СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЗАРЯДКОЙ И РАСХОДОВАНИЕМ ЗАРЯДА БАТАРЕИ Российский патент 2025 года по МПК H01M10/42 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в зарядных устройствах литий-ионных батарей.

Известен аналог - способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи - RU2747530, 14.10.2020, в котором осуществляют балансировку, для этого в момент, когда напряжение на одной из ячеек достигает максимально допустимого значения, сохраняют массив значений напряжений на всех ячейках, отключают заряд и литий-ионную аккумуляторную батарею переводят в режим релаксации или разряда, включают аппаратную систему нагрузочных резисторов или включают режим разряда, для ячеек, имеющих напряжение выше среднего. Производит измерение температуры ячеек.

Недостатком аналога является отсутствие учета состояния ячеек при определении оптимального режима балансировки, обеспечивающего минимальное старение батареи, при котором батарея способна на большое количество циклов заряда-разряда.

Известен наиболее близкий аналог - способ управления зарядкой и расходованием заряда батареи - RU2546978, 27.06.2013, принятый в качестве прототипа способа, в котором в режиме зарядки батареи соединяют источник электропитания c ячейками аккумуляторной батареи и регулируют ток зарядки ячеек батареи в зависимости от их напряжения и ёмкости путем открывания и закрывания ключей-коммутаторов, в режиме расходования заряда батареи аналогичным образом осуществляют контроль выходного тока каждой ячейки индивидуально.

Недостатком прототипа является то, что при открывании и закрывании ключей-коммутаторов на первичной и вторичной обмотках возникают скачки тока, которые приводят к старению ячеек аккумулятора при заряде и расходовании заряда. Поэтому этот способ не обеспечивает оптимальные условия зарядки и расходования заряда батареи, при которых минимизировано старение батареи.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в минимизации старения батареи при зарядке и разрядке с обеспечением увеличения возможного количества циклов заряда-разряда батареи, эксплуатируемой предлагаемым способом, по сравнению с батареей, эксплуатируемой способами-аналогами.

Технический результат достигается в способе управления зарядкой и расходованием заряда батареи, в котором в режиме зарядки соединяют источник питания c ячейками батареи, регулируют подачу тока в зависимости от состояния ячеек батареи, причем передачу энергии на ячейки осуществляют резонансным режимом передачи, при котором сначала преобразуют постоянный ток источника напряжения в переменный ток, имеющий закон изменения в виде синусоиды, а затем преобразуют переменный ток в постоянный ток питания ячейки, выполняя регулирование величины среднего значения тока питания ячейки путем коммутации цепи питания ячейки в момент, когда мгновенное значение переменного тока имеет нулевую величину, регулирование среднего значения тока ячейки осуществляют с высокой частотой изменения тока, в режиме расходования заряда осуществляют контроль остаточной емкости ячейки, и если величина остаточной емкости ячейки ниже заданного предела, то для компенсации энергию перекачивают из других ячеек.

На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего способ управления зарядкой и расходованием заряда батареи.

Рассмотрим пример реализации способа управления зарядкой и расходованием заряда батареи. В примере реализации способ применяют для зарядки и расходования энергии аккумуляторной батареи электромобиля. Предлагаемый способ реализуют в системе управления зарядкой и расходованием заряда батареи, которая состоит из ячеек 1, 2, 3, аккумуляторной батареи, источника напряжения питания 4, используемого для зарядки аккумуляторной батареи, резонансного трансформатора 5 для реализации резонансного режима передачи энергии на ячейку. Резонансный трансформатор 5 состоит из катушки индуктивности 6, конденсатора 7 и двух ключей-коммутаторов 8, 9, которые переключают в момент перехода тока через ноль, управляя переключением через микроконтроллер. А также цепь резонансного трансформатора 5 содержит обмотку индуктивности 10, расположенную вблизи с обмотками индуктивности 11 цепей питания ячеек 1, 2, 3 синхронного выпрямителя 12 с возможностью передачи на них энергии электрического поля. Каждая обмотка 11 синхронного выпрямителя 12 расположена в цепи соответствующей ячейки 1, 2, 3 батареи. Каждая из цепей ячеек 1, 2, 3 содержит два ключа-коммутатора 13, 14 управляемых соответствующим микроконтроллером ячейки 15, 16, 17.

