СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01R31/36 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для контроля состояния широкого класса аккумуляторных батарей, состоящих из n последовательно включенных элементов, и в первую очередь Li-ion аккумуляторов, применяемых в системах автономного электроснабжения на транспортных средствах, характерной особенность которых является необходимость минимизации их массогабаритных показателей.

Особенность применения Li-ion аккумулятора сводится к тому, что [1, 2, 3]:

1. Разряд Li-ion аккумулятора ниже 3 B (примерно до 2.2 B) (данный порог варьируется в пределах 0,5 B в зависимости от химического состава и геометрической формы аккумулятора) приводит к необратимым химическим процессам внутри аккумулятора, что делает его непригодным для дальнейшего использования. При разряде Li-ion аккумулятора нужно контролировать его напряжение и силу тока в цепи.

2. Li-ion аккумуляторы имеют низкую устойчивость к перезаряду. На отрицательном электроде на поверхности углеродной матрицы при значительном перезаряде становится возможным осаждение металлического лития, обладающего большой реакционной способностью к электролиту, а на катоде начинается активное выделение кислорода. Возникает угроза теплового разгона, повышения давления и разгерметизации. Поэтому заряд Li-ion аккумуляторов можно вести только до напряжения, рекомендуемого производителем. При увеличенном зарядном напряжении ресурс аккумуляторов снижается.

3. Работа аккумулятора на токах, отличающихся от нормального режима, заданном в документации производителем аккумуляторов и превышающих его емкость, возможна в кратковременных режимах. При коротком замыкании в литий-ионном аккумуляторе возникает бурная реакция взрывного типа, получившая название "вентиляция с выбросом пламени".

Для внутренней защиты Li-ion аккумулятора используют дополнительно введенный в аккумулятор слой сепаратора. В этом случае при коротком замыкании из-за прорастания дендритов лития к положительному электроду за счет локального разогрева слой сепаратора подплавляется и становится непроницаемым, предотвращая дальнейшее прорастание дендритов.

Однако для повышения безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов в составе батареи обязательно применяется также и внешняя электронная защита, цель которой не допустить возможность перезаряда и переразряда каждого аккумулятора, от внутренних коротких замыканий (а в отдельных случаях - и от внешних коротких замыканий) и чрезмерного разогрева.

Известен способ для контроля напряжения гальванически связанных аккумуляторов (Вайлов A.M., Эйгель Ф.И. Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей. М.: Связь. - 1975. - С.25-28, рис.3.1 и 3.2), сводящийся к обработке информации результатов контроля на выходных зажимах подключения контролируемых аккумуляторов.

Недостатком устройства по данному способу является то, что оно контролирует суммарное напряжение батареи аккумуляторов и не контролирует состояние последовательно включенных n элементов аккумуляторной батареи.

Известно устройство автоматического контроля-технического состояния элементов аккумуляторной батареи (Патент РФ №2131158, кл. H01M 10/48, G01R 31/36, 1999), содержащее блок управления, на один из выходов которого подключен блок коммутации, блок для определения остаточной емкости аккумуляторной батареи в режиме импульсного разряда, зарядное устройство, блок сравнения, блок эталонной кривой, индикатор и измеритель внутреннего сопротивления, причем на другие выходы блока управления подключены зарядное устройство и индикатор, на вход блока управления подключен блок сравнения, входы которого соединены с выходами блока эталонной кривой и измерителя внутреннего сопротивления, входы которых через блок коммутации подключаются к испытываемому элементу аккумуляторной батареи.

Недостатком известного устройства при последовательном включении n элементов аккумуляторной батареи является сложность устройства контроля, которая приводит к завышенным массогабаритным показателям (необходимо организовать для n каналов передачи информации с n точек контроля гальванически связанных аккумуляторов коммутацию) устройства контроля и, следовательно, всей системы электроснабжения транспортных средств на базе гальванически связанных аккумуляторов. Кроме этого, как известно, надежность устройства контроля должна быть больше, чем надежность контролируемого объекта, в связи с чем сложность устройства контроля приводит также к низкой достоверности результатов контроля из-за отсутствия самоконтроля самого устройства контроля. Причем коммутация точек контроля гальванически связанных аккумуляторов разносит их контроль во времени, что исключает одновременный доступ к любому аккумулятору для контроля в произвольный момент времени, т.е. создает задержку обнаружения отказа конкретного аккумулятора и повышает вероятность развития процесса "вентиляции с выбросом пламени".

Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) является способ для контроля напряжения гальванически связанных аккумуляторов (А.Рыкованов. Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей / Источники питания. Силовая Электроника, №1, 2009. Рис.2, 4 // www.power-e.ru), сводящийся к обработке информации результатов контроля в n+1 выходных зажимах подключения контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках.

