УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И ВЫРАВНИВАНИЯ СТЕПЕНИ ЗАРЯЖЕННОСТИ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ АККУМУЛЯТОРОВ БЛОКА Российский патент 2019 года по МПК H01M10/48 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, предназначенных для непрерывного автоматического контроля и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов в блоке, установленном на транспортном средстве, например гибридном автомобиле или электромобиле.

Из уровня техники известно устройство автоматического контроля и выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов комбинированной энергетической установки по патенту на изобретение (RU 2626378, МПК (2016.01) : Н01М 10/48, опубликованное 26.07.2017), содержащее источник питания в виде блока последовательно соединенных аккумуляторов, систему режима потребления и зарядки аккумуляторов блока, группу однопозиционных нормально-разомкнутых ключей с малым внутренним сопротивлением, две электрические шины, при этом положительные полюса аккумуляторов блока с нечетными номерами подключены к одной электрической шине, а все положительные полюса аккумуляторов блока с четными номерами к другой электрической шине, микроконтроллер, связанный с блоком формирования отклонений напряжений от среднего значения, информационной шиной с цифровым индикатором порядковых номеров проблемных аккумуляторов блока и блоком управления коммутацией, установленного с возможностью последовательного подключения аккумуляторов блока к двум электрическим шинам.

К недостаткам аналога относится отсутствие возможности непрерывного контроля и выравнивания степени заряженности каждого из аккумуляторов блока, отсутствие возможности одновременного контроля температуры и напряжения каждого из аккумуляторов при напряжении в аккумуляторной батарее (АКБ) достигающем нескольких сотен вольт.

Наиболее близко, по технической сущности к предлагаемому изобретению, относится система управления температурой параллельно-последовательно соединенного аккумуляторного блока по патенту на изобретение (US 9257729 В2, МПК : Н01М 10/50 (2006/01), публикация от 09.02.2016). Согласно изобретению в общем случае аккумуляторная батарея АКБ электромобиля представляет собой параллельно-последовательное соединение ячеек. Аккумуляторные ячейки горизонтально соединены в параллель, а полученные ряды соединены последовательно.

Транспортное средство включает в себя аккумуляторную АКБ электромобиля, представляющую собой параллельно-последовательное соединение ячеек, причем аккумуляторные ячейки горизонтально соединены в параллель, а полученные ряды соединены последовательно, систему контроля температуру АКБ посредством температурных датчиков и управления температурой с помощью контроллера, систему управления, которая отслеживает и контролирует общее функционирование различных подсистем автомобиля. Также данная система следит за уровнем заряда и скоростью разряда, как в процессе эксплуатации автомобиля, так и в режиме простоя, при этом контроллер сравнивает измеренные напряжения между собой, установив, например, максимально допустимую величину разницы.

К недостаткам прототипа относится:

отсутствие возможности непрерывного контроля и выравнивания степени заряженности каждого из аккумуляторов блока;

функциональная разобщенность, и следовательно, сложность схемотехнического решения проблемы одновременного контроля температуры и напряжения;

отсутствие хорошей диэлектрической развязки между силовым высоковольтным блоком аккумуляторов, на котором напряжение в АКБ может достигать нескольких сотен вольт, и низковольтными частями контроля напряжения и температуры. Поэтому в прототипе рекомендуется разбивать высоковольтные аккумуляторные блока на несколько последовательно соединенных модулей из параллельно-последовательных аккумуляторов объединяя их в герметичный блок АКБ, что влечет за собой дополнительные технические сложности и снижение надежности.

Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности и увеличении срока эксплуатации блока параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов, расширение функциональных возможностей, обеспечение одновременной балансировки как перезаряженных, так и недозаряженных аккумуляторов с высоким КПД при непрерывной работе в режиме зарядки и энергопотребления.

Технический результат заключается в следующем:

1. Осуществляется одновременный контроль температуры каждого аккумулятора и температуры среды внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов.

2. Одна система одновременно осуществляет следующие функции.

Контроль:

контроль электрических параметров (напряжение и внутреннее сопротивление каждого аккумулятора блока;

контроль температуры каждого аккумулятора;

контроль температуры среды внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов в виде среднего значения при измерении в нескольких точках;

контроль разницы между температурой среды внутри корпуса блока аккумуляторов и температурой на каждом из аккумуляторов блока;

выявление недопустимых отклонений напряжений рядов аккумуляторов при перезаряде и недозаряде;

выявление проблемного аккумулятора и индикация на дисплее его порядкового номера в ряде АКБ по распределению температуры аккумуляторов в проблемном ряде аккумуляторов;

отображение на экране распределения температуры в виде графика в ряде параллельно соединенных аккумуляторов, содержащей проблемный аккумулятор;

датчики температуры не требуют диэлектрической изоляции относительно корпуса аккумулятора и, следовательно, имеют высокую точность и малую тепловую инерцию при контроле температуры.

