ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ТРЕХУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ БАТАРЕЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2015 года по МПК H02J7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании высоковольтных батарей для нужд транспорта и энергетики.

Известна иерархическая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии [см. статью «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, к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ. Для повышения надежности работы в известной системе осуществляется резервирование (дублирование) модулей контроля и управления на нижнем уровне управления, а также использование на среднем уровне управления резервного канала обмена.

Недостатком известной системы является ее сложность, а также невозможность экстренного перевода всех микроконтроллером системы в состояние ожидания при отказах последовательных каналов связи.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данному изобретению является иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии [см. статью А.И. Груздева «Концепция построения системы контроля и управления высокоэнергоемких литиевых аккумуляторных батарей», «Электрохимическая энергетика», 2005, т. 5, №2, с. 90-93].

Известная трехуровневая иерархическая система, запитанная от батареи, состоит из микроконтроллерных блоков управления накопителями (БУН) нижнего уровня управления, подключенных по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам управления модулями (БУМ) накопителей на среднем уровне управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку управления батареей (БУБ) верхнего уровня управления, связанному с бортовым зарядным устройством (БЗУ) и внешней ЭВМ.

Недостатком известной системы, выбранной в качестве прототипа, является невозможность экстренного перевода микроконтроллеров блоков управления БУН и БУМ системы в состояние ожидания при отказах каналов связи между блоками.

Перед заявленным изобретением была поставлена задача создания иерархической трехуровневой системы управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии с дублирующим каналом связи экстренного оповещения, позволяющим переводить одновременно все микроконтроллеры блоков БУМ и БУН системы в состояние ожидания, при котором не производятся операции по перекачке энергии и выравниванию заряда между накопителями батареи, минуя каналы последовательной связи.

Поставленная задача решается тем, что предложена иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая связанные с борнами накопителей блоки управления накопителями нижнего уровня управления, микроконтроллеры которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерам связанных с клеммами модулей соответствующих блоков управления модулями накопителей среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллеру связанного с клеммами батареи блока управления батареей верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи.

Новым в предложенной системе является то, что в нее введен дублирующий канал связи экстренного оповещения, содержащий в блоке управления батареей электронный ключ, соединенный по входу управления с выходом разовой команды микроконтроллера и с источником питания и подключенный по шине экстренного сигнала оповещения верхнего уровня управления к входам устройств гальванической развязки блоков управления модулями, подключенных в каждом из них к входу прерывания микроконтроллера и к управляющему входу электронного ключа, соединенного с источником питания и подключенного по шине экстренного сигнала оповещения нижнего уровня управления к входам устройств гальванической развязки соответствующих блоков управления накопителями, подключенных в каждом из них к входу прерывания микроконтроллера.

Технический результат заявленного изобретения состоит в создании возможности экстренного оповещения микроконтроллеров блоков управления накопителями и модулями системы и перевода их в состояние ожидания, минуя канал последовательной связи.

На чертеже представлена функциональная блок-схема заявленной системы.

Заявленная система запитана от батареи и содержит связанные с борнами «+» и «-» накопителей батареи блоки управления накопителями 1 нижнего уровня управления, микроконтроллеры 2 которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи 3 с гальванической развязкой 4 к микроконтроллерам 5 связанных с клеммами «+» и «-» модулей соответствующих блоков управления модулями 6 среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи 7 с гальванической развязкой 8 к микроконтроллеру 9 связанного с клеммами «+» и «-» батареи блока управления батареей 10 верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ (не показаны) по гальванически развязанному последовательному каналу связи 11 (на чертеже гальваническая развязка не показана). Блок управления батареей 10 содержит электронный ключ 12, соединенный по входу управления с выходом разовой команды микроконтроллера 9 и источником питания «+U_б» и подключенный по шине 13 экстренного сигнала оповещения верхнего уровня управления к входам устройств гальванической развязки 14 блоков управления модулями 6, подключенных в каждом из них к входу прерывания микроконтроллера 5 и к управляющему входу электронного ключа 15, соединенного с источником питания «+U_м» и подключенного по шине 16 экстренного сигнала оповещения нижнего уровня управления к входам устройств гальванической развязки 17 соответствующих блоков управления накопителями 1, подключенных в каждом из них к входу прерывания микроконтроллера 2.

