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 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, авторы 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 батареи и контроллером последовательного канала на среднем уровне управления, подключенным по последовательному каналу связи с блоком управления батареей верхнего уровня управления, подключенным по каналу последовательного кода к соединенному с батареей блоку регулирования и контроля, осуществляющему функцию запитки иерархической системы управления батареей.

Недостатком известной иерархической системы является невозможность ее поэтапного поуровневого автоматического и ручного включения и отключения по первичному и вторичному питанию, что бывает необходимо при наладочных и ремонтных работах.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данному изобретению является иерархическая система управления батареей электрических накопителей [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 управления запитана от батареи и состоит из микроконтроллерных блоков управления накопителями (БУН) на нижнем уровне управления, подключенных по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам управления модулями (БУМ) накопителей среднего уровня 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 по гальванически развязанному последовательному каналу связи и подключенному к коммутатору батареи. Блок БУБ известной системы содержит подключенный через коммутатор и LC-фильтр к клеммам батареи понижающий преобразователь напряжения, подключенный через LC-фильтр к микроконтроллеру блока. Блоки БУМ содержат подключенные через LC-фильтры к клеммам соответствующих батарейных модулей понижающие преобразователи напряжения, подключенные через LC-фильтры к микроконтроллерам блоков. Блоки БУН содержат подключенные через LC-фильтры к клеммам соответствующих накопителей повышающие преобразователи напряжения, подключенные через LC-фильтры к микроконтроллерам блоков.

Недостатком известной системы, выбранной в качестве прототипа, является невозможность ее поэтапного поуровневого автоматического и ручного включения и отключения по питанию, что бывает необходимо при наладочных и ремонтных работах, поскольку блоки управления БУН, БУМ и БУБ известной системы включаются сразу после подключения их к батарее.

Перед заявленным изобретением была поставлена задача устранения указанного недостатка и реализации такого аппаратно-программного управления электропитанием, которое обеспечивает поэтапное поуровневое включение и отключение питания микроконтроллерных блоков системы.

Поставленная задача решается тем, что предложена иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая микроконтроллерные блоки БУН на нижнем уровне управления, подключенные по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам БУМ среднего уровня управления, подключенным по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку БУБ верхнего уровня управления, связанному с БЗУ и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи и подключенному к коммутатору батареи. Блок БУБ содержит подключенный через коммутатор и LC-фильтр к клеммам батареи понижающий преобразователь напряжения, подключенный через LC-фильтр к микроконтроллеру блока. Блоки БУМ содержат подключенные через LC-фильтры к клеммам соответствующих батарейных модулей понижающие преобразователи напряжения, подключенные через LC-фильтры к микроконтроллерам блоков. Блоки БУН содержат подключенные через LC-фильтры к клеммам соответствующих накопителей повышающие преобразователи напряжения, подключенные через LC-фильтры к микроконтроллерам блоков.

Новым в предложенной системе является то, что в нее введен аппаратно-программный механизм поуровневого управления электропитанием системы, состоящий в блоке БУБ из управляемого микроконтроллером электронного ключа, подключающего выход понижающего преобразователя напряжения блока к управляющим входам электронных ключей с гальванической развязкой блоков БУМ, подключающих клемму «+» соответствующего батарейного модуля к входу запуска понижающего преобразователя напряжения блока. Выход понижающего преобразователя напряжения блоков БУМ через управляемый от соответствующего микроконтроллера электронный ключ подключен к управляющим входам электронных ключей с гальванической развязкой соответствующих блоков БУН, подключающих клемму «+» соответствующих накопителей к входу запуска повышающего преобразователя напряжения блока. Электронные ключи с гальванической развязкой блоков БУН и БУМ зашунтированы механическими переключателями. Клеммы «-» батарейных модулей и батареи через кнопки соединены с входами разовых команд микроконтроллеров блоков БУМ и блока БУБ соответственно, а коммутатор батареи содержит дополнительный вход управления включением от внешних систем.

Технический результат заявленного изобретения состоит в обеспечении возможности поэтапного поуровневого автоматического и ручного включения и выключения электропитания системы.

На чертеже представлена функциональная блок-схема заявленной системы.