Выравнивание:

выравнивание степени заряженности осуществляется адресно и пропорционально степени разбаланса каждого из аккумуляторов, как при перезаряде, так и при недозаряде аккумуляторов блока;

выравнивание осуществляется импульсными токами величиной больше ампера при КПД более 80%.

3. Обеспечивается хорошая диэлектрическая развязка между силовой высоковольтной частью и низковольтной системой управления, при этом напряжение в АКБ может достигать нескольких сотен вольт.

4. Система реализуется на основе серийной элементной базы и не требует разработки дополнительных оригинальных элементов, что значительно снижает стоимость устройства.

Технический результат достигается за счет того, что устройство автоматического мониторинга и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательного соединения аккумуляторов блока содержит источник питания в виде блока параллельно - последовательного соединения аккумуляторов, систему режима потребления и зарядки аккумуляторов блока, блок коммутации аккумуляторов, две шины для измерения электрических параметров, блок управления коммутацией и микроконтроллер, при этом положительные полюса из последовательно соединенных аккумуляторов блока с нечетными номерами подключены к одной шине, а все положительные полюса последовательно соединенных аккумуляторов блока с четными номерами к другой шине, микроконтроллер связан с блоком измерения электрических параметров, а информационной шиной связан с цифровым индикатором проблемных по электрическим параметрам аккумуляторов блока и входом блока управления коммутацией, установленного с возможностью последовательного подключения аккумуляторов блока к шинам для измерения электрических параметров. Отличие, согласно изобретения, состоит в том, что каждый аккумулятор блока аккумуляторов снабжен резистором одинаково малой величины и датчиком температуры, при этом одними выводами резистор одинаково малой величины и датчик температуры электрически присоединены к положительному контакту каждого аккумулятора; параллельное соединение аккумуляторов в блоке для каждого горизонтального ряда аккумуляторов выполнено объединением вторых выводов резисторов одинаково малой величины в общий вывод ряда аккумуляторов блока, полученные ряды последовательно соединены в единый блок аккумуляторов, представляющий собой m параллельно соединенных аккумуляторов, образующих n рядов по последовательному соединению и общим количеством (m×n); блок аккумуляторов снабжен датчиками температуры, равномерно размещенными по внутреннему объему герметичного корпуса блока аккумуляторов, каждый из которых одним выводом электрически заземлен; блок аккумуляторов имеет два вывода от рядов j и h для связи соответственно с блоками компенсации перезаряда и недозаряда, при выравнивании степени заряженности аккумуляторов блока; снабжено блоком коммутации датчиков температуры, содержащим ключи датчиков температуры с управляющими обмотками, установленные в виде m параллельно соединенных ключей датчиков температуры, образующих нечетные и четные ряды по последовательному соединению общим количеством m× (n+1), причем, n+1 ряд установлен для измерения температуры среды внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов, аналоговыми коммутаторами нечетным и четным управляющих обмоток рядов ключей датчиков температуры нечетных и четных по последовательному соединению с m входами, шинами измерения температуры аккумуляторов связывающих выходы блока коммутации датчиков температуры с входами нечетного и четного блоков измерения температуры аккумуляторов, блоками измерения температуры аккумуляторов нечетных и четных рядов из параллельно соединенных m аккумуляторов блока, включающий: включающий: импульсный трансформатор с двумя первичными последовательно соединенными и одной вторичной обмотками, диодные блоки с конденсаторами, инструментальным усилителем с двумя входами и одним выходом, цифровым индикатором проблемного по температуре аккумулятором блока, дисплеями распределения температуры нечетных и четных рядов параллельно соединенных m аккумуляторов по последовательному соединению, отображающих гистограммы распределения температуры в рядах, содержащих проблемные по температуре аккумуляторы; блоки компенсации перезаряда и недозаряда аккумуляторов блока, при этом, блок коммутации аккумуляторов выполнен с возможностью коммутации общих выводов рядов по последовательному соединению m параллельно соединенных аккумуляторов блока с шинами измерения электрических параметров, нечетные и четные ряды ключей датчиков температуры одними выводами подсоединены к соответствующим датчикам температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов блока, а другими выводами подключены к шинам измерения температуры аккумуляторов соответственно нечетных и четных рядов, общим выводом объединенных нечетных и четных рядов ключей датчиков температуры связан через нечетную и четную шины измерения температуры аккумуляторов с первыми входами нечетного и четного блоков измерения температуры, а второй вход блока измерения температуры нечетных рядов датчиков температуры связан с четной шиной измерения электрических параметров, второй вход блока измерения температуры четных рядов датчиков температуры связан с нечетной шиной измерения электрических параметров, выходы блоков измерения температуры нечетных и четных рядов датчиков температуры связаны с входами инструментального усилителя и микроконтроллера, одни выводы управляющих обмоток ключей датчиков температуры установлены с возможностью попарного подключения к соседним выходам блока управления коммутацией, а вторые выводы подключены к соответствующим m входам аналоговых коммутаторов, к входам аналогового коммутатора нечетных и четных рядов подключены управляющие обмотки ключей соответственно нечетных и четных рядов датчиков температуры, а выходы аналоговых коммутаторов заземлены, блок управления коммутацией, нечетные и четные аналоговые коммутаторы, цифровые индикаторы проблемных по температуре и по электрическим параметрам аккумуляторов блока, дисплеи распределения температуры нечетных и четных рядов параллельно соединенных m аккумуляторов по последовательному соединению, информационными шинами связаны с микроконтроллером и управляются от него, входами блок измерения

