Система активной балансировки ячеек аккумуляторных батарей Российский патент 2023 года по МПК H02J7/02 H01M10/42 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам контроля, эксплуатации и зарядки аккумуляторных батарей.

В настоящее время наиболее популярными стали литий-ионные аккумуляторные батареи, которые благодаря своим достоинствам широко применяются в электротехнике. Их основные преимущества заключаются в высокой удельной емкости и долговечности, причем они выдерживают без существенного снижения эксплуатационных свойств большое число циклов зарядки-разрядки. Однако эксплуатация батареи, состоящей из последовательно и/или параллельно соединенных ячеек-элементов, имеет ряд особенностей, основная из которых - возможность перегрева в процессе эксплуатации. При комплектации аккумуляторных батарей ячейки подбирают с возможно максимально близкими характеристиками, в частности, скорость деградации материалов электродов, ток саморазряда при хранении, емкость ячеек, внутреннее сопротивление при заряде и разряде. Соответственно, значения напряжений на элементах аккумуляторной батареи должны быть как можно ближе друг к другу. Например, напряжение, ниже которого недопустимо разряжать ячейку в батарее, находится в пределах 2,4-2,8 В, а напряжение, выше которого нельзя заряжать ячейку, лежит в пределах 4,1-4,3 В. Работа элемента в указанных пределах напряжений дает гарантию долгой и безопасной эксплуатации аккумуляторов. Минимизация разброса значений характеристик литий-ионных ячеек, меняющихся в процессе эксплуатации, требует введения в состав аккумуляторных батарей, состоящих из таких ячеек, устройств контроля параметров и управления режимом заряда-разряда. В процессе эксплуатации батареи, указанные факторы разброса параметров приводят к возникновению разности напряжений самого заряженного и самого разряженного элементов аккумулятора. При увеличении этой разности емкость батареи будет снижаться, так как максимально и минимально допустимые величины напряжений на какой-либо ячейке будут достигаться раньше, чем полный заряд или разряд всей батареи. В результате такого процесса происходит снижение общей емкости батареи. Для предотвращения подобных процессов в состав аккумуляторных батарей вводится электронный блок со схемой контроля параметров аккумуляторов и управления режимом заряда-разряда, который обеспечивает балансировку заряда-разряда ячеек батареи. Наиболее перспективными выступают активные системы балансировки. К достоинствам таких систем можно отнести высокий КПД, значительное продление срока службы батареи, применение устройства подзаряда, что особенно важно для бесперебойных источников питания на основе литий-ионных аккумуляторов.

Известна активная система балансировки на основе DC/DC-преобразователя, сделанная для двух аккумуляторов. Вторичные обмотки преобразователя намотаны на один сердечник. Энергия перераспределяется в сердечнике, и самый разряженный аккумулятор в цепочке будет получать больше энергии, чем самый заряженный (А. Рыкованов. «Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей». Силовая Электроника, №1’2009, стр. 52-55). Недостатком такой системы является ограниченность применения балансировки по числу аккумуляторов.

Известна система баланса ячеек аккумуляторных батарей на основе микросхемы LTC3300-1 фирмы Linear Technology. Одна такая микросхема способна перераспределять энергию в батарее, содержащей до шести последовательно соединенных Li-ion аккумуляторов. При этом имеется возможность построения системы баланса для высоковольтных батарей (с напряжением до 1000 В) на основе необходимого количества микросхем LTC3300-1, каждая из которых будет обслуживать свою группу аккумуляторов. Применение этой микросхемы возможно как в тандеме с микросхемой контроля Li-ion батареи LTC6803-1 того же производителя, так и с другими устройствами контроля. Это обусловлено наличием цифрового интерфейса управления и простого протокола обмена управляющей и мониторинговой информацией (А. Рыкованов, С. Беляев. «Активные и пассивные системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей». КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ. №3’2014, стр. 121-124).

Недостатками такого решения выступают необходимость применения мощных MOSFET-транзисторов и недостаточно высокие токи перетока, не превышающие 10 А, что снижает возможности по подзарядке батарей.