Передачу энергии на ячейки 1, 2, 3 осуществляют резонансным режимом передачи следующим образом. Для этого резонансным трансформатором 5, содержащим L-C колебательный резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности 6, конденсатора 7 и двух ключей 8 и 9, преобразуют постоянный ток источника питания 4 в переменный ток, имеющий форму синусоиды. Далее переменный ток преобразуют в постоянный ток питания ячеек 1, 2, 3. Регулирование величины среднего значения тока, подаваемого на ячейки 1, 2, 3, осуществляют с высокой частотой изменения тока равной 600 КГц. Частота считается высокой, если она больше 100 КГц. Величину среднего значения тока регулируют путем коммутации ключей-коммутаторов 12, 13 каждой из цепей ячеек 1, 2, 3 в зависимости от карты калибровки ячейки, которая содержит информацию, указанную ниже. Напряжение ячейки определяют путем замера в указанных цепях питания ячеек 1, 2, 3. Информацию о напряжении ячейки берут с датчика, установленного в цепи каждой ячейки. Данную информацию обрабатывают микроконтроллерами ячеек 14, 15, 16 и по заданному в него алгоритму выдают сигнал на открытие ключей 12, 13.

Указанный алгоритм содержит следующие шаги. При первом включении каждый микроконтроллер 15, 16, 17 имеет базовые настройки для заряда-разряда соответствующей ячейки 1, 2, 3, которые являются безопасными для неё. Микроконтроллер ячейки собирает во внутреннюю память данные о токе заряда и разряда, напряжении, изменения напряжения при заряде и разряде, внутреннем сопротивлении ячейки в зависимости от её остаточного заряда, температуре. Эти данные имеют привязку к полученной и потраченной мощности. В конце цикла заряда или разряда данные направляют на главный микроконтроллер (на фиг. не показан), где они аппроксимируются и формируется калибровочная карта для ячейки. Далее главный микроконтроллер посылает эту калибровочную карту в микроконтроллер (15, 16 или 17) ячейки 1, 2, 3, который использует её для следующего цикла заряда или разряда. В этой карте находятся данные о ячейке, такие как: каким током можно её заряжать в зависимости от количества остаточного заряда и внутреннего сопротивления, температуры, до какого максимального напряжения можно заряжать и разряжать, какой ток может выдать в зависимости от уровня остаточного заряда и температуры, ограничивая ток до того, как ячейка начнёт нагреваться. Главный микроконтроллер сохраняет данные во внешнюю память для построения статистики о каждой ячейке 1, 2, 3 аккумулятора и использует её для увеличения количества циклов у ячейки.

Коммутацию ключей 12, 13 осуществляют в момент, когда мгновенное значение тока имеет нулевую величину, то есть при прохождении синусоиды через ноль. Один ключ 12 коммутируют в периоде положительной части синусоиды тока, второй ключ 13 в периоде отрицательной части синусоиды тока.

Предлагаемый способ исключает резкие скачки тока, которые имеют место при реализации способов-аналогов. В способах-аналогах при коммутации ключей не в момент нулевого тока из-за паразитной индуктивности проводников, из-за обратных токов на ключе (есть время закрывания и открывания ключа-транзистора), из-за резонанса между ёмкостью затвора ключа-транзистора и индуктивностью проводника возникает скачок тока. В такие моменты значение тока может достигать удвоенного номинального значения тока. С увеличением частоты эти значения увеличиваются. Повышенные токи приводят к преждевременному старению аккумуляторных ячеек. В предлагаемом способе применяется резонансный режим, в котором скачки тока на несколько порядков меньше и не оказывают негативного влияния на ячейку аккумулятора.

Каждая ячейка имеет параметр - внутреннее сопротивление. Этот параметр рассчитывают при заряде и разряде по закону Ома. Причем разница напряжения на клеммах ячейки зависит от её внутреннего сопротивления и тока разряда или заряда. Поэтому при подключении ячейки к нагрузке напряжение уменьшается относительно её внутреннего сопротивления. При подключении к зарядному устройству (источнику питания 4) напряжение увеличивается относительно её внутреннего сопротивления. Расчёт внутреннего сопротивления осуществляют главным микроконтроллером, который связан с датчиками тока. Внутреннее сопротивление записывают в карту калибровки ячейки. Внутреннее сопротивление ячейки изменяется и зависит от остаточного заряда в ячейке (её ёмкости), и индивидуален у каждой ячейки. В способах-аналогах при разряде и заряде не учитывают внутреннее сопротивление, поэтому ячейка нагревается и быстрее деградирует. Если нагрузка превышает параметр безопасной разрядки у ячейки, определяемой по остаточной емкости ячейки, то для компенсации энергию перекачивают из других ячеек.