электрических параметров параллельно соединенных n рядов из m аккумуляторов связан с шинами измерения электрических параметров, а выходом с микроконтроллером, входами блок компенсации перезаряда аккумуляторов связан с шинами измерения электрических параметров и по управляющему сигналу с микроконтроллером, а выходом связан с j-ым рядом блока аккумуляторов, входами блок компенсации недозаряда аккумуляторов связан с шинами измерения электрических параметров и по управляющему сигналу с микроконтроллером, а выходом связан с h-ым рядом блока аккумуляторов, причем напряжение h-ого ряда больше напряжения j-ого ряда.

Также еще отличия состоят в том, что каждый из датчиков температуры установлен внутри корпуса соответствующего аккумулятора, датчики температуры выполнены в виде терморезисторов с большим внутренним сопротивлением, резисторы одинаково малой величины в блоке аккумуляторов, при недопустимых отклонениях напряжения в проблемных аккумуляторах, являются предохранителями, количество датчиков температуры, равномерно размещенных по внутреннему объему герметичного корпуса блока аккумуляторов равно числу аккумуляторов в ряде.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами, на котором изображены:

Фиг. 1 - блок - схема устройства предложенного изобретения;

Фиг. 2 - осциллограммы контроля электрических параметров и температуры;

Фиг. 3 - осциллограмма выравнивания электрических параметров при перезаряде;

Фиг. 4 - осциллограмма выравнивания электрических параметров при недозаряде.

Устройство предложенного изобретения содержит:

источник питания в виде размещенного в герметичном корпусе блока m параллельно соединенных аккумуляторов 1 (АКБ), образующих n рядов по последовательному соединению и общим количеством (m×n), причем, к положительному контакту каждого аккумулятора электрически присоединены одними выводами резистор одинаково малой величины и датчик температуры (например, терморезистор с большим внутренним сопротивлением);

в блоке аккумуляторов равномерно размещены по внутреннему объему герметичного корпуса датчики температуры для измерения температуры его среды;

блок АКБ имеет два вывода от рядов h и j для связи соответственно с блоками компенсации перезаряда 21 (БКп) и недозаряда 22(БКн) при выравнивании степени заряженности аккумуляторов АКБ;

систему режима потребления и зарядки 2 (СПЗ) АКБ в условиях эксплуатации;

блок коммутации аккумуляторов 3 (БКА) содержит n+1 однопозиционных нормально-разомкнутых ключей с малым внутренним сопротивлением (дальше по тексту, ключей с малым внутренним сопротивлением) и управляющими обмотками, попарно подключающим к шинам измерения электрических параметров 4 (а), 5 (б) n последовательно включенных рядов аккумуляторов, причем, управляющие обмотки ключей с малым внутренним сопротивлением связаны одними выводами с соответствующими выходами блока управления коммутацией 7 (БУК), а другими заземлены;

блок коммутации аккумуляторов 3 (БКА) содержит n+1 ключей с малым внутренним сопротивлением и управляющими обмотками;

в каждом ряду аккумуляторов АКБ вторые выводы резисторов малой величины объединены в общий провод ряда аккумуляторов;

шина измерения электрических параметров 4 (а), к которой присоединены все общие провода последовательно соединенных рядов аккумуляторов АКБ с нечетными номерами;

шина измерения электрических параметров 5 (б), к которой присоединены все общие провода последовательно соединенных рядов аккумуляторов АКБ с четными номерами;

блок коммутации датчиков температуры 6 (БКДт), содержит однопозиционные нормально-разомкнутые ключи датчиков температуры (дальше по тексту, ключи датчиков температуры) с управляющими обмотками, установленные в виде m параллельно соединенных ключей датчиков температуры, образующих нечетные и четные ряды по последовательному соединению общим количеством (n+1), причем, n+1 ряд установлен для измерения температуры среды, внутри герметичного корпуса аккумулятора;

