Устройство гарантированного питания с управляемой структурой Российский патент 2024 года по МПК H02J7/04 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании батарей электрических накопителей энергии высокой мощности на основе литий-ионных аккумуляторных батарей в составе автономных систем электроснабжения, а также в аварийных источниках гарантированного питания ответственных потребителей.

Проблема обеспечения длительного срока службы высоковольтных и высокоэнергоемких устройств гарантированного питания на основе аккумуляторных батарей, состоящих из большого числа последовательно и параллельно соединенных аккумуляторов, является актуальной, поскольку даже небольшие различия в характеристиках отдельных аккумуляторов, имеющие место при комплектовании батарей, в процессе эксплуатации приводят к значительному разбалансу в степени заряженности отдельных аккумуляторов. Следствием этого являются снижение уровня отдаваемой емкости батарей в нагрузку, перезаряд и переразряд отдельных элементов с возможностью их переполюсовки, разгерметизации и других необратимых явлений, что в итоге приводит к сокращению срока службы устройства гарантированного питания в целом.

Известна батарея электрических накопителей энергии с распределенной аналитической системой управления, принцип работы которой основан на активизации распределенной микропроцессорной системы контроля и управления батареи по повышению эффективности выполнения функций по мониторингу, балансировке и защите, связанных с ведением электронного архива событий, проведением экспертного анализа по оптимизации заряда, а также оценки остаточного ресурса батареи [1].

Однако данное техническое решение энергетически неэффективно, так как приводит к непроизводительным потерям энергии, отсутствует возможность исходной настройки уровня напряжения под требуемые номиналы электропитания потребителей, не позволяет обеспечить заданные значения напряжения на выходе батареи при возникновении неисправностей, несвоевременной разрядке отдельных элементов или блоков батарей, а также в случае изменения напряжения на нагрузке при изменении параметров электросети. Отсутствует возможность применения системы управления в аккумуляторных батареях высокой мощности, которые соединены по последовательно-параллельной, так и параллельно-последовательной схеме.

Наиболее близким по технической сущности является устройство автономного источника питания переменного тока с управляемой структурой на основе литий-ионных аккумуляторных батарей [2], принцип работы которого основан на электропитании потребителей напряжением установленного значения при наличии определенного количества отказавших батарей в системе и при наличии разбаланса напряжения между ними путем переключений системой управления электронных ключей, позволяя выстроить нужную конфигурацию параллельного и последовательного соединения аккумуляторных батарей, в зависимости от требуемого уровня напряжения, тока нагрузки и длительности автономного функционирования.

Недостаток данного устройства заключается в том, что отсутствует возможность переключений в модуле параллельно соединенных аккумуляторных батарей в последовательную схему их соединения, что в случае необходимости получения высоковольтных характеристик с большим числом последовательно соединенных батарей ограничивает область применения данного устройства.

Задачей изобретения является создание устройства, альтернативного известному техническому решению [2], а также расширение возможностей высоковольтного и высокоэнергоемкого устройства гарантированного питания на основе аккумуляторных батарей, обеспечение длительного срока службы и повышение надежности электроснабжения ответственных потребителей.

Технический результат изобретения заключается в том, что предложено устройство гарантированного питания с управляемой структурой, позволяющее изменять конфигурацию структуры комплекта аккумуляторных батарей на различные соединения между собой, в зависимости от режима работы, наличия определенного количества отказавших аккумуляторных батарей, разбаланса напряжения между ними, а также при изменении параметров электросети в целом.

Требуемый технический результат достигается тем, что устройство гарантированного питания с управляемой структурой содержит комплект аккумуляторов, зарядно-разрядное устройство, подключенное к клеммам каждого аккумулятора комплекта, систему управления, связанную с зарядно-разрядным устройством и с комплектом аккумуляторов, первую группу управляемых ключей, вторую группу управляемых ключей и управляемые ключи в обходных цепях, аккумуляторы комплекта формируют последовательные цепи, аккумуляторы каждой из которых соединены последовательно между собой через соответствующие управляемые ключи первой группы, каждый из управляемых ключей второй группы включен между выводами «+» аккумуляторов соседних последовательных цепей, расположенных на одинаковом расстоянии от начала последовательной цепи, при этом дополнительно введена третья группа управляемых ключей, каждый управляемый ключ которой соединен с выводом «+» соответствующего аккумулятора, с которым соединены входы соответствующих управляемых ключей первой и второй групп, а его выход соединен с входом ключа первой группы, выход которого соединен выводом «-» аккумулятора, расположенного в следующей последовательной цепи.

