БАТАРЕЙНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2013 года по МПК H02J7/00 H02J7/10 

Изобретение относится к электротехнике, а именно: к батарейным системам с последовательным соединением аккумуляторов, содержащим устройства контроля заряда и разряда этих батарей. Величина емкости аккумуляторов последовательной батареи имеет разброс еще на стадии изготовления, и во время эксплуатации этот разброс увеличивается. Процесс окончания заряда и разряда определяется по аккумулятору батареи, имеющего минимальную емкость заряда, что ведет к недоиспользованию остальных аккумуляторов батареи и к снижению эквивалентной емкости всей батареи. Задача решается путем корректировки заряда отдельных аккумуляторов в процессе заряда и разряда батарей. Для батарей с малой емкостью используются балластные резисторы, которые при подключении их устройством контроля заряда к элементам батареи, могут уменьшать ток заряда, протекающий через аккумулятор с минимальной емкостью заряда с целью исключения его перезаряда [1]. Такая батарейная система имеет большие потери мощности в балластных резисторах и поэтому имеет ограниченное применение, преимущественно в маломощных устройствах. Более низкие потери мощности имеет устройство балансировки заряда элементов батареи с применением дросселей с последовательным транзисторным ключом вместо балластных резисторов [2], [3]. При подаче на ключ высокочастотных импульсов напряжения устройство выводит избыточный заряд элемента батареи через обратный диод транзистора соседнего ключа в соседний аккумулятор. Устройство также имеет заметные потери энергии, связанные с потерями в дросселе и диоде. Большие потери мощности возникают при необходимости передачи энергии не в соседний, а в максимально удаленный элемент батареи. Ток выравнивания будет многократно преобразовываться с помощью дросселей устройства выравнивания и последовательно протекать по всем обратным диодам пока не достигнет удаленного элемента батареи. В этом случае активные потери схемы выравнивания заряда становятся максимальными.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является батарейная система [4], содержащая два или более аккумуляторов, соединенных последовательно. Каждый аккумулятор имеет выводы, через которые можно заряжать и разряжать аккумулятор, управляемый источник тока заряда, подключенный к плюсу и минусу батареи, модули выравнивания на основе транзисторных DC-DC преобразователей напряжения и датчики напряжения, подключенные к выводам каждого аккумулятора батареи, обмотки общего выравнивающего трансформатора, подключенные к модулям выравнивания, устройство управления зарядом, подключенное к управляемому источнику тока заряда, к модулям выравнивания и датчикам напряжения.

Использование трансформатора позволяет при таком построении адресно дозаряжать или доразряжать отдельные аккумуляторы, что снижает потери энергии в процессе выравнивания напряжения элементов батареи. Однако и в этом случае потери энергии при дозаряде отдельного элемента батареи остаются высокими. Рассмотрим случай, когда высоковольтный DC-DC преобразователь, подключенный на полное напряжение батареи, передает энергию в один из элементов батареи. Транзисторный преобразователь модуля выравнивания, подключенный к этому элементу батареи, работает в режиме мостового выпрямителя импульсов трансформатора, в качестве диодов выпрямителя используются обратные диоды транзисторов преобразователя. Если принять типовое падение на двух диодах мостового выпрямителя 1,4 B, а среднее напряжение элемента батареи литий-ионного аккумулятора 3,2 B, получим КПД такого дозаряда:

$$\text{K}=\text{Ua/}\left(\text{Ua}+\text{Ud}\right)=\text{3}\text{,2/}\left(\text{3}\text{,2}+\text{1}\text{,4}\right)=\text{0}\text{,69}\text{,}\left(\text{1}\right)$$

где: Ua - напряжение элемента батареи, Ud - падение напряжения на двух диодах мостового выпрямителя.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение энергии потерь при выпрямлении тока заряда и упрощение устройства за счет исключения части устройств из батарейной системы.

Поставленная задача решается тем, что батарейная система, включающая два и более аккумуляторов, соединенных последовательно и составляющих батарею, каждый аккумулятор имеет выводы, через которые можно заряжать и разряжать аккумулятор, управляемый источник тока заряда, подключенный к плюсу и минусу батареи, модули выравнивания на основе транзисторных DC-DC преобразователей напряжения и датчики напряжения подключены к выводам каждого аккумулятора батареи, обмотки выравнивающего трансформатора подключенные к модулям выравнивания, схему управления зарядом, выходы датчиков напряжений подключены к схеме управления зарядом, выходы устройства управления зарядом подключены к управляемому источнику тока заряда и к модулям выравнивания, отличающееся тем, что модули выравнивания выполнены на транзисторах, имеющих во включенном состоянии высокую двухстороннюю проводимость и способные работать в режиме синхронного детектирования напряжения обмоток выравнивающего трансформатора, причем каждый выравнивающий модуль может работать в режиме передачи энергии от выравнивающего трансформатора в подключенный параллельно ему аккумулятор, если напряжение данного аккумулятора меньше среднего значения напряжения остальных аккумуляторов батареи, а также в режиме передачи энергии через трансформатор остальным аккумуляторам от данного аккумулятора, если напряжение данного аккумулятора больше среднего значения напряжения остальных аккумуляторов батареи.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является:

- использование в модулях выравнивания полупроводниковых ключей на полевых транзисторах, обладающих двухсторонней проводимостью и малым сопротивлением канала во включенном состоянии, позволяет снизить потери мощности при дозаряде аккумулятора.