все датчики температуры, измеряющие температуру аккумуляторов нечетных и четных рядов АКБ, через нечетные и четные ряды ключей датчиков температуры подсоединены к шинам измерения температуры аккумуляторов 10 (в), и 11 (г);

в каждом ряду ключей датчиков температуры, одни выводы объединены в общий провод, и все нечетные ряды подсоединены к шине измерения температуры аккумуляторов 10 (в), вторыми выводами ключи датчиков температуры присоединены ко вторым выводам датчиков температуры установленных на аккумуляторах каждого нечетного ряда;

в каждом ряду ключей датчиков температуры, одни выводы объединены в общий провод, и все четные ряды подсоединены к шине измерения температуры аккумуляторов 11 (г), вторыми выводами ключи датчиков температуры присоединены ко вторым выводам датчиков температуры установленных на аккумуляторах каждого четного ряда;

вторые выводы управляющих обмоток нечетных и четных ключей датчиков температуры соответственно связаны с входами нечетного и четного аналоговых коммутаторов 8 (АКн) и 9 (АКч);

блок управления коммутации 7 (БУК) представляет собой сдвоенный демультиплексор на n выходов в каждом, соединенных между собой соответствующим образом, с общим числом выходов n+1;

аналоговый коммутатор 8 (Кн) управляющих обмоток рядов ключей датчиков температуры нечетных по последовательному соединению, с т входами;

аналоговый коммутатор 9 (Кч) управляющих обмоток рядов ключей датчиков температуры четных по последовательному соединению, с т входами;

шина измерения температуры аккумуляторов 10 (в) соединенная с общим выводом объединенных рядов ключей датчиков температуры, блока коммутации датчиков температуры только нечетных по последовательному соединению рядов аккумуляторов АКБ;

шина измерения температуры аккумуляторов 11 (г) соединенная с общим выводом объединенных рядов ключей датчиков температуры, блока коммутации датчиков температуры только четных по последовательному соединению рядов аккумуляторов АКБ;

микроконтроллер 12;

блок измерения температуры 13 (БИТ_н) каждого ряда параллельно соединенных m аккумуляторов АКБ нечетных по последовательному соединению, включающий: импульсный трансформатор с двумя первичными последовательно соединенными и одной вторичной обмотками, диодный блок с конденсаторами;

блок измерения температуры 14 (БИТ_ч) каждого ряда параллельно соединенных m аккумуляторов АКБ четных по последовательному соединению, включающий: импульсный трансформатор с двумя первичными последовательно соединенными и одной вторичной обмотками, диодный блок с конденсаторами;

инструментальный усилитель 15 (ИУ) с двумя входами и одним выходом;

цифровой индикатор 16 (ЦИ_Т) проблемного по температуре аккумулятора АКБ;

дисплей 17 (Дтн) распределения температуры нечетного ряда параллельно соединенных m аккумуляторов АКБ, отображающий гистограммы распределения температуры в рядах, содержащих проблемные по температуре аккумуляторы;

дисплей 18 (Дтч) распределения температуры четного ряда параллельно соединенных m аккумуляторов, отображающий гистограммы распределения температуры в рядах, содержащих проблемные по температуре аккумуляторы;

блок измерения 19 (БИэ) электрических параметров ряда параллельно соединенных m аккумуляторов АКБ, включающий: импульсный трансформатор с двумя первичными последовательно соединенными и одной вторичной обмотками, диодный блок с конденсаторами;

цифровой индикатор электрических параметров 20 (ЦИ_э) номера проблемного по электрическим параметрам ряда из m параллельно соединенных аккумуляторов АКБ;

блоки компенсации перезаряда 21 (БКп) и недозаряда 22 (БКн) аккумуляторов АКБ, каждый из которых включает согласующую цепочку, состоящую из конденсатора и резистора, силовой трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками, два однопозиционных нормально-разомкнутых ключа коммутации нечетных и четных рядов параллельно соединенных m аккумуляторов АКБ, два логических элемента схемы совпадений, триггер четности, ограничительный резистор.

Предложенное устройство работает следующим образом.

КОНТРОЛЬ.

Последовательность работы по контролю температуры аккумуляторов АКБ.

По сигналу микроконтроллера 12 (МК), подаваемому на вход адресной коммутации сдвоенного демультиплексора блока управления коммутации 7 (БУК) с числом выходов n+1 осуществляется подключение первого нечетного ряда из m аккумуляторов АКБ через первый и второй ключи с малым внутренним сопротивлением блока коммутации 3 (БКА) к шинам измерения электрических параметров 4 (а) и 5 (б).

