ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ БАТАРЕЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2014 года по МПК H02J7/00 H02J7/10 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании батарей электрических накопителей энергии различной природы: от литий-ионных аккумуляторов до ионисторов и химических источников тока в составе автономных систем электроснабжения, в том числе на транспорте, в устройствах бесперебойного питания, в системах оперативного постоянного тока и сетевых накопителях электроэнергии.

Проблема обеспечения длительного срока службы высоковольтных и высокоэнергоемких аккумуляторных батарей, состоящих из большого числа последовательно соединенных аккумуляторов, является актуальной, поскольку даже небольшие различия в характеристиках отдельных аккумуляторов, имеющие место при комплектовании батарей, в процессе эксплуатации приводят к значительному разбалансу в степени заряженности отдельных аккумуляторов. Следствием этого являются снижение уровня отдаваемой емкости батареей в нагрузку, перезаряд и переразряд отдельных элементов с возможностью их переполюсовки, разгерметизации и других необратимых и нежелательных явлений, что в итоге приводит к сокращению срока службы батарей. Одним из решений указанной проблемы является выравнивание разбаланса напряжений между отдельными элементами батареи (электрическими накопителями энергии) путем селективного шунтирования избыточного напряжения отдельных элементов с помощью резисторов в системе управления батареей с пассивной балансировкой [патент РФ №2324263, опубл. 27.01.2008 г.].

Однако данное техническое решение энергетически неэффективно, так как приводит к непроизводительным потерям энергии, а также вызывает нежелательный перегрев всей батареи, так как выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батареи.

Известна батарея электрических накопителей энергии, содержащая множество единичных элементов или модулей, соединенных в последовательную электрическую цепь, систему контроля и управления батареей, а также электронные блоки, обеспечивающие выравнивание напряжений на отдельных накопительных элементах, питание которых обеспечивается от дополнительного источника энергии [патент РФ №2230418, опубл. 10.06.2004 г.].

Недостатком известной батареи является сложность ее эксплуатации из-за наличия внешнего источника энергии, требующего дополнительного обслуживания, а в случае использования стационарного источника энергии - потеря автономности (мобильности) батареи.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к данному изобретению является иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии, запитанная от самой батареи [статья «Особенности построения аппаратуры контроля и защиты высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей для систем электроснабжения космических аппаратов» / Труды НПП «ВНИИЭМ», 2011, т. 123, №4, с.29-34, авторов М.Ф.Ганзбург, А.И.Груздев, В.И.Трофименко (ОАО «АВЭКС»)].

Известная система на нижнем уровне управления содержит модули электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния, а также с устройствами выравнивания, коммутации, контроля и управления, связанными по последовательному каналу связи с модулем измерения тока и контроллером последовательного канала на среднем уровне управления, подключенным по последовательному каналу связи с блоком управления батареей верхнего уровня управления, подключенным к бортовому зарядному устройству. Устройство активного выравнивания на нижнем уровне управления построено с использованием трансформаторной схемы, осуществляющей перераспределение энергии внутри батареи между накопителями модуля [патент РФ на полезную модель №37884, опубл. 10.05.2004 г.].

По сравнению с системами пассивного шунтирования наиболее заряженных накопителей указанная активная система, выбранная в качестве прототипа к данному изобретению, позволяет скомпенсировать не только разницу в саморазряде накопителей, но и частично потерю их емкости и балансировать батарею не только при ее заряде, но и в других режимах ее работы, в том числе и при разряде.