Сущность изобретения поясняется чертежом, а именно на фиг.1 представлена блок-схема устройства гарантированного питания с управляемой структурой, где обозначено: 1 - комплект аккумуляторных батарей; 2 - аккумуляторные батареи (АКБ); 3 - модуль параллельно включенных аккумуляторных батарей; 4 - управляемые ключи первой группы в цепях последовательно включенных аккумуляторных батарей; 5 - управляемые ключи второй группы в цепях параллельно включенных аккумуляторных батарей; 6 - управляемые ключи третьей группы в модуле параллельно включенных аккумуляторных батарей; 7 - управляемые ключи в обходной цепи; 8 - зарядно-разрядное устройство; 9 - система управления УГП; 10 - нагрузка электрической сети.

Заявленное устройство работает следующим образом.

В режиме заряда комплекта АКБ 1 от зарядно-разрядного устройства 8, подключенного к клеммам АКБ 2 «+» и «-», зарядный ток проходит через все последовательно соединенные АКБ 2, что распознается системой управления УГП 9, которая постоянно измеряет его по величине и направлению, а также измеряет и постоянно контролирует величину напряжения на АКБ 2 и комплекте АКБ 1. При превышении величины тока или напряжения на единичных АКБ 2 заданных значений, хранящихся в памяти системы управления УГП 9, последняя формирует команду на ближайшие управляемые ключи первой группы 4, отключающие эти АКБ 2 из комплекта АКБ 1. После окончания заряда, дозаряда и отключения зарядно-разрядного устройства 8, комплект АКБ 1 или подключается к нагрузке 10, т.е. переходит в режим разряда, или находится в режиме хранения энергии, при котором большой ток в силовой цепи комплекта 1 отсутствует.

В режиме разряда комплекта АКБ 1, отдавая накопленную энергию в нагрузку, система управления УГП 9 осуществляет непрерывный контроль за напряжениями на единичных АКБ 2, которая при превышении разряда допустимых значений на любом из единичных АКБ 2 формирует команду для отключения их из комплекта 1 с помощью управляемых ключей первой группы 4.

При появлении необходимости, например, для обеспечения высоковольтных характеристик или увеличения энергоемкости комплекта АКБ 1 при сохранении величины рабочего тока система управления УГП 9 формирует команды на управляемые ключи третьей группы 6 модуля параллельно включенных АКБ 2 и управляемые ключи первой группы 4 для включения большого числа последовательно соединенных АКБ 2, тем самым изменяя конфигурацию структуры комплекта АКБ 1. Такой режим работы позволяет расширить арсенал технических характеристик устройства гарантированного питания и его область применения в качестве буферных накопителей электрической энергии в возобновляемой энергетике, а также в системах аварийного и гарантированного электроснабжения, в том числе в случаях импульсной нагрузки.

Источники информации

1. RU 2561826, 2015.

2. RU 183261, 2018.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам управления аккумуляторных батарей высокой мощности в составе автономных систем электроснабжения ответственных потребителей. Технический результат изобретения заключается в том, что предложено устройство гарантированного питания с управляемой структурой, позволяющее изменять конфигурацию структуры комплекта аккумуляторных батарей на различные соединения между собой, в зависимости от режима работы, наличия определенного количества отказавших аккумуляторных батарей, разбаланса напряжения между ними, а также при изменении параметров электросети. Устройство гарантированного питания с управляемой структурой содержит комплект аккумуляторных батарей, систему управления, управляемые ключи первой группы, управляемые ключи второй группы, в которое дополнительно введены управляемые ключи третьей группы в модуле параллельно включенных аккумуляторных батарей, при этом входы управляемых ключей третьей группы соединены прямой связью с положительными клеммами батарей, с входами управляемых ключей первой группы и с входами управляемых ключей второй группы, а выходы управляемых ключей третьей группы соединены с входами управляемых ключей первой группы, которые соединены с отрицательными клеммами батарей. 1 ил.

Устройство гарантированного питания с управляемой структурой, состоящее из комплекта аккумуляторов, зарядно-разрядного устройства, подключенного к клеммам каждого аккумулятора комплекта, системы управления, связанной с зарядно-разрядным устройством и с комплектом аккумуляторов, первой группы управляемых ключей, второй группы управляемых ключей и управляемых ключей в обходных цепях, аккумуляторы комплекта формируют последовательные цепи, аккумуляторы каждой из которых соединены последовательно между собой через соответствующие управляемые ключи первой группы, каждый из управляемых ключей второй группы включен между выводами «+» аккумуляторов соседних последовательных цепей, расположенных на одинаковом расстоянии от начала последовательной цепи, отличающееся тем, что введена третья группа управляемых ключей, каждый управляемый ключ которой соединен с выводом «+» соответствующего аккумулятора, с которым соединены входы соответствующих управляемых ключей первой и второй групп, а его выход соединен с входом ключа первой группы, выход которого соединен выводом «-» аккумулятора, расположенного в следующей последовательной цепи.