содержащая
множество указанного узла блока аккумуляторных батарей по п.21, электрически соединенное последовательно, параллельно или в комбинации соединений последовательно и параллельно в цепи системы для зарядки,
устройство для зарядки аккумуляторных батарей в цепи,
прерыватель цепи системы в цепи и
контроллер системы для детектирования напряжения через каждый указанный узел в цепи системы, подключенный последовательно, для выключения прерывателя цепи системы, когда детектируемое напряжение больше или равно выбранному высокому напряжению, и для выключения прерывателя цепи системы, когда детектируемое напряжение меньше или равно выбранному низкому напряжению.

26. Система электропитания, содержащая
множество указанного узла блока аккумуляторных батарей по п.22, электрически соединенное последовательно, параллельно или в комбинации соединений последовательно и параллельно в цепи системы для зарядки,
устройство для зарядки аккумуляторных батарей в цепи,
прерыватель цепи системы в цепи и
контроллер системы для детектирования напряжения через каждый указанный узел в цепи системы, подключенный последовательно, для выключения прерывателя цепи системы, когда детектируемое напряжение больше или равно выбранному высокому напряжению, и для выключения прерывателя цепи системы, когда детектируемое напряжение меньше или равно выбранному низкому напряжению.

27. Система электропитания по п.23, в которой прерыватель цепи системы является электромагнитным переключателем, не требующим потребления энергии будучи в замкнутом состоянии, и указанный электромагнитный переключатель выключается посредством сигнала от контроллера системы.

28. Система электропитания по п.24, в которой прерыватель цепи системы является электромагнитным переключателем, не требующим потребления энергии будучи в замкнутом состоянии, и указанный электромагнитный переключатель выключается посредством сигнала от контроллера системы.

29. Система электропитания по п.25, в которой прерыватель цепи системы является электромагнитным переключателем, не требующим потребления энергии будучи в замкнутом состоянии, и указанный электромагнитный переключатель выключается посредством сигнала от контроллера системы.

30. Система электропитания по п.26, в которой прерыватель цепи системы является электромагнитным переключателем, не требующим потребления энергии будучи в замкнутом состоянии, и указанный электромагнитный переключатель выключается посредством сигнала от контроллера системы.

31. Способ зарядки аккумуляторных батарей множества узла по пп.1-4 или 5, электрически соединенных последовательно, параллельно или в комбинации соединений последовательно и параллельно цепи, предусматривающий
обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки аккумуляторных батарей при выбранном постоянном напряжении и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

32. Способ зарядки аккумуляторных батарей множества узла по пп.1-4 или 5, электрически соединенных последовательно, параллельно или в комбинации соединений последовательно и параллельно цепи, предусматривающий
обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки множества аккумуляторных батарей при выбранном постоянном электрическом токе и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

33. Способ зарядки аккумуляторных батарей множества узла по пп.1-4 или 5, электрически соединенных последовательно, параллельно или в комбинации соединений последовательно и параллельно цепи, предусматривающий обеспечение устройства для зарядки множества аккумуляторных батарей в цепи для зарядки множества аккумуляторных батарей при выбранном электрическом токе вслед за постоянным напряжением и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

34. Способ зарядки аккумуляторных батарей системы электропитания по п.24, предусматривающий обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки аккумуляторных батарей при выбранном постоянном напряжении и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

35. Способ зарядки аккумуляторных батарей системы электропитания по п.24, предусматривающий
обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки множества аккумуляторных батарей при выбранном постоянном токе и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

36. Способ зарядки аккумуляторных батарей системы электропитания по п.24, предусматривающий обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки множества аккумуляторных батарей при выбранном постоянном токе вслед за постоянным напряжением и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

37. Способ зарядки аккумуляторных батарей системы электропитания по п.25, предусматривающий обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки аккумуляторных батарей при выбранном постоянном напряжении и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

38. Способ зарядки аккумуляторных батарей системы электропитания по п.25, предусматривающий обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки множества аккумуляторных батарей при выбранном постоянном токе и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

39. Способ зарядки аккумуляторных батарей системы электропитания по п.25, предусматривающий обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки множества аккумуляторных батарей при выбранном постоянном токе вслед за постоянным напряжением и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

40. Способ зарядки аккумуляторных батарей системы электропитания по п.26, предусматривающий обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки аккумуляторных батарей при выбранном постоянном напряжении и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

41. Способ зарядки аккумуляторных батарей системы электропитания по п.26, предусматривающий обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки множества аккумуляторных батарей при выбранном постоянном токе и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.

42. Способ зарядки аккумуляторных батарей системы электропитания по п.26, предусматривающий обеспечение устройства для зарядки аккумуляторных батарей в цепи для зарядки множества аккумуляторных батарей при выбранном постоянном токе вслед за постоянным напряжением и зарядку аккумуляторных батарей в течение периода времени, большего, чем время, требуемое электрическому току становиться меньшим или равным электрическому току, проходящему через резистивный элемент любого одного из множества узлов.