При этом одновременно осуществляется подключение датчиков температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов через ключи датчиков температуры к шинам измерения температуры аккумуляторов 10 (в) и 11 (г).

За время замкнутого состояния первого и второго ключей с малым внутренним сопротивлением блока коммутации 3 (БКА), нечетный и четный аналоговые коммутаторы 8 (Кн) и 9 (Кч) должны успеть опросить все датчики температуры соответственно нечетного и четного рядов аккумуляторов АКБ. Причем, при коммутации ключей датчиков температуры направление тока через датчики температуры будет для нечетных рядов - положительным, а для четных рядов - отрицательным.

С шин измерения электрических параметров 4 (а) и 5 (б), на датчики температуры нечетных рядов из m аккумуляторов подается положительное напряжение, а на датчики температуры четных рядов из m аккумуляторов отрицательное напряжение.

С каждого аккумулятора ряда на датчики температуры нечетных рядов из m аккумуляторов подается положительное напряжение, а на датчики температуры четных рядов из m аккумуляторов отрицательное напряжение.

Напряжение питания на управляющие обмотки ключей датчиков температуры блока коммутации датчиков температуры 6 (БКДт) подается только с первого и второго выходов блока управления коммутацией 7 (БУК), при этом напряжение с управляющих обмоток ключей датчиков температуры первого нечетного и четного рядов блока коммутации датчиков температуры 6 (БКДт) подается соответственно к входам, нечетных и четных аналоговых коммутаторов 8 (АКн) и 9 (АКч).

Далее с частотой, превышающей частоту опроса блока коммутации 7 (БУК) в m раз от нечетных и четных аналоговых коммутаторов 8 (АКн) и 9 (АКч) через ключи датчиков температуры, одновременно происходит синхронный опрос датчиков температуры, измеряющих температуру двух соседних нечетной и четной рядов аккумуляторов АКБ.

Через шины измерения температуры аккумуляторов 10 (в) и 11 (г) напряжение с датчиков температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов АКБ поступает, соответственно, на входы нечетных и четных блоков измерения температуры 13 (БИТ_н) и 14 (БИТ_ч), и на их выходах формируется напряжение, пропорциональное температуре по каждому из аккумуляторов нечетного и четного рядов аккумуляторов АКБ (см. фиг. 2).

Напряжение с каждого из нечетных и четных блоков измерения температуры 13 (БИТ_н) и 14 (БИТ_ч) передается на обработку в микроконтроллер 12 (МК) и на входы инструментального усилителя 15 (ИУ).

На выходе инструментального усилителя 15 (ИУ) формируется напряжение пропорциональное разности температур нечетного и четного рядов аккумуляторов АКБ и передается в микроконтроллер 12 (МК).

Описанная выше последовательность измерения температуры аккумуляторов повторяется при подключении каждого следующего ряда из m параллельно соединенных аккумуляторов АКБ на шинах измерения электрических параметров 4 (а) и 5(6).

В результате опроса всех датчиков температуры аккумуляторов АКБ, на цифровом индикаторе 16 (ЦИ_т) индицируется порядковый номер проблемного по температуре аккумулятора АКБ, а на дисплеях 17 (Д_тн) и 18 (Д_тч) отображается распределение температуры в виде гистограммы соответственно нечетного и четного параллельно соединенного ряда m аккумуляторов АКБ, содержащих проблемный по температуре аккумулятор.

Последовательность работы по контролю электрических параметров аккумуляторов АКБ.

При последовательном попарном опросе ключей с малым внутренним сопротивлением блока 3 (БКА) от блока управления коммутацией 7 (БУК) на шинах измерения электрических параметров 4 (а) и 5 (6) происходит чередование положительных и отрицательных напряжений прямоугольной формы и с амплитудой, пропорциональной напряжению на каждом из аккумуляторов АКБ (см. фиг. 2), которое параллельно поступает на входы блока 19 (БИэ) измерения электрических параметров, блока 21 (БК_п) компенсации перезаряда аккумуляторов АКБ и блока 22 (БК_н) компенсации недозаряда аккумуляторов блока АКБ.

В блоке 19 (БИэ) измерения электрических параметров формируется среднее значение напряжения по всем рядам аккумуляторов АКБ и при отличии амплитуды напряжения рассогласования на любом из рядов аккумуляторов АКБ от среднего значения, на выходе блока 19 (БИэ) измерения электрических параметров, появляется импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна величине напряжения рассогласования ряда, а длительность обратно пропорциональна тактовой частоте опроса, причем, положительное значение импульса напряжения рассогласования соответствует перезаряду, а отрицательное значение - недозаряду контролируемого ряда аккумуляторов АКБ

При обработке сигнала в микроконтроллере 12 (МК) учитывается знак (плюс и минус) входного импульса напряжения рассогласования, поскольку положительные импульсы напряжения разбаланса соответствуют перезаряду, а отрицательные недозаряду аккумуляторов АКБ.