Однако известная иерархическая система управления батарей электрических накопителей энергии имеет следующие недостатки: 1) сложность реализации активного метода выравнивания с помощью предложенной в ней трансформаторной схемы применительно к высоковольтной батарее с большим числом последовательно соединенных накопителей (до 160 шт.), предназначенной для использования на транспорте, поскольку трансформатор в прототипе должен иметь рабочие обмотки по числу накопителей на одном сердечнике. Реально удается охватить таким трансформатором не более 8-10 накопителей в модуле (в прототипе 8 шт.), в связи с чем остается нерешенной проблема межмодульного выравнивания; 2) недостаточная степень интеграции системы управления с самой батареей, не позволяющая реализовать на уровне единичных накопителей энергии не только устройство выравнивания, устанавливаемое непосредственно на борнах каждого накопителя, но и устройство контроля и управления для каждого накопителя, установленное в прототипе на боковой поверхности модулей; 3) на среднем уровне управления в прототипе решается только задача обеспечения обмена информацией между блоками нижнего уровня управления и блоком управления батареей верхнего уровня (шлюзовая задача обработки и ретрансляции данных), и с точки зрения задач управления иерархическая система в прототипе является скорее двухуровневой, чем трехуровневой, в том время как задача обеспечения терморегуляции в батарее остается неохваченной.

Перед заявленным изобретением была поставлена задача создания иерархической трехуровневой системы управления батареей электрических накопителей энергии, лишенной перечисленных недостатков, то есть создания иерархической системы управления с активной трансформаторной схемой выравнивания, охватывающей любое количество накопителей, позволяющей перераспределять энергию между ними независимо от их месторасположения и интегрированной вместе с устройством контроля и управления с каждым накопителем батареи, а также обеспечивающей терморегуляцию батареи на уровне модулей электрических накопителей энергии.

Поставленная задача решается тем, что предложена иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая модули последовательно соединенных электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния и устройствами активного выравнивания на основе трансформаторной схемы, связанной с соответствующим устройством контроля и управления, подключенным с помощью внутримодульного последовательного канала связи через контроллер канала к блоку управления батареей, подключенному к соединенным последовательно с модулями накопителей датчику тока, коммутатору с предохранителем и к бортовому зарядному устройству.

Новым в предложенной системе является то, что устройство выравнивания и устройство контроля и управления выполнены для каждого накопителя батареи в виде единой конструктивной схемы управления нижнего уровня - блока управления накопителем, в котором устройство выравнивания выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя в сквозную накопительную магистраль батареи постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы блоков управления накопителями, подключенные параллельно вторичным обмоткам накопительного трансформатора, выполненного по типу трансформатора обратноходового преобразователя напряжения, повышающего в сторону накопительной магистрали батареи, с зашунтированными диодами электронными ключами в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Устройство контроля и управления блока управления накопителем выполнено на основе запитанного от накопителя через повышающий преобразователь напряжения микроконтроллера, подключенного к электронным ключам в первичной и вторичной обмотках трансформатора устройства выравнивания через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, запитанные от повышающего преобразователя напряжения. Первичная обмотка накопительного трансформатора блока управления накопителем соединена с выводом «+» соответствующего накопителя через плавкий предохранитель и датчик тока и через электронный ключ к выводу «-» накопителя и общему проводу повышающего преобразователя напряжения, микроконтроллера и драйверов управления ключами блока управления накопителем. Выходы датчика тока, датчика температуры и вывод «+» накопителя подключены к шине измерительных сигналов микроконтроллера блока управления накопителем, к шине разовых команд которого подключены блок задания идентификационного номера накопителя, индикатор состояния накопителя и компараторы верхнего и нижнего уровней, подключенные к накопительной магистрали батареи через самовосстанавливающийся предохранитель. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блоков управления накопителями подключены через устройство гальванической развязки к внутримодульному последовательному каналу связи, подключенному к блоку управления модулем среднего уровня управления батареей, содержащего микроконтроллер, запитанный от модуля через понижающий преобразователь напряжения. К шине измерительных сигналов микроконтроллера блока управления модулем через измерительную схему подключены выводы «+» и «-» модуля накопителей и через измерительную схему с гальванической развязкой выводы «+» и «-» накопительной магистрали батареи. К шине разовых команд микроконтроллера блока управления модулем подключены индикатор состояния модуля и блок задания идентификационного номера модуля, а к выходам сигналов управления микроконтроллера подключен блок терморегуляции с исполнительными органами в виде вентиляторов, электронагревателей и заслонок. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блока управления модулем подключены через устройство гальванической развязки к межмодульному последовательному каналу связи, подключенному к блоку управления батареей верхнего уровня управления, содержащего запитанный от батареи через понижающий преобразователь напряжения микроконтроллер с повышенными производительностью и объемом памяти, к шине измерительных сигналов которого подключен датчик тока батареи, через измерительную схему подключены выводы «+» и «-» батареи, через измерительную схему с гальванической развязкой подключены шины «+» и «-» накопительной магистрали батареи, к шине разовых команд подключен индикатор состояния батареи, управляющий вход коммутатора и бортовое зарядное устройство, а выходы последовательного интерфейса подключены через устройство гальванической развязки к последовательному каналу связи с внешними системами и бортовому зарядному устройству.