Заявленная система содержит микроконтроллерные блоки БУН 1 на нижнем уровне управления, подключенные по внутримодульному последовательному каналу связи 2 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) к соответствующим микроконтроллерным блокам БУМ 3 среднего уровня управления, подключенным по межмодульному последовательному каналу связи 4 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) к микроконтроллерному блоку БУБ 5 верхнего уровня управления, связанному с БЗУ и ЭВМ (на чертеже не показаны) по гальванически развязанному последовательному каналу связи и подключенному к коммутатору 7 батареи. Блок БУБ 5 содержит подключенный через коммутатор 7 и LC-фильтр (на чертеже не показан) к клеммам батареи «+» и «-» понижающий преобразователь напряжения 8, подключенный через LC-фильтр (на чертеже не показан) к микроконтроллеру 9 блока. Блоки БУМ 3 содержат подключенные через LC-фильтры (на чертеже не показаны) к клеммам «+» и «-» соответствующих батарейных модулей понижающие преобразователи напряжения 10, подключенные через LC-фильтры (на чертеже не показаны) к микроконтроллерам 11 блоков. Блоки БУН 1 содержат подключенные через LC-фильтры (на чертеже не показаны) к клеммам «+» и «-» соответствующих накопителей повышающие преобразователи напряжения, подключенные через LC-фильтры (на чертеже не показаны) к микроконтроллерам 13 блоков БУН 1. Блок БУБ 5 содержит управляемый от микроконтроллера 9 электронный ключ 14, подключающий выход понижающего преобразователя напряжения 8 к управляющим входам электронных ключей 15 блоков БУМ 3, подключающих клемму «+» соответствующего батарейного модуля к входу запуска понижающего преобразователя напряжения 10 блока БУМ 3. Выход понижающего преобразователя напряжения 10 через управляемый от соответствующего микроконтроллера 11 электронный ключ 16 подключен к управляющим входам электронных ключей 17 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) соответствующих блоков БУН 1, подключающих клеммы «+» накопителей батареи к входу запуска повышающих преобразователей напряжения 12 соответствующих блоков БУН 1. Электронные ключи 17 и 15 с гальванической развязкой блоков БУН 1 и БУМ 3 зашунтированы механическими переключателями 18. Клеммы «-» батарейных модулей и батареи через кнопки 19 соединены с входами разовых команд микроконтроллеров 11 и 9 блоков БУМ 3 и БУБ 5 соответственно, а коммутатор 7 батареи дополнительно содержит вход управления от внешних систем, подключенный к шине 20 сигнала включения коммутатора 7.

Заявленная система работает следующим образом.

В штатном режиме включение электропитания системы происходит следующим образом.

По сигналу управления от внешних систем по шине 20 включается коммутатор 7, подключающий первичное напряжение питания от батареи к понижающему высоковольтному преобразователю напряжения 8 блока БУБ 5. Первичное питание на блоки БУН 1 и БУМ 3 всегда подано. Преобразователь 8 включается и запитывает микроконтроллер 9. После тестирования канала связи 6 от внешней ЭВМ поступает команда на включение системы. Микроконтроллер 9 включает электронный ключ 14 и напряжение с выхода преобразователя 8 начинает поступать на управляющие входы электронных ключей 15 с гальванической развязкой блоков БУМ 3 и открывает их. Положительное напряжение с клемм «+» соответствующих батарейных модулей через ключи 15 поступает на вход запуска понижающих преобразователей 10 блоков БУМ 3, которые включаются и запитывают микроконтроллеры 11. После тестирования межмодульных каналов связи 4 блоком БУБ 5 выдается команда на включение блоков БУН 1. Микроконтроллеры 11 включают электронные ключи 16 и напряжение с выхода понижающих преобразователей 10 начинает поступать на управляющие входы электронных ключей 17 с гальванической развязкой блоков БУН 1 и открывает их. Положительное напряжение с клемм «+» соответствующих батарейных накопителей через ключи 17 подается на вход запуска повышающих преобразователей 12 блоков БУН 1, которые включаются и запитывают микроконтроллеры 13 блоков БУН 1. Процедура штатного включения заканчивается тестированием внутримодульных каналов связи 2, которое проводят микроконтроллеры 11 блоков БУМ 3. Таким образом, можно от внешней ЭВМ включать и выключать как систему управления батареей, так и систему управления любого батарейного модуля например, для экономии энергии при эксплуатации батарей или сброса микроконтроллеров системы управления батареей при наладочных работах. При наладках и ремонтных работах блок БУБ 5 можно включить автономно без внешней ЭВМ путем включения батарейного коммутатора 7 по шине 20. Если при этом нажать кнопку 19 в блоке БУБ 5, то сработают электронный ключ 14 и электронные ключи с гальванической развязкой 15, запустив в работу преобразователи 10 блоков БУМ 3. Если при этом нажать кнопку 19 в одном из блоков БУМ 3, то через открывшийся ключ 16 отпирающие напряжение поступит с выхода преобразователя 10 на входы управления электронных ключей 17 с гальванической развязкой, запускающих в работу преобразователи напряжения 12, запитывающие микроконтроллеры 13 соответствующих блоков БУН 1. При выключенном блоке БУБ 5 можно вручную включить любой блок БУМ 3 с помощью переключателя 18 блока БУМ 3, а при выключенных блоках БУМ 3 можно включить любой блок БУН 1 с помощью переключателя 18 блока БУН 1. Таким образом, обеспечивается режим автономной отработки блоков управления системы. Электронные ключи 14, 16 в блоках БУБ 5 и БУМ 3 системы могут быть реализованы на транзисторах IRLML6402TR (International Rectifier), электронные ключи 15, 17 с гальванической развязкой блоков БУМ 3 и БУН 1 - на оптронах FODM8801A (Fairchild). В качестве переключателей 18 блоков БУМ 3 и БУН 1 могут быть выбраны переключатели типа SDMR-1-T (Bourns), а в качестве кнопок 19 блоков БУБ 5, БУМ 3 - кнопки типа 7914J-1-050 (Bourns).

