СПОСОБ ЗАРЯДА ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2018 года по МПК H02J7/00 

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 достижении напряжения любого из аккумуляторов заданного максимального значения, при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением U_MlN, исходя из него рассчитывают общее время включения заряда Т_ОБЩ до его максимальной величины U, а к остальным аккумуляторам в процессе заряда подключаются балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора исходя из соотношения:

где UMlN - наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, В;

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

а - скорость заряда аккумулятора без подключенного балансировочного резистора В/ч;

b - скорость заряда аккумулятора с подключенным балансировочным резистором В/ч;

Т_ОБЩ - длительность заряда аккумулятора с наименьшим напряжением, ч;

T ₁ - длительность заряда i-аккумулятора без подключенного балансировочного резистора, ч;

T ₂ - длительность заряда i-аккумулятора с подключенным балансировочным резистором, ч.

Действительно, если аккумуляторы имеют разную степень заряженности, и 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.

Рассмотрим конкретный пример для литий-ионной аккумуляторной батареи номинальной емкостью 100 А⋅ч. Известно, что литий-ионные аккумуляторы эксплуатируются в основном в диапазоне напряжений от 2,7 В до 4,1 В. Величина скорости заряда аккумуляторной батареи с подключенным и отключенным балансировочным резистором рассчитывается исходя из тока заряда и величины сопротивления балансировочного резистора, а также также исходя из текущего напряжения аккумуляторной батареи. Для аккумуляторной батареи рассматриваемого нами примера ток заряда составляет 5 А, сопротивление балансировочного резистора составляет 15 Ом. Зная эти праметры, можно сделать вывод, что скорость заряда с подключенным балансировочным резистором составит приблизительно 0,11 В/ч, а с отключенным - 0,105 В/ч. Пусть наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее составит U_min=3,0 В, а напряжение i-го аккумулятора из числа оставшихся U_i=3,025 В. Тогда, подставив все известные значения в уравнение (1), получаем, что длительность заряда аккумулятора с наименьшим (балансировочный резистор к аккумулятору с наименьшим напряжением не подключается) составит 10 часов. Тогда заряд i-го аккумулятора будет происходить следующим образом: сперва в течение 1,67 часа будет происходить заряд аккумулятора с отключенным балансировочным резистором, после чего подключается балансировочный резистор и оставшиеся 8,83 часа идет заряд i-го аккумулятора с подключенным балансировочным резистором. Тем самым происходит выравнивание напряжения аккумулятора с минимальным напряжением и i-го аккумулятора, что обеспечит максимальную эффективность использования аккумуляторной батареи.

На 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 транвформаторе 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 периоды времени, необходимые для устранения разбалансов путем разряда аккумуляторов на балансировочные резисторы 4-2.

2. После начала заряда аккумуляторной батареи через расчетное время 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). Тем самым к окончанию заряда происходит выравнивание напряжений аккумуляторов.

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

Использование: в области электротехники. Техническим результатом является повышение эффективности использования литий-ионной аккумуляторной батареи при длительной ее эксплуатации. Согласно способу 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 достижении напряжения любого из аккумуляторов заданного максимального значения, при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением U_MIN, исходя из него рассчитывают общее время включения заряда Т_ОБЩ до его максимальной величины U, а к остальным аккумуляторам в процессе заряда подключаются балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора. 1 ил.

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 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 достижении напряжения любого из аккумуляторов заданного максимального значения, при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением U_MIN, исходя из него рассчитывают общее время включения заряда Т_ОБЩ до его максимальной величины U, а к остальным аккумуляторам в процессе заряда подключаются балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора исходя из соотношения:

где U_MIN - наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, В;

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

a - скорость заряда аккумулятора без подключенного балансировочного резистора В/ч;

b - скорость заряда аккумулятора с подключенным балансировочным резистором В/ч;

Т_ОБЩ - длительность заряда аккумулятора с наименьшим напряжением, ч;

Т₁ - длительность заряда i-аккумулятора без подключенного балансировочного резистора, ч;

Т₂ - длительность заряда i-аккумулятора с подключенным балансировочным резистором, ч.