В результате с микроконтроллера 12 (МК) при положительном входном импульсе напряжения рассогласования, управляющие сигналы поступают на вход блока 21 (БК_п) компенсации перезаряда, а при отрицательном входном импульсе напряжения рассогласования, управляющие сигналы поступают на вход блока 22 (БК_н) компенсации недозаряда.

При превышении отклонений напряжений от среднего значения на проблемных аккумуляторах АКБ допустимых предельных величин, микроконтроллер 12 (МК) индицирует на цифровой индикатор электрических параметров 20 (ЦИ_э) порядковый номер проблемного по электрическим параметрам ряда аккумуляторов АКБ и характер неисправности (перезаряд и недозаряд).

ВЫРАВНИВАНИЕ.

Процесс выравнивания начинается с поступления от микроконтроллера 12 (МК) управляющих импульсов напряжения с длительностью, пропорциональной амплитуде рассогласования на блоки компенсации перезаряда и недозаряда.

Блоки компенсации перезаряда 21 (БКп) и недозаряда 22 (БКн) аккумуляторов блока, каждый из которых включает согласующую цепочку, состоящую из конденсатора и резистора, силовой трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками, два однопозиционных нормально разомкнутых ключа с малым внутренним сопротивлением коммутации нечетных и четных рядов параллельно соединенных m аккумуляторов, два логических элемента, схемы совпадений, триггер четности, ограничительный резистор.

В случае поступления положительного импульса из блока измерения электрических величин 19 (БИэ) в микроконтроллер 12 (МК), в блок компенсации перезаряда 21 (БКп) поступает импульс компенсирующего напряжения, длительностью пропорциональной величине перезаряда, а в случае поступления отрицательного импульса из блока измерения электрических величин 19 (БИэ) в микроконтроллер 12 (МК), в блок компенсации недозаряда 22 (БКн) поступает импульс компенсирующего напряжения, длительностью пропорциональной величине недозаряда.

В блоке компенсации перезаряда 21 (БКн) формируется импульс компенсирующего напряжения длительностью пропорциональной величине перезаряда и через гальваническую развязку на импульсном трансформаторе блока компенсации перезаряда 21 (БК_п) подается на вывод j-ого ряда аккумуляторов АКБ, причем амплитуда импульса компенсирующего напряжения, формируемого на проблемном ряде аккумуляторов АКБ (см. фиг. 1, 3) больше, чем постоянное напряжение на j-ом ряде аккумуляторов АКБ.

В блоке компенсации недозаряда 22 (БКн) формируется импульс компенсирующего напряжения длительностью пропорциональной величине недозаряда и через гальваническую развязку на импульсном трансформаторе блока компенсации недозаряда 22 (БКн) подается на вывод h-ого ряда аккумуляторов АКБ, причем амплитуда импульса компенсирующего напряжения, формируемого на проблемном ряде аккумуляторов АКБ (см. фиг. 1, 4) меньше, чем нам h-ом ряде аккумуляторов АКБ, при этом напряжение h-ого ряда больше напряжения j-ого ряда.

Таким образом, вся измерительная информация по контролю температуры и электрических параметров аккумуляторов АКБ поступает в микроконтроллер 12 (МК), в котором осуществляется обработка результатов и программное преобразование в управляющие сигналы, и визуальную индикацию на перечисленных внешних устройствах, при этом микроконтроллер:

осуществляет синхронный опрос блока управления коммутацией 7 (БУК) и нечетные 8 (АКн) и четные 9 (АКч) аналоговые коммутаторы;

осуществляет статистическую обработку сигналов по температуре нечетных и четных рядов аккумуляторов АКБ и определяет математическое ожидание и поле рассеяния температуры в контролируемых рядах аккумуляторов АКБ;

оценивает допустимую разницу в температуре нечетных и четных рядов аккумуляторов АКБ на соответствие допустимым границам;

выдает управляющую информацию на индикацию распределения температуры в проблемных нечетных и четных рядах аккумуляторов АКБ соответственно на дисплеи распределения температуры нечетного ряда 17 (Дтн) или четного ряда 18 (Дтч) и индицирует на цифровой индикатор 16 (ЦИ_т) порядковый номер проблемного по температуре аккумулятора АКБ;