Технический результат заявленного изобретения состоит в том, что предложена иерархическая трехуровневая система управления батареей электрических накопителей энергии, в которой нижний уровень управления полностью интегрирован с каждым накопителем и содержит трансформаторную схему выравнивания, позволяющую контролируемо передавать энергию с любого накопителя и обратно в сквозную для батареи накопительную магистраль постоянного тока и тем самым селективно перераспределять энергию между накопителями независимо от их месторасположения под управлением блоков управления всех трех уровней, при этом блок управления модулем накопителей среднего уровня управления дополнительно решает задачу терморегуляции батареи, а блок управления батареей верхнего уровня управления решает задачи накопления статистических данных и выполнения функций электронного архива событий, экспертного анализа для диагностирования элементов батареи, оценки остаточного ресурса и оптимизации заряда от бортового зарядного устройства в зависимости от состояния накопителей и внешних условий, а также обеспечения толерантности к типу электрических накопителей энергии.

На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленной иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии.

Заявленная система содержит модули 1 последовательно соединенных электрических накопителей энергии 2 с датчиками температуры 3 и устройствами выравнивания заряда на основе трансформаторной схемы 4, осуществляющей перераспределение энергии между накопителями 2 модуля 1 и связанной с соответствующим устройством контроля и управления 5, подключенным с помощью внутримодульного последовательного канала связи 6 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) и межмодульного последовательного канала связи 7 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) через контроллер канала, встроенный в микроконтроллер 8 блока управления 9 модулем 1, к блоку управления батареей 10, подключенному к соединенным последовательно с модулями 1 накопителей 2 датчику тока 11, коммутатору 12 с предохранителем 13 и бортовому зарядному устройству 14. Модули электрических накопителей энергии 1 содержат блоки 15 задания идентификационных номеров модулей и установленных в них накопителей и индикаторы 16 состояния модулей 1 накопителей 2 батареи. Устройство выравнивания 4 и устройство контроля и управления 5 выполнены для каждого накопителя 2 батареи в виде единой конструктивной схемы управления нижнего уровня - блока управления накопителем 17, в котором устройство выравнивания 4 выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя 2 в специально созданную накопительную магистраль 18 постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы 19 всех блоков управления 17 накопителями 2, подключенные параллельно вторичным обмоткам накопительного трансформатора 20, выполненного по типу трансформатора обратноходового преобразователя напряжения, повышающего в сторону накопительной магистрали 18 батареи, с зашунтированными диодами 21 электронными ключами 22 в первичной и вторичной цепях трансформатора 20. Устройство контроля и управления 5 блока управления 17 накопителем 2 выполнено на основе запитанного от накопителя 2 через повышающий преобразователь напряжения 23 микроконтроллера 24, подключенного к электронным ключам 22 в первичной и вторичной цепях накопительного трансформатора 20 устройства выравнивания 4 через драйвер 25 и драйвер с гальванической развязкой 26, запитанные от повышающего преобразователя напряжения 23. Первичная обмотка накопительного трансформатора 20 блока управления 17 накопителем 2 соединена с выводом «+» соответствующего накопителя 2 через плавкий предохранитель 27 и датчик тока 28 и через электронный ключ 22 к выводу «-» накопителя 2 и общему проводу преобразователя напряжения 23, микроконтроллера 24 и драйверов 25, 26 управления ключами 22. Выходы датчика тока 28, датчика температуры 3 и вывод «+» накопителя 2 подключены к шине 29 измерительных сигналов микроконтроллера 24 блока управления 17 накопителем 2, к шине разовых команд 30 которого подключены блок задания 15 идентификационного номера накопителя 2, индикатор состояния 16 накопителя 2 и компараторы верхнего 31 и нижнего 32 уровня, подключенные к накопительной магистрали 18 батареи через самовосстанавливающийся предохранитель 33. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера 24 блоков управления накопителями 17 подключены через устройства гальванической развязки (на чертеже не показаны) к внутримодульному последовательному каналу связи 6, подключенному к блоку управления 9 модулем 1 среднего уровня управления батареей, содержащему микроконтроллер 8, запитанный от последовательно соединенных накопителей 2 модуля 1 через понижающий преобразователь напряжения 34. К шине измерительных сигналов 35 микроконтроллера 8 блока управления модулем 9 через измерительную схему 36 подключены выводы «+» и «-» модуля 1 и через измерительную схему с гальванической развязкой 37 выводы «+» и «-» накопительной магистрали 18 батареи. К шине разовых команд 38 микроконтроллера 8 подключен индикатор состояния 16 модуля 1 накопителя 2 и блок задания 15 идентификационного номера модуля 1, а к выходам сигналов управления микроконтроллера 8 подключен блок терморегуляции 39 с исполнительными органами в виде вентиляторов, нагревательных элементов и заслонок (на чертеже не показаны). Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера 8 блока управления 9 модулем 1 накопителей 2 подключены через устройство гальванической развязки (на чертеже не показано) к межмодульному последовательному каналу связи 7, подключенному к блоку управления батареей 10 верхнего уровня управления, содержащему микроконтроллер 40 с повышенными производительностью и объемом памяти, запитанный от батареи через понижающий преобразователь напряжения 41. К шине измерительных сигналов 42 микроконтроллера 40 блока управления батареей 10 подключен датчик тока батареи 11, через измерительную схему 43 подключены выводы «+» и «-» батареи и через измерительную схему 44 с гальванической развязкой шины «+» и «-» накопительной магистрали 18 постоянного тока, а к шине разовых команд 45 микроконтроллера 40 подключен индикатор состояния батареи 46, управляющий вход коммутатора 12 и бортовое зарядное устройство 14, подключенное к внешней трехфазной сети переменного тока через выводы 47. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера 40 блока управления батареей 10 подключены через устройство гальванической развязки (на чертеже не показано) к последовательному каналу связи 48 с внешними системами и бортовому зарядному устройству 14.

Заявленная иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии работает следующим образом.

