СПОСОБ ЗАРЯДА ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ИЗ n ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ С ПОДКЛЮЧЕННЫМИ К НИМ ЧЕРЕЗ КОММУТАТОРЫ БАЛАНСИРОВОЧНЫМИ РЕЗИСТОРАМИ Российский патент 2013 года по МПК H01M10/44 

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их заряда, заключающиеся в контроле напряжения аккумуляторов и ограничении заряда по максимальной величине напряжения аккумуляторов и описанные в книге А.А.Таганова, Ю.И.Бубнов, С.Б.Орлов. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. Санкт-Петербург: Химиздат, 2005 г., глава 5, 7.

Недостатком описанных способов является то, что они не решают вопроса повышения эффективности использования литий-ионной аккумуляторной батареи при длительной ее эксплуатации.

Наиболее близким техническим решением является способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов, ограничении заряда по максимальной величине напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар).

В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ. 563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения отличия в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ.

Этот способ принят за прототип заявляемого изобретения.

Недостатком известного способа заряда литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что проведение выравнивания аккумуляторов по емкости - процесс периодический и связан с достижением заранее установленной величины разбаланса по напряжению, что снижает эффективность использования литий-ионной аккумуляторной батареи.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования и упрощение эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.

Поставленная задача решается тем, что при проведении заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами, с контролем напряжения аккумуляторов и ограничением заряда по достижению напряжения любого из аккумуляторов заданного максимального значения, при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением, а к остальным аккумуляторам подключают балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора и пропорциональное величине его разбаланса по напряжению относительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением. Кроме того, время подключения балансировочного резистора к каждому аккумулятору ограничивают моментом уравнивания текущей величины его напряжения текущей величине напряжения предварительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением, но не более времени включения заряда, или время Т_i подключения резистора к каждому аккумулятору рассчитывают исходя из соотношения:

Т_i=(1-U_min/U_i)·k·R, где

U_min - наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, В;

U_i - напряжение i-того аккумулятора из числа оставшихся, В;

k - коэффициент пересчета разницы напряжений аккумуляторов в емкость разбаланса, А·ч/В;

R - сопротивление балансировочных резисторов, Ом.

Действительно, если аккумуляторы имеют разную степень заряженности, то при заряде аккумуляторной батареи они должны получать энергию, обратно пропорциональную своей степени заряженности по отношению к наименее заряженному аккумулятору. При наличии в составе аккумуляторной батареи балансировочных резисторов задача регламентирования поступающей на заряде аккумуляторной батареи энергии в конкретный аккумулятор решается с помощью них. По сути, это отбор энергии (в процессе заряда), равной имеющемуся избытку ее над наименее заряженным аккумулятором.

Для реализации этой задачи можно в процессе заряда аккумуляторной батареи проводить сравнение напряжения балансируемых аккумуляторов с текущим напряжением наименее заряженного аккумулятора и прекращать разряд (отключать балансировочный резистор) от конкретного аккумулятора при уравнивании текущей величины его напряжения текущей величине напряжения предварительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением (наименее заряженного аккумулятора). При этом следует учесть заданную величину существенности (это в основном погрешность измерения) и длительность времени включения заряда. Если длительности времени включения заряда недостаточно для устранения существующего разбаланса, то его полное устранение будет осуществлено на последующих зарядах аккумуляторной батареи.

Можно рассчитать разницу в текущей емкости между аккумулятором с наименьшим текущим напряжением и любым другим, пользуясь простым соотношением: (U_i-U_min)·k, А·ч. Если разделить эту емкость на ток разряда аккумулятора на балансировочный резистор (U_i/R), то получим время, необходимое для устранения разбаланса данного аккумулятора по отношению к аккумулятору с наименьшим текущим напряжением. После несложных преобразований получаем: Т_i=(1-U_min/U_i)·k·R. Рассчитав Т_i для каждого аккумулятора, можно проводить заряд аккумуляторной батареи с отключением соответствующих балансировочных резисторов по истечении соответствующего расчетного времени. При наличии в системе контроля микропроцессора, данная задача решается обычными программными средствами.

Рассмотрим конкретный пример для литий-ионной аккумуляторной батареи номинальной емкостью 50 А·ч. Известно, что литий-ионные аккумуляторы эксплуатируются, в основном, в диапазоне напряжений от 2,7 В до 4,1 В. Коэффициент пересчета разницы напряжений аккумуляторов в емкость разбаланса для данного аккумулятора составит примерно 36 А·ч/В. Примем величину сопротивления балансировочного резистора равным: R=15 Ом. Пусть наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее составит: U_min=3 В, а напряжение i-того аккумулятора из числа оставшихся - U_i=3,025 В (на 25 мВ больше, по аналогии прототипу изобретения), тогда: Т_i=(1-3/3,025)·36·15=4,46 часа. При токе заряда аккумуляторной батареи 5А (время полного заряда примерно 10 часов) полученная величина времени вписывается в процесс заряда. Реально, при постоянной работе балансировочных резисторов в процессе заряда аккумуляторной батареи, разбалансировка аккумуляторов по емкости будет находиться на грани величины существенности, что обеспечит максимальную эффективность использования аккумуляторной батареи.