Известно устройство балансировки накопителей энергии, которое содержит n накопителей и переключаемый конденсатор, осуществляющий последовательное переключение элементов через накопители. Дополнительно включает в себя n-1 схем балансировки, каждая из которых содержит формирователь импульсов, резистор, переключаемый конденсатор и 4 ключа, при этом формирователь импульсов соединен с ключами так, что обеспечивается попеременное попарное замыкание 2-(n-1) контуров с защитной паузой, включающих смежные ячейки. Балансируемые накопители энергии расположены в смежных ячейках, в качестве накопителей могут быть использованы как суперконденсаторы, так и аккумуляторные батареи любого типа (литий-ионные, щелочные, полимерные и т.д.). Формирователь импульсов обеспечивает попарное попеременное переключение контуров с защитной паузой путем подачи сигнала на полевые транзисторы, выполняющие функцию ключей, таким образом, становится возможным балансировка смежных ячеек накопителей энергии без введения дополнительных элементов (RU 201266).

Недостатком конструкции выступает возможность балансировки только смежных ячеек, а также высокая вероятность пробоя конденсатора при возможных сбоях синхронизации подачи управляющих сигналов.

Известно устройство балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи для нивелирования разности напряжений на аккумуляторах, из которых состоит аккумуляторная батарея и состоящее из: последовательно соединенных аккумуляторных модулей (далее - Модуль), каждый из которых содержит заданное количество аккумуляторов; Блок системы мониторинга, контроля заряда и разряда (СКЗР) Модуля, при этом каждый Блок СКЗР Модуля содержит DC/AC преобразователи для каждого аккумулятора Модуля и DC/AC преобразователь для Модуля в целом, узлы мониторинга и контроля заряда для каждого аккумулятора Модуля и узел мониторинга и контроля заряда для Модуля в целом, а также блоки переключения режимов для каждого аккумулятора Модуля и блок переключения режима Модуля в целом; трансформатора Модуля, содержащего первичную обмотку, соединенную с блоком переключения режима Модуля в целом, вторичных обмоток по числу аккумуляторов в Модуле, соединенных с блоком переключения режимов каждого аккумулятора Модуля и дополнительной обмотки трансформатора Модуля, при этом дополнительные обмотки трансформаторов всех Модулей синфазно объединены для обмена энергией между Модулями; управляющего контроллера батареи (RU 2722619).

Недостатками устройства являются высокая сложность и громоздкость конструкции, перегруженность трансформаторами, что приводит к их взаимовлиянию и наведению интенсивных паразитных ЭДС в обмотках трансформаторов, ведущих к нарушениям в работе системы в целом.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому служит система управления балансировочным устройством, которая содержит блок общего управления и блоки управления каждой из множества ячеек аккумуляторной батареи. Причем каждой ячейкой множества управляет собственный блок, который может содержать микроконтроллер, выполненный с возможностью получения данных о состоянии ячейки, передачи полученной информации в блок общего управления и балансировки напряжения ячеек большими токами (при получении управлявшей команды от блока общего управления). Режим балансировки может работать при заряде, при разряде батареи, а также в состоянии покоя. Предполагается, что преобразователи аккумуляторной батареи могут быть синхронизированы общим управляющим сигналом от блока общего управления или в зависимости от состояния ячейки по сигналу системы управления осуществляют синхронное преобразование постоянного тока в переменный и обратно из переменного в постоянный (RU 2546978).

Недостатками данной системы балансировки выступают высокие массо-габаритные характеристики, обусловленные наличием множества металлоемких трансформаторных инверторов и сложной системы общего управления. К недостаткам нужно отнести значительное увеличение уровня шума и помех при работе DC/AC-преобразователя. Увеличение помех требует более сложной системы измерения напряжений на аккумуляторах, экранирования, фильтрации, повышенных токов управления, что также ведет к удорожанию всей системы аккумуляторного энергообеспечения и высоким энергозатратам на управление и балансировку. Необходимость плотного и компактного расположения элементов системы балансировки приводит к близкому расположению трансформаторов друг к другу. В свою очередь это приводит к взаимному влиянию электромагнитных полей, наведению паразитной ЭДС в обмотках соседних трансформаторов, что не только нарушает работу измерительных и управляющих модулей, но и может приводить к выходу из строя как деталей системы балансировки и самих аккумуляторных ячеек, так и системы общего управления. Кроме того, система с общим блоком управления, при которой ключи преобразователей аккумуляторной батареи синхронизированы общим управляющим сигналом от такого блока общего управления может приводить к ложному, неуправляемому, открытию силовых ключей, причем одновременному в обоих плечах преобразователей, при этом развивается так называемый «сквозной ток» и ключи-транзисторы выходят из строя.

Техническими результатами, достигаемыми настоящим изобретением выступают снижение уровня влияния магнитных полей инверторов на работу системы балансировки, повышение надежности функционирования системы, предотвращение возникновения сквозных токов в управляющих ключах инверторов, увеличение числа обслуживаемых ячеек при уменьшении удельных энергозатрат на управление и балансировку.