В режиме заряда батареи от внешнего высоковольтного зарядного источника постоянного тока, подключаемого к внешним клеммам батареи «+» и «-», или от бортового зарядного устройства 14, подключенного к внешней сети переменного тока через выводы 47, зарядный ток величиной до нескольких сотен ампер проходит через все последовательно соединенные накопители 2, конструктивно объединенные в модули 1 от клеммы «+» до клеммы «-» модулей и всей батареи, что распознается микроконтроллером 40 блока управления батареей 10, запитанным от батареи через понижающийся преобразователь напряжения 41, с помощью датчика тока 11. Микроконтроллер 40 измеряет ток в батарее через шину измерительных сигналов 42 и встроенный в него АЦП по величине и направлению, при этом микроконтроллеры 24 блоков управления накопителями 17, запитанные от повышающих преобразователей напряжения 23, одновременно измеряют и постоянно контролируют величину напряжения на каждом накопителе 2 модулей 1 через шину измерительных сигналов 29 с помощью встроенного в микроконтроллер 24 АЦП устройства контроля и управления 5 блоков управления накопителями 17 и передают полученную информацию и свой идентификационный номер, задаваемый блоком 15, через шину разовых команд 30, по последовательным каналам связи 6 и 7 через микроконтроллер модуля 8 в микроконтроллер 40 блока управления батареей 10. При выходе величины напряжения на любом единичном накопителе 2 за допустимые значения, хранящиеся в качестве уставок в памяти микроконтроллера 40 блока управления батареей 10, последний разрывает зарядную цепь батареи с помощью коммутатора 12 через шину разовых команд 45. При этом выравнивающие устройство 4 под управлением микроконтроллеров 24, 8 и 40 может осуществлять внутримодульное селективное выравнивание напряжения, перераспределяя энергию между накопителями 2 модуля 1 по результатам текущих измерений, осуществляемых микроконтроллером 24 с учетом накопленных в микроконтроллере 40 статистических данных. Более подробно выравнивающее устройство 4 работает следующим образом. В случае превышения напряжения на каком-либо накопителе 2 относительно среднего значения, подсчитанного в микроконтроллере 40 блока управления батареей 10 по данным, полученным от блоков управления накопителями 17 нижнего уровня управления, микроконтроллер 40 выдает команду по последовательному каналу связи 7 в соответствующий блок управления модулем 9, которая перетранслируется микроконтроллером 8 этого блока по последовательному каналу связи 6 в соответствующий блок управления накопителем 17 в микроконтроллер 24 этого блока. Микроконтроллер 24 через драйвер 25 замыкает ключ 22 ШИМ-сигналом на время, соответствующее величине разбаланса, одновременно контролируя ток в первичной обмотке трансформатора 20 через шину измерительных сигналов 29 с помощью датчика тока 28. При замыкании ключа 22 к первичной обмотке накопительного трансформатора 20 прикладывается напряжение данного накопителя 2 и в трансформаторе 20 начинает нарастать магнитный поток и, следовательно, накапливаться энергия. При запирании электронного ключа 22 и отключении первичной обмотки трансформатора 20 от соответствующего накопителя 2 ток через первичную обмотку трансформатора 20 резко уменьшается, наводя в его вторичной обмотке ЭДС, отпирающую диод 21. Во вторичной обмотке трансформатора 20 начинает протекать ток, который заряжает конденсаторы 19 накопительной магистрали 18 батареи. За счет изменения временных параметров ШИМ-сигнала в первичной цепи