На чертеже, фиг.1, приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ поясняющая работу по предлагаемому способу.

Устройство содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3.

При этом, нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторов 7 (в частности, напряжения аккумуляторов) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.

Аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 4-1, параллельно которым подключены балансировочные резисторы 4-2 через замыкающиеся контакты 4-3 реле в блоке реле 4-4.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 15, транзисторах 16 и выпрямителя на диодах 17.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра - конденсатор 18 и выходного фильтра на диоде 19, дросселе 20 и конденсаторе 21.

Схемы управления (10 - зарядного преобразователя 5, 12 - разрядного преобразователя 6 и 14 - преобразователя напряжения 3) выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с измерительным шунтом 8 и нагрузкой 2, в качестве обратных связей по величине зарядного тока и напряжения нагрузки соответственно.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности для прохождения теневых участков орбиты или на случай потери ориентации солнечной батареи ИСЗ на Солнце.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.

При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.

Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует напряжение аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ), в которой реализуются следующие технологические операции.

1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов 4-1, оценивается текущая емкость аккумуляторов и разница в текущей емкости (напряжениях) аккумуляторов относительно аккумулятора имеющего наименьшее напряжение. Рассчитываются, при необходимости, периоды времени, необходимые для устранения разбалансов путем разряда аккумуляторов на балансировочные резисторы 4-2.

2. При включении заряда аккумуляторной батареи к аккумуляторам 4-1 с напряжением, превышающим наименьшее напряжение, подключаются балансировочные резисторы 4-2 (посредством замыкания соответствующих контактов 4-3 реле блока реле 4-4). После достижения напряжения балансируемого аккумулятора величины текущего значения напряжения аккумулятора, имеющего наименьшее значение напряжения, или по истечении расчетного времени формируется команда на отключение соответствующего балансировочного резистора 4-2 посредством размыкания соответствующего контакта 4-3 реле блока реле 4-4. Управление блоком реле 4-4 реализуется, по программе в бортовой ЭВМ, через устройство контроля аккумуляторов 7.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность использования и упростить эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи, в частности, при эксплуатации ее в автономных системах электропитания ИСЗ.

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат заключается в повышении эффективности использования и упрощении эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи. Предлагается способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов и отключении заряда по достижению напряжения любого из аккумуляторов заданного максимального значения. Поставленная задача решается тем, что при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением, а к остальным аккумуляторам подключают балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора и пропорциональное величине его разбаланса по напряжению относительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением. Кроме того, время подключения балансировочного резистора к каждому аккумулятору ограничивают моментом уравнивания текущей величины его напряжения текущей величине напряжения предварительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением, но не более времени включения заряда, или время Тi подключения резистора к каждому аккумулятору рассчитывают исходя из соотношения: T_i=(1-U_min/U_i)·k·R, где U_min - наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, В; U_i - напряжение i-того аккумулятора из числа оставшихся, В; k - коэффициент пересчета разницы напряжений аккумуляторов в емкость разбаланса, А·ч/В; R - сопротивление балансировочных резисторов, Ом. Суть предлагаемого решения поясняется чертежом (фиг.1), где приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, поясняющая работу по предлагаемому способу. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов и отключении заряда по достижении напряжением любого из аккумуляторов заданного максимального значения, отличающийся тем, что при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением, а к остальным аккумуляторам подключают балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора и пропорциональное величине его разбаланса по напряжению относительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением.

2. Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи по п.1, отличающийся тем, что время подключения балансировочного резистора к каждому аккумулятору ограничивают моментом уравнивания текущей величины его напряжения с текущей величиной напряжения предварительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением, но не более времени включения заряда.

3. Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи по п.1, отличающийся тем, что время T_i подключения резистора к каждому аккумулятору рассчитывают исходя из соотношения
T_i=(1-U_min/U_i)·k·R,
где U_min - наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, В;
U_i - напряжение i-го аккумулятора из числа оставшихся, В;
k - коэффициент пересчета разницы напряжений аккумуляторов в емкость разбаланса, А·ч/В;
R - сопротивление балансировочных резисторов, Ом.