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 заключается в обеспечении возможности поэтапного поуровневого автоматического и ручного включения и выключения электропитания системы. Сущность изобретения состоит в том, что в микроконтроллерные блоки управления иерархической системы введен аппаратно-программный механизм поуровневого управления питанием на основе управляемых микроконтроллерами блоков электронных ключей, управляющих состоянием электронных ключей с гальванической развязкой, которые запускают в работу подключенные к клеммам батарейных модулей и накопителей преобразователи напряжения, запитывающие микроконтроллеры блоков, а также элементы ручного управления включением преобразователей напряжения микроконтроллерных блоков управления системы.1 ил.

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая микроконтроллерные блоки управления накопителями на нижнем уровне управления, подключенные по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам управления модулями среднего уровня управления, подключенным по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку управления батареей верхнего уровня управления, связанному с бортовым зарядным устройством и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи и подключенному к коммутатору батареи, в которой блок управления батареей содержит подключенный через коммутатор и LC-фильтр к клеммам батареи понижающий преобразователь напряжения, подключенный через LC-фильтр к микроконтроллеру блока, блоки управления модулями содержат подключенные через LC-фильтры к клеммам соответствующих батарейных модулей понижающие преобразователи напряжения, подключенные через LC-фильтры к микроконтроллерам блоков, блоки управления накопителями содержат подключенные через LC-фильтры к борнам соответствующих накопителей повышающие преобразователи напряжения, подключенные через LC-фильтры к микроконтроллерам блоков, отличающаяся тем, что в нее введен аппаратно-программный механизм управления электропитанием системы, состоящий в блоке управления батареей из управляемого микроконтроллером электронного ключа, подключающего выход понижающего преобразователя напряжения блока к управляющим входам электронных ключей с гальванической развязкой блоков управления модулями, подключающих клемму «+» соответствующего батарейного модуля к входу запуска понижающего преобразователя напряжения блока, выход понижающего преобразователя напряжения блоков управления модулями через управляемый от соответствующего микроконтроллера электронный ключ подключен к управляющим входам электронных ключей с гальванической развязкой соответствующих блоков управления накопителями, подключающих клемму «+» соответствующих накопителей к входу запуска повышающего преобразователя напряжения блока, электронные ключи с гальванической развязкой блоков управления накопителями и блоков управления модулями зашунтированы механическими переключателями, клеммы «-» батарейных модулей и батареи через кнопки соединены с входами разовых команд микроконтроллеров блоков управления модулями и блока управления батареей соответственно, а коммутатор батареи дополнительно содержит вход управления включением от внешних систем.