трансформатора 20 можно управлять величиной напряжения в накопительной магистрали 18. Таким образом осуществляется передача энергии от выбранного накопителя 2 батареи в накопительную магистраль 18. В случае снижения напряжения на каком-либо накопителе 2 относительно среднего значения механизм селективной передачи энергии запускается в обратном направлении для обеспечения дозаряда выбранного накопителя токами до нескольких десятков ампер. Микроконтроллер 24 замыкает ключ 22 через драйвер 26 во вторичной цепи трансформатора 20, после размыкания которого наводится ЭДС в первичной обмотке трансформатора 20, открывается диод 21 и запасенная в накопительном трансформаторе 20 энергия передается выбранному накопителю 2, повышая напряжение на нем. Если оказалось, что накопительная магистраль 18 разряжена, это будет обнаружено микроконтроллерами 8 и 40 через измерительные схемы 37 и 44 и измерительные шины 35 и 42 соответственно, а также микроконтроллерами 24 блоков управления накопителя 17 с помощью компараторов 32 нижнего уровня. Схемы выравнивания 4 блоков 17 управления накопителями 2 при этом будут передавать энергию от наиболее заряженных накопителей 2 в накопительную магистраль 18 до установления в ней напряжения в допустимых границах, величины которых хранятся в качестве уставок в энергонезависимой памяти микроконтроллера 40 блока управления батареей 10. Если же в процессе балансировки напряжение в накопительной магистрали 18 превысит верхний пороговый уровень, сработают компараторы 31 в блоках управления накопителями 17 и микроконтроллеры 24 прекратят выполнять режим передачи энергии в накопительную магистраль 18, а получив команду от микроконтроллера 40, могут перейти к режиму передачи энергии в накопители 2, разряжая тем самым магистраль 18 и уменьшая напряжение на ней. В режиме разряда батареи ток величиной до нескольких сотен ампер течет через батарею в противоположном заряду направлении, отдавая энергию батареи в нагрузку. При этом продолжает работать предложенный механизм селективного выравнивания напряжения на выбранных накопителях по результатам измерений на нижнем уровне управления и обработки этой информации на верхнем уровне. Если происходит переразряд какого-либо накопителя 2, то микроконтроллер 40, получив об этом информацию от соответствующего микроконтроллера 24 нижнего уровня управления, разрывает силовую цепь нагрузки с помощью коммутатора 12 через шину разовых команд 45, а соответствующее устройство выравнивания 4 под управлением микроконтроллера 24 будет вести контролируемую передачу энергии в данный накопитель из общей накопительной магистрали 18. В режиме хранения энергии ток в силовой цепи батареи отсутствует. При этом может производиться как внутримодульное, так и межмодульное выравнивание напряжений на накопителях батареи с помощью описанного единого механизма селективной активной и двунаправленной передачи энергии с учетом накопленных при эксплуатации батареи статистических данных о качестве отдельных ее накопителей. В любом из режимов работы блоки управления накопителями 17 осуществляют измерение температуры соответствующих накопителей 2 на одном из его борнов с помощью датчиков температуры 3 по шине измерительных сигналов 29 и передают измеренные значения по последовательному каналу связи 6 в микроконтроллер 8 блока управления модулем 9, который поддерживает температуру накопителей 2 модуля 1 в заданных пределах путем включения или отключения с помощью блока терморегуляции 39 исполнительных