отдельно применительно к n+1 ряду, установленному для измерения температуры среды внутри герметичного корпуса аккумулятора, вычисляет и анализирует среднюю температуру внутри герметичного корпуса аккумуляторов АКБ, сравнивает со средней температурой нечетных и четных рядов аккумуляторов АКБ по заданным границам допустимых расхождений средних температур среды и аккумуляторов для поддержания комфортных условий эксплуатации аккумуляторов АКБ;

преобразует программно поступающие из блока 19 (БИэ) измерения электрических параметров, амплитуды импульсов напряжения рассогласования, в управляющие сигналы, длительностью пропорциональной амплитуде входных импульсов напряжения рассогласования и постоянной амплитуды;

управляющий сигнал, от микроконтроллера с учетом знака импульса напряжения рассогласования (плюс, минус), поступает либо на вход блока 21 (БК_п) компенсации перезаряда при положительном знаке импульса, либо на вход блока 22 (БК_н) компенсации недозаряда при отрицательном знаке импульса;

индицирует на цифровой индикатор электрических параметров 20 (ЦИ_э) порядковый номер проблемного по электрическим параметрам ряда аккумуляторов АКБ и характер неисправности (перезаряд и недозаряд), при этом одновременно на соответствующие дисплеи распределения температуры нечетного ряда 17 (Дтн) или четного ряда 18 (Дтч) отображается распределение температуры по всем аккумуляторам проблемного ряда и индицирует на цифровой индикатор 16 (ЦИ_т) порядковый номер проблемного по температуре аккумулятора АКБ;

Таким образом, достигается повышение надежности и увеличение срока эксплуатации аккумуляторов блока посредством непрерывного автоматического контроля и адресного выравнивания напряжения каждого из аккумуляторов с высокой точностью при выравнивании токами в импульсе достигающих нескольких ампер, высоким КПД преобразования энергии с возможностью индикации порядковых номеров с недопустимым отклонением напряжения перезаряда и недозаряда аккумуляторов блока при минимальных затратах оборудования и стоимости, приходящихся на один рабочий аккумулятор блока аккумуляторов, особенно этот эффект пропорционально растет при увеличении количества аккумуляторов в блоке.