Недостатком устройства по данному способу при последовательном включении n элементов аккумуляторной батареи является сложность устройства контроля, которая приводит к завышенным массогабаритным показателям (необходимо организовать n каналов передачи информации с n точек контроля гальванически связанных аккумуляторов (в общем случае)), а также к низкой достоверности результатов контроля из-за отсутствия самоконтроля самого устройства контроля.

Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) является устройство для контроля напряжения гальванически связанных аккумуляторов (авторское свидетельство SU №729700, кл. H01M 10/48, 1977 г.), содержащее n+1 выходных зажимов для подключения контролируемых аккумуляторов, измерительный коммутатор, блок управления коммутатором, источник эталонного напряжения и орган обработки результатов измерения.

Недостатком прототипа, как и аналога, является сложность устройства контроля, которая приводит к завышенным массогабаритным показателям (необходимо организовать для n каналов передачи информации с n точек контроля гальванически связанных аккумуляторов коммутацию) устройства контроля и, следовательно, всей системы электроснабжения транспортных средств на базе гальванически связанных аккумуляторов. Кроме этого, как известно, надежность устройства контроля должна быть больше, чем надежность контролируемого объекта, в связи с чем сложность устройства контроля приводит также к низкой достоверности результатов контроля из-за отсутствия самоконтроля самого устройства контроля. Причем коммутация точек контроля гальванически связанных аккумуляторов разносит их контроль во времени, что исключает одновременный доступ к любому аккумулятору для контроля в произвольный момент времени, т.е. создает задержку обнаружения отказа конкретного аккумулятора и повышает вероятность развития процесса "вентиляции с выбросом пламени".

Технической задачей является автоматизация процесса определения технического состояния как аккумулятора батареи в целом, так и ее элементов, осуществление поэлементного контроля работоспособного состояния во всем диапазоне режимов работы системы автономного электроснабжения.

Обобщая проведенный выше анализ особенностей функционирования Li-ion аккумуляторной батареи, можно отметить, что при организации процесса контроля состояния Li-ion аккумуляторной батареи должен быть использован принцип параллельного контроля, сводящийся к тому, что любой аккумулятор батареи должен быть доступен для контроля как короткого замыкания, так и превышения в нем тока в произвольный момент времени. В связи с этим особенностью данного решения является то, что при передаче информации о работоспособности гальванически связанных аккумуляторов, полученной в точках их контроля, необходимо использовать параллельный принцип организации процесса контроля, при котором структурно аккумуляторная батарея состоит из пронумерованных аккумуляторов, а процессу контроля в произвольный момент времени доступен любой аккумулятор батареи.

Для решения данной задачи в способе автоматического контроля технического состояния элементов последовательной аккумуляторной батареи, сводящемся к обработке информации результатов контроля в n+1 выходных зажимах подключения контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках, нумеруют последовательно контрольные точки, масштабируют токи от каждого элемента аккумуляторной батареи с коэффициентом масштабирования от каждой контрольной точки пропорционально номеру аккумулятора i, вычисляют предельное значение напряжение U_Σпр, соответствующее случаю, когда исправны все элементы контролируемой аккумуляторной батареи

,

масштабированные токи от каждой контрольной точки суммируют в точке суммирования и передают через канал связи в орган обработки информации, где преобразуют суммарный ток в пропорциональное напряжение U_Σ и вычитают данное напряжение из предельного значения напряжения U_Σпр, а по величине результирующего напряжения U_Σпр-U_Σ идентифицируют номер элемента в аккумуляторной батарее, в котором возникло короткое замыкание, по выражению

,

где , E - напряжение аккумуляторов в батарее, R - величина элемента масштабирования (резистора).

Устройство автоматического контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи, содержащее n+1 выходных зажимов для подключения контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках и орган обработки информации, вход которого подключен к выходу канала связи, кроме этого в устройство дополнительно введены блок суммирования токов с коэффициентом масштабирования по каждому входу обратно пропорциональным номеру этого входа, причем i-й вход блока суммирования токов подключен к i-й точке контроля технического состояния соответствующих элементов аккумуляторной батареи, а выход блока суммирования токов соединен с входом канала связи, орган обработки информации, содержит блок преобразования тока в напряжение, аналоговый и цифровой вычитатели, задатчик напряжения и аналого-цифровой преобразователь, причем вход органа обработки информации соединен с входом блока преобразования тока в напряжение, выход которого соединен с первым входом аналогового вычитателя, ко второму входу которого подключен задатчик напряжения, к информационным входам которого подключены входы задания предельного значения напряжения, а выход аналогового вычитателя к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первым входам цифрового вычитателя, вторые входы которого соединены с входами задания общего количества элементов в аккумуляторной батарее, а выход к выходу органа обработки информации, являющемуся выходом устройства.