органов (заслонок, электронагревателей и вентиляторов). В случае перегрева или переохлаждения накопителей 2 микроконтроллеры 24, 8 и 40 блоков управления 17, 9 и 10 соответственно выдают соответствующую информацию по последовательным каналам связи 6, 7 и 48 во внешние системы. Эта информация содержит также данные о числе накопителей в модулях и числе модулей в батарее, данные о состоянии накопителей (степени их заряженности), величинах напряжений на модулях и батарее, наличии аварийных ситуаций в батарее (перегрев, перезаряд, переразряд, отказы микроконтроллеров системы управления). Напряжения на модулях 1 измеряет микроконтроллер 8 с помощью встроенного АЦП и измерительной схемы 36 через шину измерительных сигналов 35, а напряжение на батарее измеряет микроконтроллер 40 блока управления батареей 10 с помощью встроенного АЦП и измерительной схемы 43 через шину измерительных сигналов 42. Предохранители 27 в блоках управления накопителями 17 установлены на случай внешних коротких замыканий накопителей 2, самовосстанавливающиеся предохранители 33 - на случай токовой перегрузки накопительной магистрали 18, предохранитель 13 обеспечивает токовую защиту всей батареи. Блок управления батареей 10 при ее заряде от бортового зарядного устройства 14 формирует команду его включения, например, в виде замыкания «сухих» контактов. Датчики тока 11, 28 могут быть выполнены на основе эффекта Холла. Информация с датчика тока 11 может быть использована микроконтроллером 40 для коррекции измеренных на нижнем уровне величин напряжений на накопителях, для расчета зарядной и разрядной емкости накопителей, модулей и батареи, а также для защиты батареи от токовых перегрузок. Блок терморегуляции 39 представляет собой набор соответствующих усилителей мощности по числу и типу исполнительных органов. Индикаторы состояния накопителей 17, модулей 16 и батареи 46 в простейшем случае могут быть реализованы с помощью светодиодов с использованием интуитивно понятной «светофорной» цветовой символики, индицируя состояние параметра (например, напряжения на накопителе) в трех градациях: «норма», «предупреждение», «авария». Блоки задания идентификационных номеров 15 могут быть выполнены в виде микропереключателей или перемычек на соответствующих печатных платах. Измерительные схемы 36, 43 предоставляют собой обычные схемы на операционных усилителях, а измерительные схемы 37, 44 с гальванической развязкой - схемы с использованием сигма-дельта модуляции. Применение микроконтроллеров на каждом накопителе по сравнению с использованием специализированных микросхем позволяет оперативно менять не только уставки, но и сами алгоритмы работы системы, использовать сложные алгоритмы с прогнозированием состояния элементов батареи и сократить до минимума число неподконтрольных накопителей батареи при выходе из строя управляющих микроконтроллеров нижнего уровня управления. Повышенные производительность и объем памяти микроконтроллера 40 верхнего уровня управления необходимы для обеспечения программной реализации функций электронного архива событий и накопления статистических данных, экспертного анализа для диагностирования элементов батареи, оценки остаточного ресурса и оптимизации заряда от бортового зарядного устройства 14 в зависимости от состояния накопителей 12 и внешних условий, а также обеспечения толерантности к типу электрических накопителей энергии. В качестве последовательных каналов связи 6, 7, 48 могут быть использованы каналы с интерфейсами RS 485 или CAN.

Иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии относится к области электротехники и может быть использована при создании высоковольтных батарей электрических накопителей энергии для нужд транспорта и энергетики. Сущность изобретения состоит в том, что каждый из последовательно соединенных электрических накопителей энергии имеет на нижнем уровне управления блок управления единичным накопителем, запитанный от накопителя и связанный на среднем уровне управления через внутримодульный гальванически развязанный последовательный канал связи с соответствующим блоком управления модулем электрических накопителей, запитанный от модуля и подключенный на верхнем уровне управления через межмодульный гальванически развязанный последовательный канал связи с запитанным от батареи блоком управления батареей. Блок управления накопителем состоит из устройства контроля и управления на основе микроконтроллера и устройства выравнивания на основе трансформаторной схемы, выполненного в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя батареи через датчик тока в сквозную для батареи накопительную магистраль постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы блоков управления накопителями, подключенные параллельно вторичным обмоткам накопительного трансформатора, выполненного по типу трансформатора обратно-ходового преобразования напряжения, повышающего в сторону накопительной магистрали батареи, с зашунтированными диодами электронными ключами в первичной и вторичной обмотках трансформатора, управляемыми от соответствующих драйверов с помощью микроконтроллера блока управления накопителем. Блок управления модулем накопителей подключен к блоку терморегуляции, а блок управления батареей, выполненный на основе микроконтроллера с повышенными производительностью и объемом памяти, - к датчику тока батареи, коммутатору с предохранителем и бортовому зарядному устройству, а также через гальванически развязанный канал последовательной связи к бортовому зарядному устройству и к внешним системам. Технический результат заявленного изобретения состоит в том, что предложена иерархическая трехуровневая система управления батареей электрических накопителей энергии, в которой нижний уровень управления полностью интегрирован с каждым накопителем и содержит трансформаторную схему выравнивания, позволяющую контролируемо передавать энергию с любого накопителя и обратно в сквозную для батареи накопительную магистраль постоянного тока и тем самым селективно перераспределять энергию между накопителями независимо от их месторасположения под управлением блоков управления всех трех уровней, при этом блок управления модулем накопителей среднего уровня управления дополнительно решает задачу терморегуляции батареи, а блок управления батареей верхнего уровня управления решает задачи накопления статистических данных и выполнения функций электронного архива событий, экспертного анализа для диагностирования элементов батареи, оценки остаточного ресурса и оптимизации заряда от бортового зарядного устройства в зависимости от состояния накопителей и внешних условий, а также обеспечения толерантности к типу электрических накопителей энергии. 1 ил.

Иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая модули последовательно соединенных электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния и устройствами активного выравнивания заряда на основе трансформаторной схемы, связанной с соответствующим устройством контроля и управления, подключенным с помощью внутримодульного последовательного канала связи через контроллер канала к блоку управления батареей, подключенному к соединенным последовательно с модулями накопителей датчику тока, коммутатору с предохранителем и бортовому зарядному устройству, отличающаяся тем, что устройство выравнивания заряда и устройство контроля и управления выполнены для каждого накопителя батареи в виде единой конструктивной схемы управления нижнего уровня - блока управления накопителем, в котором устройство выравнивания выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя в сквозную накопительную магистраль батареи постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы блоков управления накопителями, подключенных параллельно вторичным обмоткам накопительного трансформатора, выполненного по типу трансформатора обратно-ходового преобразователя напряжения, повышающего в сторону накопительной магистрали батареи, с зашунтированными диодами электронными ключами в первичной и вторичной обмотках трансформатора, устройство контроля и управления блока управления накопителем выполнено на основе запитанного от накопителя через повышающий преобразователь напряжения микроконтроллера, подключенного к электронным ключам в первичной и вторичной обмотках трансформатора устройства выравнивания через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, запитанные от повышающего преобразователя напряжения, первичная обмотка накопительного трансформатора блока управления накопителем соединена с выводом «+» соответствующего накопителя через плавкий предохранитель и датчик тока и через электронный ключ в выводу «-» накопителя и общему проводу повышающего преобразователя напряжения, микроконтроллера и драйверов управления ключами блока управления накопителем, выходы датчика тока, датчика температуры, вывод «+» накопителя подключены к шине измерительных сигналов микроконтроллера блока управления накопителем, к шине разовых команд которого подключены блок задания идентификационного номера накопителя, индикатор состояния накопителя и компараторы верхнего и нижнего уровней, подключенные к накопительной магистрали батареи через самовосстанавливающийся предохранитель, выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блоков управления накопителями подключены через устройства гальванической развязки к внутримодульному последовательному каналу связи, подключенному к блоку управления модулем среднего уровня управления батареей, содержащего микроконтроллер, запитанный от модуля через понижающий преобразователь напряжения, к шине измерительных сигналов микроконтроллера блока управления модулем через измерительную схему подключены выводы «+» и «-» модуля накопителей и через измерительную схему с гальванической развязкой выводы «+» и «-» накопительной магистрали батареи, к шине разовых команд микроконтроллера блока управления модулем подключен блок задания идентификационного номера модуля и индикатор состояния модуля, а к выходам сигналов управления микроконтроллера подключен блок терморегуляции с исполнительными органами в виде вентиляторов, электронагревателей и заслонок, выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блока управления модулем подключены через устройство гальванической развязки к межмодульному последовательному каналу связи, подключенному к блоку управления батареей верхнего уровня управления, содержащего запитанный от батареи через понижающий преобразователь напряжения микроконтроллер с повышенными быстродействием и объемом памяти, к шине измерительных сигналов которого подключен датчик тока батареи, через измерительную схему подключены выводы «+» и «-» батареи, через измерительную схему с гальванической развязкой подключены шины «+» и «-» накопительной магистрали батареи, к шине разовых команд подключен индикатор состояния батареи, управляющий вход коммутатора и бортовое зарядное устройство, а выходы последовательного интерфейса подключены через устройство гальванической развязки к последовательному каналу связи с внешними системами и бортовому зарядному устройству.