Батарея электрических накопителей энергии

Изобретение относится к вторичным источникам тока, в частности к батареям на основе литий-ионных аккумуляторов. Техническим результатом изобретения является исключение разбаланса напряжений накопителей при циклировании батареи. Согласно изобретению батарея электрических накопителей энергии (ЭНЭ) содержит множество единичных накопителей энергии (НЭ) или модулей из нескольких единичных НЭ, коммутируемых с помощью ключевых элементов (КЭ) в единую электрическую цепь, а также устройство управления КЭ. Для дистанционного выведения отказавшего ЭНЭ из электрической цепи, последовательно с каждым ЭНЭ подключен первый ключевой элемент, а второй ключевой элемент в замкнутом состоянии их шунтирует. Для нивелирования разбаланса напряжений в батарее параллельно каждому второму ключевому элементу подключена цепь из последовательно соединенных третьего ключевого элемента и резистора. Ключевые элементы могут быть выполнены на базе транзисторов, в частности полевых транзисторов. Ключевые элементы управляются измеряющим ток и напряжения в батарее микроконтроллером в соответствии с введенной в него программой или по командам, получаемым им от внешнего устройства. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании вторичных источников тока.

Наиболее близким к данному изобретению является источник тока, включающий множество идентичных единичных батарей, связанных последовательно и/или параллельно соответствующими выключателями. Указанные выключатели приводятся в действие центральным блоком управления в соответствии с требованиями нагрузки [Пат. США № 5461264, опубл. 1995].

Недостатками известного источника тока при использовании перезаряжаемых электрических накопителей энергии (единичных элементов или модулей из химических аккумуляторов, или электрохимических конденсаторов) являются:

1) Выход из строя всей батареи при отказе одного из электрических накопителей энергии из-за невозможности его дистанционного вывода из электрической цепи.

2) Разбаланс напряжений электрических накопителей энергии при циклировании источника тока.

Задачей изобретения является создание батареи электрических накопителей энергии, позволяющей обеспечить дистанционный автоматический вывод отказавшего электрического накопителя энергии, а также уменьшить или практически полностью исключить разбаланс напряжений электрических накопителей при циклировании батареи.

Указанный технический результат достигается следующим.

В батарее электрических накопителей энергии, содержащей множество единичных электрических накопителей энергии или модулей из нескольких единичных электрических накопителей энергии, коммутируемых с помощью ключевых элементов в единую электрическую цепь, а также устройство управления ключевыми элементами, в цепь коммутации каждого единичного электрического накопителя энергии или модуля включено по крайней мере два ключевых элемента, причем первый ключевой элемент соединен с единичным электрическим накопителем энергии или модулем последовательно, а второй ключевой элемент в замкнутом состоянии их шунтирует.

В батарее электрических накопителей энергии в цепи коммутации каждого единичного электрического накопителя энергии или модуля параллельно второму ключевому элементу подключена цепь из последовательно соединенных третьего ключевого элемента и резистора.

В батарее электрических накопителей энергии ключевые элементы выполнены на базе транзисторов.

В батарее электрических накопителей энергии в качестве транзисторов используются полевые транзисторы.

В батарее электрических накопителей энергии транзисторы третьих ключевых элементов работают в линейном режиме, а резисторы используются для управления режимами их работы.

В батарее электрических накопителей энергии устройство управления ключевыми элементами имеет встроенный программируемый микроконтроллер, измеряющий ток батареи и напряжение на единичных электрических накопителях энергии или модулях и управляющий состоянием ключевых элементов в соответствии с заложенной в него программой или по командам, поступающим по цифровому каналу связи от внешнего устройства.

Пример № 1 выполнения батареи.

Конструкция батареи.

Батарея из n литий-ионных аккумуляторов G1, G2…Gn выполнена по электрической схеме, приведенной на фиг.1. В цепи коммутации каждого аккумулятора Gi включены 3 электромагнитных реле: первое К1i, второе K2i и третье K3i. Последовательно с каждым аккумулятором включены первые электромагнитные реле K11, K12…K1n с одной нормально замкнутой контактной группой K11₁, K12₁…K1n₁. Параллельно каждому аккумулятору G1, G2…Gn и соответствующему аккумулятору первому электромагнитному реле K11₁, K12₁…K1n₁ включены вторые электромагнитные реле K21, К22…K2n с одной нормально разомкнутой контактной группой K21₁, K22₁…K2n₁. Параллельно каждому второму электромагнитному реле K21₁ (K22₁…K2n₁) включены последовательно соединенные резистор R1 (R2…Rn) и третье электромагнитное реле К31 (К32…K3n) с одной нормально разомкнутой контактной группой K31₁ (K32₁…K3n₁). Управляющие обмотки всех реле K11, K12…K1n, K21, К22…K2n и К31, К32…K3n подключены к блоку управления ключевыми элементами (БУКЭ). В БУКЭ имеется микроконтроллер, который через цепь измерения подключен к каждому аккумулятору G1, G2…Gn.