В устройстве автоматического контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи блок суммирования токов состоит из n равных резисторов, первый конец i-го резистора подключен к i-му входу блока суммирования токов, а вторые концы всех резисторов блока суммирования токов объединены и подключены к его выходу.

На чертеже представлена принципиальная блок-схема устройства.

Устройство содержит контролируемую аккумуляторную батарею (АБ) с n+1 выходных зажимов для подключения n контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках, блок суммирования токов 1, канал связи 2, орган обработки информации 3. Орган обработки информации 3 в свою очередь включает блок преобразования тока в напряжение 4, аналоговый вычитатель 5, задатчик напряжения 6, аналого-цифровой преобразователь 7 и цифровой вычитатель 8.

Входы блока суммирования токов 1 подключены к точкам контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи (АБ), а выход к входу канала связи 2. Выход канала связи 2 подключен к входу органа обработки информации 3. В органе обработки информации 3 его вход соединен с входом блока преобразования тока в напряжение 4. Выход блока преобразования тока в напряжение 4 соединен с первым входом аналогового вычитателя 5, ко второму входу которого подключен задатчик напряжения 6, к информационным входам которого подключены входы задания предельного значения напряжения, а выход аналогового вычитателя 5 к входу аналого-цифрового преобразователя 7. Выходы аналого-цифрового преобразователя 7 подключены к первым входам цифрового вычитателя 8, вторые входы которого соединены с входами задания количества элементов в АБ n, а выход подключен к выходу органа обработки информации 3, являющемуся выходом устройства автоматического контроля технического состояния элементов АБ.

Блок преобразования тока в напряжение 4 может быть совмещен с операцией суммирования, которая осуществляется в точке суммирования S₁ для токов от точек контроля элементов аккумуляторной батареи, и при включении точки суммирования S₁ в точку суммирования S₂ схемы на операционном усилителе реализуется сумматор в виде, приведенном на чертеже.

Предложенное устройство работает следующим образом. При автоматическом контроле технического состояния элементов аккумуляторной батареи (АБ) через n+1 выходных зажима подключены контролируемые аккумуляторы к n контрольным точкам. В начальном состоянии нумеруют последовательно контрольные точки и вычисляют предельное значение напряжение U_Σпр, соответствующее случаю, когда исправны все аккумуляторы контролируемой батареи

и при коэффициенте преобразования 1 Ом пропорциональное сумме токов от каждой точке контроля 1 Ом и устанавливают его в задатчике напряжения 6.

В рабочем состоянии в блоке суммирования 1 для каждой контрольной точки аккумуляторной батареи АБ определяются токи I_i пропорционально номеру i аккумулятора A

где i - порядковый номер контролируемого аккумулятора, E - напряжение аккумуляторов в батарее, a I₁ - ток от первой контрольной точки.

В точке суммирования S₁ суммируются токи от аккумуляторов A₁, А₂, …, A_n

Суммарный ток I_Σ по однопроводному каналу связи 2 передают в орган обработки информации 3. В органе обработки информации 3 суммарный ток I_Σ в блоке преобразования тока в напряжение 4 преобразуют в пропорциональное напряжение U_Σ. Например, при коэффициенте преобразования тока в напряжение 1 Ом напряжение, пропорциональное сумме токов на выходе блока преобразования тока в напряжение 4 от каждой точки контроля

Напряжение U_Σ поступает на второй вход вычитателя 5, на первый вход которого поступает напряжение с выхода задатчика напряжения 6, равное предельному значению напряжения U_Σпр. Причем согласно [4] получаем

где n - количество элементов в аккумуляторной батарее.

Данное выражение может быть использовано для расчета напряжения, которое задается в задатчике напряжения 6 или вычисляется в нем. В последнем случае на задатчик 6 подается n.

Напряжение на выходе вычитателя 5 равно разности напряжений на его входах

1, если аккумулятор не закорочен;

0, если аккумулятор закорочен.

В случае если все контролируемые аккумуляторы исправны и имеют одинаковые ЭДС, то , и эта разность равна

что соответствует 100% исправности.

В случае технически неисправного аккумулятора, если произошло "короткое замыкание" в k-м аккумуляторе, то разность

По величине результирующего напряжения ΔU_Σ при условии, что шаг квантования аналого-цифрового преобразователя 7 равен ΔU, аналого-цифровой преобразователь 7 идентифицирует величину n-k, а на выходе цифрового вычитателя 8 определяется номер k аккумулятора в батарее, в котором возникло короткое замыкание. Таким образом, в устройстве по однопроводному каналу связи поступает информация о наличии неисправного элемента в аккумуляторной батарее и его номере. При этом осуществляется контроль состояния АБ через поэлементный контроль аккумуляторов A, что позволяет поддержать аккумуляторные батареи в готовности к применению при работе системы автономного электроснабжения. Причем любой аккумулятор батареи доступен для контроля в любой момент времени. Предложенный способ контроля состояния батареи Li-ion аккумуляторов может быть использован и для контроля состояния других типов аккумуляторных батарей. При получении информации о неисправном аккумуляторе на выходе устройства формируется номер отказавшего аккумулятора для принятия решения об устранении аварийной ситуации.