В режиме расходования заряда осуществляют контроль остаточной емкости ячейки, и, если величина остаточной емкости ячейки ниже заданного предела, то для компенсации энергию перекачивают из других ячеек. Для определения остаточной ёмкости используется карта калибровок. В ней записывают зависимость параметров: напряжения, внутреннего сопротивления, температуры. Из этой зависимости определяют остаточную ёмкость.

Перекачку осуществляют следующим образом. При отключенном питании сети, главный микроконтроллер и микроконтроллер ячейки находятся в спящем режиме. С определенной периодичностью микроконтроллер ячейки просыпается и проверяет состояние ячейки, сохраняет данные в своей памяти. Главный микроконтроллер просыпается с другой периодичностью и будит микроконтроллер ячейки аккумуляторной батареи, забирает информацию о состоянии. Проанализировав данные о разбалансе (разнице остаточных емкостей ячеек) инициирует этап переброса энергии с одной ячейки в другую, если это нужно. При перебросе энергии с одной ячейки в другую, главный микроконтроллер будит один или несколько микроконтроллеров ячеек и указывает им роли: микроконтроллер ячейки, который отдает энергию, и микроконтроллер ячейки, который принимает. Дальше главный микроконтроллер генерирует в шину данных синхронизирующий сигнал для микроконтроллеров ячеек и запускает процесс переброса энергии при помощи синхронного выпрямителя 12, который берет роль генератора.

В момент заряда ячейки главный микроконтроллер через датчик определяет момент, когда ток проходит через ноль, и переключает в этот момент ключи 8, 9. Микроконтроллер ячейки изначально не имеет информации об этом моменте времени. Для того, чтобы микроконтроллер ячейки имел информацию о том, когда переключить ключи 12, 13, главный микроконтроллер посылает на него синхросигнал. Когда ячейка выступает в роли генератора (может несколько ячеек одновременно), микроконтроллер ячейки начинает коммутировать ключи 12, 13, резонансный L-C контур находится со стороны высоковольтной части (у главного микроконтроллер), там образуется резонанс, и чтобы микроконтроллер ячейки знал, когда нужно переключить ключи (в момент нулевого тока), главный микроконтроллер посылает синхросигнал. Через этот синхросигнал микроконтроллер ячейки генератора и микроконтроллер ячейки потребителя узнают, когда переключать свои ключи, чтобы не выходить из режима резонанса.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в зарядных устройствах литий-ионных батарей Технический результат достигается в способе управления зарядкой и расходованием заряда батареи, в котором в режиме зарядки соединяют источник питания c ячейками батареи, регулируют подачу тока в зависимости от состояния ячеек батареи, причем передачу энергии на ячейки осуществляют резонансным режимом передачи, при котором сначала преобразуют постоянный ток источника напряжения в переменный ток, имеющий закон изменения в виде синусоиды, а затем преобразуют переменный ток в постоянный ток питания ячейки, выполняя регулирование величины среднего значения тока питания ячейки путем коммутации цепи питания ячейки в момент, когда мгновенное значение переменного тока имеет нулевую величину, регулирование среднего значения тока ячейки осуществляют с высокой частотой изменения тока, в режиме расходования заряда осуществляют контроль остаточной емкости ячейки по внутреннему сопротивлению ячейки, и если величина остаточной емкости ячейки ниже заданного предела, то для компенсации энергию перекачивают из других ячеек. Технический результат - минимизация старения батареи при зарядке и разрядке с обеспечением увеличения возможного количества циклов заряда-разряда батареи, эксплуатируемой предлагаемым способом, по сравнению с батареей, эксплуатируемой способами-аналогами. 1 ил.

Способ управления зарядкой и расходованием заряда батареи, в котором в режиме зарядки соединяют источник питания c ячейками батареи, регулируют подачу тока в зависимости от состояния ячеек батареи, отличающийся тем, что передачу энергии на ячейки осуществляют резонансным режимом передачи, при котором сначала преобразуют постоянный ток источника напряжения в переменный ток, имеющий закон изменения в виде синусоиды, а затем преобразуют переменный ток в постоянный ток питания ячейки, выполняя регулирование величины среднего значения тока питания ячейки путем коммутации цепи питания ячейки в моменты, когда мгновенное значение переменного тока имеет нулевую величину, регулирование среднего значения тока ячейки осуществляют с высокой частотой изменения тока, в режиме расходования заряда осуществляют контроль остаточной емкости ячейки по внутреннему сопротивлению ячейки, и если величина остаточной емкости ячейки ниже заданного предела, то для компенсации энергию перекачивают из других ячеек.