Возможность осуществлять в одном устройстве контроль и выравнивание электрических параметров аккумуляторов и одновременно контролировать температуру каждого из них и температуру герметичного корпуса блока АКБ следует рассматривать как новый дополнительный диагностический признак, повышающий надежность системы.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, предназначенных для контроля и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов, например, в блоке транспортного средства. Устройство содержит источник питания в виде блока параллельно-последовательно соединенных n аккумуляторов (АКБ), систему режима потребления и зарядки АКБ в условиях эксплуатации, блок коммутации аккумуляторов с попарно подключающимися ключами к шинам измерения электрических параметров, при этом управляющие обмотки ключей с малым внутренним сопротивлением связаны одними выводами с соответствующими выходами блока управления коммутацией (БУК). Блок коммутации датчиков содержит ключи датчиков температуры, образующих нечетные и четные ряды по последовательному соединению. Все датчики температуры, измеряющие температуру аккумуляторов нечетных и четных рядов АКБ, подсоединены к шинам измерения температуры аккумуляторов. Дисплеи распределения температуры нечетного и четного рядов, параллельно соединенных АКБ, отображают проблемные по температуре аккумуляторы. Блок измерения электрических параметров АКБ посредством микроконтроллера, блоков компенсации перезаряда и недозаряда по управляющему сигналу с микроконтроллера связан с процессом выравнивания степени заряженности аккумуляторов АКБ. Повышение надежности и увеличение срока службы блока параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов является техническим результатом изобретения. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство автоматического мониторинга и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательного соединения аккумуляторов блока, содержащее источник питания в виде блока параллельно-последовательного соединения аккумуляторов, систему режима потребления и зарядки аккумуляторов блока, блок коммутации аккумуляторов, две шины для измерения электрических параметров, блок управления коммутацией и микроконтроллер, при этом положительные полюса из последовательно соединенных аккумуляторов блока с нечетными номерами подключены к одной шине, а все положительные полюса последовательно соединенных аккумуляторов блока с четными номерами к другой шине, микроконтроллер связан с блоком измерения электрических параметров, а информационной шиной связан с цифровым индикатором проблемных по электрическим параметрам аккумуляторов блока и входом блока управления коммутацией, установленного с возможностью последовательного подключения аккумуляторов блока к шинам для измерения электрических параметров, отличающееся тем, что каждый аккумулятор блока аккумуляторов снабжен резистором одинаково малой величины и датчиком температуры, при этом одними выводами резистор одинаково малой величины и датчик температуры электрически присоединены к положительному контакту каждого аккумулятора; параллельное соединение аккумуляторов в блоке для каждого горизонтального ряда аккумуляторов выполнено объединением вторых выводов резисторов одинаково малой величины в общий вывод ряда аккумуляторов блока, полученные ряды последовательно соединены в единый блок аккумуляторов, представляющий собой m параллельно соединенных аккумуляторов, образующих n рядов по последовательному соединению и общим количеством (m×n); блок аккумуляторов снабжен датчиками температуры, равномерно размещенными по внутреннему объему герметичного корпуса блока аккумуляторов, каждый из которых одним выводом электрически заземлен; блок аккумуляторов имеет два вывода от рядов j и h для связи соответственно с блоками компенсации перезаряда и недозаряда, при выравнивании степени заряженности аккумуляторов блока; снабжено блоком коммутации датчиков температуры, содержащим ключи датчиков температуры с управляющими обмотками, установленные в виде m параллельно соединенных ключей датчиков температуры, образующих нечетные и четные ряды по последовательному соединению общим количеством m×(n+1), причем n+1 ряд установлен для измерения температуры среды внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов, аналоговыми коммутаторами нечетных и четных управляющих обмоток рядов ключей датчиков температуры нечетных и четных по последовательному соединению с m входами, шинами измерения температуры аккумуляторов, связывающих выходы блока коммутации датчиков температуры с входами нечетного и четного блоков измерения температуры аккумуляторов, блоками измерения температуры аккумуляторов нечетных и четных рядов из параллельно соединенных m аккумуляторов блока по последовательному соединению, включающий: импульсный трансформатор с двумя первичными последовательно соединенными и одной вторичной обмотками, диодные блоки с конденсаторами, инструментальным усилителем с двумя входами и одним выходом, цифровым индикатором проблемного по температуре аккумулятора блока, дисплеями распределения температуры нечетных и четных рядов параллельно соединенных m аккумуляторов по последовательному соединению, отображающих гистограммы распределения температуры в рядах, содержащих проблемные по температуре аккумуляторы; блоки компенсации перезаряда и недозаряда аккумуляторов блока, при этом блок коммутации аккумуляторов выполнен с возможностью коммутации общих выводов рядов по последовательному соединению m параллельно соединенных аккумуляторов блока с шинами измерения электрических параметров, нечетные и четные ряды ключей датчиков температуры одними выводами подсоединены к соответствующим датчикам температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов блока, а другими выводами подключены к шинам измерения температуры аккумуляторов соответственно нечетных и четных рядов, общим выводом объединенных нечетных и четных рядов ключей датчиков температуры связан через нечетную и четную шины измерения температуры аккумуляторов с первыми входами нечетного и четного блоков измерения температуры, а второй вход блока измерения температуры нечетных рядов датчиков температуры связан с четной шиной измерения электрических параметров, второй вход блока измерения температуры четных рядов датчиков температуры связан с нечетной шиной измерения электрических параметров, выходы блоков измерения температуры нечетных и четных рядов датчиков температуры связаны с входами инструментального усилителя и микроконтроллера, одни выводы управляющих обмоток ключей датчиков температуры установлены с возможностью попарного подключения к соседним выходам блока управления коммутацией, а вторые выводы подключены к соответствующим m входам аналоговых коммутаторов, к входам аналогового коммутатора нечетных и четных рядов подключены управляющие обмотки ключей соответственно нечетных и четных рядов датчиков температуры, а выходы аналоговых коммутаторов заземлены, блок управления коммутацией, нечетные и четные аналоговые коммутаторы, цифровые индикаторы проблемных по температуре и по электрическим параметрам аккумуляторов блока, дисплеи распределения температуры нечетных и четных рядов параллельно соединенных m аккумуляторов по последовательному соединению, информационными шинами связаны с микроконтроллером и управляются от него, входами блок измерения электрических параметров параллельно соединенных n рядов из m аккумуляторов связан с шинами измерения электрических параметров, а выходом с микроконтроллером, входами блок компенсации перезаряда аккумуляторов связан с шинами измерения электрических параметров и по управляющему сигналу с микроконтроллером, а выходом связан j-м рядом блока аккумуляторов, входами блок компенсации недозаряда аккумуляторов связан с шинами измерения электрических параметров и по управляющему сигналу с микроконтроллером, а выходом связан с h-м рядом блока аккумуляторов, причем напряжение h-го ряда больше напряжения j-го ряда.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый из датчиков температуры, измеряющий температуру аккумулятора, установлен внутри корпуса соответствующего аккумулятора.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчики температуры выполнены в виде терморезисторов с большим внутренним сопротивлением.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что резисторы малой величины в блоке аккумуляторов, при недопустимых отклонениях напряжения в проблемных аккумуляторах, являются предохранителями.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что количество датчиков температуры, равномерно размещенных по внутреннему объему герметичного корпуса блока аккумуляторов, равно числу аккумуляторов в ряде.