Технический результат достигается тем, что система активной балансировки ячеек аккумуляторных батарей, содержащая индивидуальные модули измерения параметров состояния ячеек, электрически связанные между собой через вторичные обмотки индукционных преобразователей энергии индивидуальные модули обмена энергией, каждый из которых выполнен в виде инвертора на трансформаторе с ключами управления и блок формирования и выдачи управляющих сигналов, снабжена, сообщенными с блоком формирования и выдачи управляющих сигналов, драйверами ключей управления инверторов, а блок формирования и выдачи управляющих сигналов выполнен в виде низковольтной дифференциальной шины, к которой параллельно подключены через гальваническую развязку индивидуальные модули измерения параметров ячеек и индивидуальные модули обмена энергией, при этом трансформаторы инверторов выполнены планарными.

Указанная совокупность признаков существенна. Замена обычных трансформаторов инверторов на планарные проявила неожиданный эффект -существенное снижение взаимовлияния магнитных полей трансформаторов с устранением эффекта возникновения наведенных ЭДС в планарных катушках или, по крайней мере, таким снижением уровня помех, которые не влияют на работу системы в целом. Возможно это связано как со значительным уменьшением габаритов трансформаторов и увеличением соответствующих расстояний между ними, так и с самой конструкцией планарных катушек индуктивности, где сердечник практически полностью охватывает обмотки на платах и экранирует электромагнитные поля. Возможно также сыграло свою роль изменение характера вихревых токов в планарных обмотках с устранением скин-эффектов и пр. Значительное снижение или устранение помех с устранением паразитных ЭДС в обмотках, в свою очередь, позволило упростить конструкцию системы баланса и повысить ее надежность путем исключения общего блока управления при разделении ее функций между введенной в конструкцию дифференциальной шины и примененными для управления силовыми транзисторами-ключами специальными драйверами. Они не только улучшили временные параметры открытия-закрытия транзисторов, но и за счет перекрестного управления полностью исключили одновременное открытие транзисторов и возникновение сквозных токов. Но, поскольку функцией гальванической изоляции они не обладают, потребовалось применение цифрового изолятора в виде гальванической развязки, связывающей низковольтную дифференциальную шину с индивидуальными модулями измерения параметров состояния ячеек и указанными драйверами управления ключами.

На рисунке представлена принципиальная схема заявленной системы активной балансировки ячеек аккумуляторных батарей.

Система включает индивидуальные модули 1 измерения параметров состояния последовательно соединенных ячеек 2 аккумуляторных батарей 3. Параллельно ячейкам 2 подключены индивидуальные модули обмена энергией 4, каждый из которых выполнен в виде инвертора 5 на трансформаторе 6 с ключами управления 7 и 8, электрически связанные между собой через вторичные обмотки 9 трансформаторов 6. Коэффициент трансформации последних равен 15. Ключи 7 и 8 соединены с драйверами ключей 10 и 11, которые подключены к блоку формирования и выдачи управляющих сигналов 12. Блок 12 выполнен в виде низковольтной дифференциальной шины 13 с драйвером шины 16, к которой параллельно подключены через гальваническую развязку 14 индивидуальные модули 1 измерения параметров ячеек и индивидуальные модули обмена энергией 4. В составе гальванической развязки 14 имеется отдельное соединение в виде оптрона 15, для включения-выключения модуля 1. Трансформаторы 6 инверторов 5 выполнены планарными. Для измерения тока перетока в модуле 4 имеется датчик 17 на эффекте Холла.

Система работает следующим образом.