Заявленная система работает следующим образом.

При отсутствии отказов в системе обмен информацией между микроконтроллерами 2, 5 и 9 блоков управления БУН, БУМ и БУБ соответственно осуществляется по последовательным каналам связи 3 и 7 через устройства гальванической развязки 4 и 8 соответственно. В случае отказа каналов связи 3, 7 и устройств гальванической развязки 4, 8 обмен информацией между иерархическими уровнями управления батареей прекращается, и если при этом возникнет необходимость, например, срочно приостановить действие микроконтроллеров на нижних уровнях управления по передаче энергии между накопителя батареи и перейти в режим ожидания, то осуществить это через отказавший канал последовательной связи будет невозможно. Однако в этом случае продолжает работать дублирующий канал связи экстренного оповещения, а именно: сигнал оповещения с выхода разовой команды микроконтроллера 9 блока БУБ 10 через электронный ключ 12, соединенный с источником питания «+U_б», в виде положительного напряжения поступит через шину 13 экстренного сигнала оповещения верхнего уровня управления на входы устройств гальванической развязки 14 всех блоков БУМ 6 и далее на входы прерывания микроконтроллеров 5 этих блоков и управляющие входы электронных ключей 15, соединенных с источником питания «+U_м». С выхода электронных ключей 15 сигнал экстренного оповещения в виде положительного напряжения нижнего уровня управления через шину 16 экстренного сигнала оповещения нижнего уровня управления и устройства гальванической развязки 17 соответствующих блоков БУН 1 поступит на вход прерывания микроконтроллера 2. Таким образом, сигнал экстренного оповещения с микроконтроллера блока БУБ 10 верхнего уровня управления дойдет до всех микроконтроллеров блоков управления системы БУН 1 и БУМ 6 и переведет их в состояние ожидания, минуя канал последовательной связи. Устройства гальванической развязки 14, 17 могут быть выполнены на оптроне FODM8801A (Fairchild), электронные платы 12, 15 - на транзисторах IRLML6402TR (International Rectifier).

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии относится к области электротехники и может быть использована при создании высоковольтных батарей для нужд транспорта и энергетики. Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности экстренного оповещения микроконтроллеров блоков управления накопителями и модулями системы и перевода их в состояние ожидания, минуя каналы последовательной связи. Сущность изобретения состоит в том, что в систему, содержащую запитанные от батареи микроконтроллерные блоки управления накопителями, модулями накопителей и всей батареи, связанные между собой последовательными каналами связи с гальванической развязкой, введен дублирующий канал связи экстренного оповещения на основе последовательно соединенных электронных ключей и устройств гальванической развязки, подключенный на уровне управления батареей к выходу разовой команды микроконтроллера блока управления батареей, а на уровнях управления модулями и накопителями - к входу прерывания микроконтроллера соответствующих блоков управления модулями и накопителями. 1 ил.

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая связанные с борнами накопителей блоки управления накопителями нижнего уровня управления, микроконтроллеры которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерам связанных с клеммами модулей соответствующих блоков управления модулями среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллеру связанного с клеммами батареи блока управления батареей верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи, отличающаяся тем, что в нее введен дублирующий канал связи экстренного оповещения, содержащий в блоке управления батареей электронный ключ, соединенный по входу управления с выходом разовой команды микроконтроллера и с источником питания и подключенный по шине экстренного сигнала оповещения верхнего уровня управления к входам устройств гальванической развязки блоков управления модулями, подключенных в каждом из них к входу прерывания микроконтроллера и к управляющему входу электронного ключа, соединенного с источником питания и подключенного по шине экстренного сигнала оповещения нижнего уровня управления к входам устройств гальванической развязки соответствующих блоков управления накопителями, подключенных в каждом из них к входу прерывания микроконтроллера.