- применение специальной конструкции трансформатора с нормированной и максимальной магнитной связью между обмотками, позволяет исключить обмотку трансформатора и DC-DC преобразователь известного решения, подключенный к полному напряжению батареи.

Сущность изобретения поясняется чертежами и рисунками, на которых изображено:

На фиг.1 - общая блок-схема батарейной системы;

На фиг.2 - осциллограммы, показывающие работу DC преобразователей в режиме синхронного детектирования и в режиме передачи мощности;

На фиг.3 - фотография трансформатора с нормированной магнитной связью между обмотками;

На фиг.4а, б - фотографии экрана устройства управления зарядом.

Заявленная батарейная система состоит (фиг.1) из соединенных последовательно аккумуляторов (для примера 4-х элементов батареи) 1…4, выводов аккумуляторов 5…9, управляемого источника тока заряда 10, подключенного к плюсу и минусу батареи, одинаковых модулей выравнивания 11…14, подключенных к выводам каждого элемента батареи. В качестве активных элементов модулей выравнивания использованы полевые транзисторы с двухсторонней проводимостью 15, 16, одинаковые обмотки 17…20 общего трансформатора подключены к модулям выравнивания. Датчики напряжения 21…24 подключены параллельно каждому элементу батареи и к устройству управления зарядом 25.

Устройство управления зарядом 25 подключено к модулям выравнивания 11…14 и к источнику тока заряда 10.

Батарейная система работает следующим образом:

Допустим, аккумулятор 4 имеет напряжение заряда больше, чем аккумулятор 1. При подаче от устройства управления на входы транзисторов 15, 16 модуля выравнивания 11 противофазных импульсов управления прямоугольной формы и синхронно таких же импульсов на входы модулей выравнивания 12…14 на выводе обмотки 20 обозначенной звездочкой (*) относительно вывода 9 появится прямоугольное напряжение, приведенное на фиг.2 эпюра 1. При равных количествах витков во всех обмотках и хорошей магнитной связи между ними точно такое же напряжение появится на выводе (*) обмотки 17 относительно вывода 6. Так как напряжение аккумулятора 1 между выводами 5 и 6 по определению меньше, чем напряжение аккумулятора 4, то напряжение стока транзистора 15 и точки (*) 17 трансформатора станет отрицательным (эпюра 2, фиг.2). При включенном транзисторе 15 в его истоке потечет отрицательный ток (эпюра 3, фиг.2). Средний ток транзисторов 15, 16 втекает через обмотку трансформатора 17 в вывод 5 аккумулятора, т.е. происходит его заряд. Таким образом, происходит передача энергии от заряженного аккумулятора 4 в разряженный аккумулятор 1. В технике режим работы модуля 11 называется режимом синхронного детектирования и в данном случае режим обеспечивается специальным алгоритмом работы устройства управления заряда 25. По сравнению с обычным режимом детектирования используемого в известном устройстве синхронный детектор имеет меньшие потери энергии. Современные полевые транзисторы имеют сопротивление открытого канала транзистора 1-3 мОм и при протекании через транзистор обратного тока даже в несколько ампер падение на транзисторе составит десятки милливольт. При падении на транзисторе напряжения, к примеру, 50 мВ коэффициент полезного действия по формуле (1):

K=3,2/(3,2+0,1)=0,97

на 28% выше, чем у известной схемы.

Упрощение батарейной системы происходит по причине появления возможности прямого обмена зарядами между любыми элементами батарей за счет малого падения мощности на транзисторах и высокой нормированной магнитной связью между обмотками трансформатора с равными числами витков обмоток. Благодаря этому между модулями выравнивания образуется канал связи со стабильным коэффициентом передачи и малым внутренним сопротивлением. Малое внутреннее сопротивление между каналами модулей выравнивания обеспечивает повышенный ток выравнивания между модулями выравнивания при небольших отклонениях напряжения между аккумуляторами батареи. В этом случае DC-DC преобразователь напряжения известного устройства, подключенный к суммарному напряжению батареи и рассчитанный на заряд отдельных аккумуляторов через канал с высокими потерями, не требуется. Исключаемый преобразователь является самым нагруженным элементом схемы известного устройства, так как через него проходит вся энергия дозаряда и доразряда элементов батареи.

Стабильные характеристики коэффициента передачи между модулями выравнивания обеспечиваются при использовании специальной конструкции трансформатора с высокой нормированной магнитной связью между обмотками. На фиг.3 показана фотография трансформатора с высокой нормированной связью между обмотками, рассчитанного на работу с батареей из 12 аккумуляторов.