Модуль 1 занимается слежением за состоянием ячейки, ее напряжением, температурой и током перетока. Информация собирается модулем 1 и передается через гальваническую развязку 14 на дифференциальную шину 13 по запросу. Блок 12 получает управляющие сигналы (линии А и Б) и выдает их через гальваническую развязку 14 на драйверы 10 и 11. Оптрон 15 служит для детектирования наличия или отсутствия питающего напряжения интерфейса, если питание есть, то модуль 1 переходит в рабочий режим, в противном случае он «засыпает», потребляя от ячейки ток 2-6 мкА. Когда на дифференциальной шине появляется питающее напряжение (линии +V и -V), оптрон 15 открывается и дает модулю 1 сигнал на включение, тот активизирует внутреннее питание и все элементы модуля 1 начинают работу. Оптрон обеспечивает также выключение модулей 1. Как только дифференциальную шину 13 отключают от питания, оптрон 15 закрывается и дает модулю 1 сигнал на переход в энергосберегающий режим. Питание на драйвер шины 16 и развязку 14 поступает через светодиод оптрона 15, это позволило снизить общий ток потребления от шины 13. В итоге уровень потребления тока каждым модулем 1 от шины 13 остается на уровне 6-10 мА в зависимости от активности составных частей схемы. Низкие токи энергопотребления позволяют соединять до 25 модулей 1 и соответствующих ячеек 2 одной шиной 13. Дифференциальная шина 13 может принимать дифференциальный сигнал (линии Н и L)) и преобразовывать его в сигнал RxD, а также принимать сигнал TxD и преобразовывать его в дифференциальный сигнал. Для слежения за температурой используется внутренний термочувствительный элемент внутри модуля 1 (не показано), который позволяет оценить температуру ближайшего окружения, в первую очередь силовых транзисторов - ключей 7 и 8 и трансформатора 6 модуля 4. Измерение тока перетока осуществляется датчиком на эффекте Холла 17. В отсутствии тока на выходе датчика 17 присутствует половина питающего напряжения (2,5 В). Появление положительного или отрицательного тока повышает или понижает это напряжение. Модуль 1 измеряет это напряжение и вычисляет величину тока и его направление. Напряжение ячейки 2 также измеряется модулем 1. Сигналы управления А и Б противофазны друг другу и подключаются каждый к обоим драйверам 10 и 11, но к разным входам, к прямому или инверсному. Такое подключение гарантирует, что в каждый момент времени будет открыт только один силовой транзистор, либо закрыты оба. Это дополнительная защита от сквозного тока при возможных сбоях синхронизации. Силовые транзисторы - ключи 7 и 8, попеременно включаясь и выключаясь, создают переменные напряжения на выходе вторичных обмоток трансформаторов 6, которые будут различаться в зависимости от напряжения ячейки, к которой подключен инвертор 5. И, соответственно, токи балансировки будут вытекать из тех трансформаторов 6, напряжение на вторичных обмотках которых выше, и втекать в те, у которых напряжения на вторичных обмотках ниже, за счет чего осуществляется балансировка аккумуляторных ячеек 2 батареи 3.

Заявленное изобретение обеспечивает отсутствие (или существенное снижение) взаимовлияния магнитных полей и соответствующих помех, что устраняет ошибки в измерении истинных параметров состояния ячеек и препятствует ошибочным решениям системы при балансировке на зарядку или разрядку ячеек, а также обеспечивает надежность и работоспособность системы, предотвращая отказы элементов и снижение ресурса и емкости ячеек и аккумуляторных батарей в целом. Вместе с тем, устранение или существенное снижение уровня помех, позволяют снизить токи управления, что, в свою очередь, позволяет увеличить число обслуживаемых батарей одной системой балансировки.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам активной балансировки ячеек аккумуляторных батарей. Технический результат заключается в снижении взаимовлияния магнитных полей трансформаторов с устранением или значительным снижением вероятности возникновения и величины наведенных ЭДС в планарных катушках. Результат достигается тем, что система содержит индивидуальные модули измерения параметров состояния ячеек, электрически связанные между собой через вторичные обмотки индукционных преобразователей энергии индивидуальные модули обмена энергией, каждый из которых выполнен в виде инвертора на планарном трансформаторе с ключами управления и блок формирования и выдачи управляющих сигналов в виде низковольтной дифференциальной шины. При этом, система снабжена сообщенными с дифференциальной шиной драйверами ключей управления инверторов, а к шине параллельно подключены через гальваническую развязку индивидуальные модули измерения параметров ячеек и индивидуальные модули обмена энергией. 1 ил.

Система активной балансировки ячеек аккумуляторных батарей, содержащая индивидуальные модули измерения параметров состояния ячеек, электрически связанные между собой через вторичные обмотки индукционных преобразователей энергии индивидуальные модули обмена энергией, каждый из которых выполнен в виде инвертора на трансформаторе с ключами управления, и блок формирования и выдачи управляющих сигналов, отличающаяся тем, что она снабжена сообщенными с блоком формирования и выдачи управляющих сигналов драйверами ключей управления инверторов и гальванической развязкой, через которую блок формирования и выдачи управляющих сигналов соединен с индивидуальными модулями измерения параметров ячеек и индивидуальными модулями обмена энергией, при этом трансформаторы инверторов выполнены планарными, а блок формирования и выдачи управляющих сигналов выполнен в виде низковольтной дифференциальной шины.