В заключение, следует отметить, что предложенный способ имеет ограничение в случае одновременного "короткого замыкания" в двух и более аккумуляторах. Однако данное событие имеет существенно меньшую вероятность, чем вероятность "короткого замыкания" одного аккумулятора в батарее, в связи с чем данное ограничение не является критичным для применения данного способа.

Источники информации

1. Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. СПб.: Химиздат. - 2005. - 262 с.

2. Скундин А.М. Литий-ионные аккумуляторы: современное состояние, проблемы и перспективы // Электрохимическая энергетика. - 2001. Т.1. С.5-15.

3. Кедринский И.А., Дмитриенко В.Е., Грудянов И.И. Литиевые источники тока. М.: Энергоиздат. - 1992. - 247 с.

4. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Государственное изд-во физико-математической литературы. - 1963. - С.15. Формула 121.1.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для контроля состояния аккумуляторных источников питания как отдельных аккумуляторов, так и батарей, состоящих из n последовательно включенных элементов. Сущность: нумеруют последовательно контрольные точки. Масштабируют токи от каждого элемента аккумуляторной батареи с коэффициентом масштабирования от каждой контрольной точки пропорционально номеру контрольной точки i. Вычисляют предельное значение напряжение U_∑пр, соответствующее случаю, когда исправны все элементы контролируемой аккумуляторной батареи Токи от каждой контрольной точки суммируют в точке суммирования и передают через канал связи в орган обработки информации, где преобразуют суммарный ток в пропорциональное напряжение U_∑ и вычитают данное напряжение из предельного значения напряжения U_∑пр. По величине результирующего напряжения U_∑пр-U_∑ определяют номер элемента в аккумуляторной батарее, в котором возникло короткое замыкание. Технический результат - автоматизация процесса, осуществление поэлементного контроля во всем диапазоне режимов работы. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ автоматического контроля технического состояния элементов последовательной аккумуляторной батареи, включающий обработку информации результатов контроля в n+1 выходных зажимах подключения контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках, отличающийся тем, что нумеруют последовательно контрольные точки, масштабируют токи от каждого элемента аккумуляторной батареи с коэффициентом масштабирования от каждой контрольной точки пропорционально номеру контрольной точки i, вычисляют предельное значение напряжение U_∑пр, соответствующее случаю, когда исправны все элементы контролируемой аккумуляторной батареи
,
токи от каждой контрольной точки суммируют в точке суммирования и передают через канал связи в орган обработки информации, где преобразуют суммарный ток в пропорциональное напряжение U_∑ и вычитают данное напряжение из предельного значения напряжения U_∑пр, a по величине результирующего напряжения U_∑пр-U_∑ определяют номер элемента в аккумуляторной батарее, в котором возникло короткое замыкание по выражению

где Е - напряжение аккумуляторов в батареи, R - величина элемента масштабирования (резистора).

2. Устройство автоматического контроля технического состояния элементов последовательной аккумуляторной батареи, содержащее n+1 выходных зажимов для подключения контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках и орган обработки информации, вход которого подключен к выходу канала связи, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены блок суммирования токов с коэффициентом масштабирования по каждому входу, пропорциональным номеру этого входа, причем i-й вход блока суммирования токов подключен к i-й точке контроля технического состояния соответствующих элементов аккумуляторной батареи, а выход блока суммирования токов соединен с входом канала связи, орган обработки информации содержит блок преобразования тока в напряжение, аналоговый и цифровой вычитатели, задатчик напряжения и аналого-цифровой преобразователь, причем вход органа обработки информации соединен с входом блока преобразования тока в напряжение, выход которого соединен с первым входом аналогового вычитателя, ко второму входу которого подключен задатчик напряжения, к информационным входам которого подключены входы задания предельного значения напряжения, а выход аналогового вычитателя к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первым входам цифрового вычитателя, вторые входы которого соединены с входами задания общего количества элементов в аккумуляторной батарее, а выход к выходу органа обработки информации, являющемуся выходом устройства.

3. Устройство автоматического контроля технического состояния элементов последовательной аккумуляторной батареи по п.2, отличающееся тем, что блок суммирования токов состоит из n равных резисторов, первый конец i-ого резистора подключен к i-ому входу блока суммирования токов, а вторые концы всех резисторов блока суммирования токов объединены и подключены к его выходу.