Использование изобретения позволило за счет высокого КПД повысить передаваемую мощность от элемента к элементу батареи в несколько раз по сравнению с известными устройствами. Устройство применено для выравнивания тяговых литий-ионных батарей емкостью 90 А·ч при 12 элементах в каждой батарее. На фиг.4а показан экран устройства управления зарядом до включения сигналов управления на модули выравнивания. Элементы батарей имеют заметные отклонения от среднего уровня.

На фиг.4б показан тот же экран после включения сигналов управления на модули выравнивания. Можно видеть снижение разброса напряжений на элементах батарей относительно среднего уровня, что говорит о хорошем выравнивании напряжения, а, следовательно, и зарядов всех элементов батареи.

Дополнительное преимущество предлагаемого устройства заключается в том, что для работы модулей выравнивания не требуется информация о номере элемента с отклонением напряжения заряда. Достаточно подать сигнал управления на все модули выравнивания. Такое построение повышает надежность работы устройства.

В итоге использование изобретения позволило в несколько раз сократить время, необходимое для выравнивания напряжения батарей, а, следовательно, и время полного заряда батарей при их эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Балансировочное устройство для заряда Аккумуляторов LiPo. Томас Шерер, инженер, Elektor. Журнал «Электронные компоненты» №5, 2012 г. стр.92

2. Электронный журнал «Радиолоцман» 08-10-2009. Выравнивание заряда батарей обеспечивает долгое время работы и продлевает срок службы. Сихуа Уэн (Sihua Wen), инженер по применению аккумуляторных батарей, Texas Instruments. http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=59991

3. Autonomous balancing of series connected charge storage deviced. Patent Application Publication, No.: US 2010/0109608 A1, Date: May 6, 2010

4. Публикация №US 2011/0210701 A1 опубликованы на 01-сентября-2011

Заявка №13/16118 US, подали на 28-Jan-2011 (Источник: USPTO)

Изобретатель

Накамура, Йошихиро

Сайтама-кен, JP

Приоритет

JP 2010-4198126-фев-2010

Классификации

Международные (2006,01): H02J 7/04; H02J 7/00

На национальном уровне: 320/118; 320/116

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в народном хозяйстве для питания автономных объектов от батарейной системы, состоящей из последовательного соединения аккумуляторов (элементов). Технический результат заключается в снижении энергии потерь при выпрямлении тока заряда и упрощении устройства за счет исключения части устройств из батарейной системы. Для этого заявленное устройство содержит два и более аккумуляторов, соединенных последовательно и составляющих батарею, каждый имеет выводы, через которые можно заряжать и разряжать аккумулятор, управляемый источник тока заряда, подключенный к плюсу и минусу батареи, модули выравнивания на основе транзисторов DC-DC преобразователей напряжения и датчики напряжения подключены к выводам каждого аккумулятора батареи, обмотки выравнивающего трансформатора, подключенные к модулям выравнивания, устройство управления зарядом, выходы датчиков напряжений подключены к устройству управления зарядом, выходы устройства управления зарядом подключены к управляемому источнику тока заряда и к модулям выравнивания, при этом модули выравнивания, имеющие во включенном состоянии высокую двухстороннюю проводимость, работают в режиме синхронного детектирования напряжения обмоток выравнивающего трансформатора, причем каждый выравнивающий модуль может работать в режиме передачи энергии от выравнивающего трансформатора в подключенный параллельно ему аккумулятор, если напряжение данного аккумулятора меньше среднего значения напряжения остальных аккумуляторов батареи, а также в режиме передачи энергии через трансформатор остальным аккумуляторам от данного аккумулятора, если напряжение данного аккумулятора больше среднего значения напряжения остальных аккумуляторов батареи. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Батарейная система, включающая два и более аккумуляторов, соединенных последовательно и составляющих батарею, каждый аккумулятор имеет выводы, через которые можно заряжать и разряжать аккумулятор, управляемый источник тока заряда, подключенный к плюсу и минусу батареи, модули выравнивания на основе транзисторных DC-DC преобразователей напряжения и датчики напряжения подключены к выводам каждого аккумулятора батареи, обмотки выравнивающего трансформатора, подключенные к модулям выравнивания, устройство управления зарядом, выходы датчиков напряжений подключены к устройству управления зарядом, выходы устройства управления зарядом подключены к управляемому источнику тока заряда и к модулям выравнивания, отличающаяся тем, что модули выравнивания выполнены на транзисторах, имеющих во включенном состоянии высокую двухстороннюю проводимость, и способны работать в режиме синхронного детектирования напряжения обмоток выравнивающего трансформатора, причем каждый выравнивающий модуль может работать в режиме передачи энергии от выравнивающего трансформатора в подключенный параллельно ему аккумулятор, если напряжение данного аккумулятора меньше среднего значения напряжения остальных аккумуляторов батареи, а также в режиме передачи энергии через трансформатор остальным аккумуляторам от данного аккумулятора, если напряжение данного аккумулятора больше среднего значения напряжения остальных аккумуляторов батареи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все обмотки выравнивающего трансформатора имеют одинаковое число витков и конструктивно выполнены с нормированной и высокой магнитной связью между собой.