Алгоритм работы батареи.

При заряде батареи микроконтроллер БУКЭ контролирует напряжение на каждом аккумуляторе G1, G2…Gn. Для нивелирования возникающего разбаланса напряжений в батарее при превышении напряжения аккумулятора Gi среднего значения на заданную в программе микроконтроллера величину ΔU (например, 50 мВ), по команде микроконтроллера БУКЭ на время t (например, 30 с) подает напряжение на управляющую обмотку третьего реле K3i, в результате чего замыкается контактная группа K3i₁ и аккумулятор Gi разряжается через резистор Ri.

В случае снижения емкости одного из аккумуляторов (например, Gj) относительно емкости остальных аккумуляторов в батарее, этот аккумулятор будет ограничивать разрядную емкость всей батареи. Возникновение такой ситуации определяет микроконтроллер по величине контролируемых напряжений. Если напряжение аккумулятора Gj ниже минимально допустимого Uмuн (например, 2,8 В), в то время как остальные аккумуляторы в батарее имеют напряжение на 0,7 В выше, то по команде микроконтроллера БУКЭ подается напряжение на управляющие обмотки первого K1j и второго реле K2j и размыкается контактная группа K1j₁ и замыкается контактная группа K2j₁, в результате чего аккумулятор Gi исключается из силовой цепи батареи.

Пример № 2 выполнения батареи.

Конструкция батареи.

Батарея из n литий - ионных аккумуляторов G1, G2…Gn выполнена по электрической схеме, приведенной на фиг.2. В цепи коммутации каждого аккумулятора Gi включены 2 электромагнитных реле: первое K1i, второе K2i и транзистор Tpi. Последовательно с каждым аккумулятором включены первые электромагнитные реле K11, K12…K1n с одной нормально замкнутой контактной группой K11₁, K12₁…K1n₁. Параллельно каждому аккумулятору G1, G2…Gn и соответствующему аккумулятору первому электромагнитному реле K11₁, K12₁…K1n₁ включены вторые электромагнитные реле K21, К22…K2n с одной нормально разомкнутой контактной группой K21₁, K22₁…K2n₁. Параллельно каждому второму электромагнитному реле K21₁ (K22₁…K2n₁) включены последовательно соединенный резистор R1 (R2…Rn) и транзистор Tp1 (Тр2…Tpn), работающий в линейном режиме. Управляющие обмотки реле K11, K12…K1n, K21 и К22…K2n подключены к блоку управления ключевыми элементами (БУКЭ), а резисторы R1, R2…Rn используются в качестве датчиков тока в цепи управления транзисторами Tp1, Тр2…Tpn. В БУКЭ имеется микроконтроллер, который через цепь измерения подключен к каждому аккумулятору G1, G2…Gn и к датчику тока ДТ, измеряющему ток батареи. БУКЭ также имеет цифровой канал связи (например, интерфейс RS-232) с внешним устройством (например, персональным компьютером).

Алгоритм работы батареи.

При заряде батареи микроконтроллер БУКЭ контролирует напряжение на каждом аккумуляторе G1, G2…Gn. Для нивелирования возникающего разбаланса напряжений в батарее при превышении напряжения аккумулятора Gi среднего значения на заданную в программе микроконтроллера величину ΔU (например, 20 мВ), по команде микроконтроллера БУКЭ в течение времени t (например, 60 с) аккумулятор Gi разряжается током 100 мА через транзистор TPi и резистор Ri.

В случае снижения емкости одного из аккумуляторов (например, Gj) относительно емкости остальных аккумуляторов в батарее, этот аккумулятор будет ограничивать разрядную емкость всей батареи. Возникновение такой ситуации определяет персональный компьютер, обрабатывая информацию о токе и напряжениях в батарее, получаемую от микроконтроллера по интерфейсу RS-232. По этому же интерфейсу микроконтроллер получает от компьютера соответствующую команду и БУКЭ подает напряжение на управляющие обмотки первого K1j и второго реле K2j. В результате контактная группа K1j₁ размыкается, контактная группа K2j₁ замыкается, а аккумулятор Gi исключается из силовой цепи батареи.

1. Батарея электрических накопителей энергии, содержащая множество единичных электрических накопителей энергии или модулей из нескольких единичных электрических накопителей энергии, коммутируемых с помощью ключевых элементов в единую электрическую цепь, а также устройство управления ключевыми элементами, отличающаяся тем, что в цепь коммутации каждого единичного электрического накопителя энергии или модуля включено по крайней мере 2 ключевых элемента, причем первый ключевой элемент соединен с единичным электрическим накопителем энергии или модулем последовательно, а второй ключевой элемент в замкнутом состоянии их шунтирует.

2. Батарея электрических накопителей энергии по п.1, отличающаяся тем, что в цепи коммутации каждого единичного электрического накопителя энергии или модуля параллельно второму ключевому элементу подключена цепь из последовательно соединенных третьего ключевого элемента и резистора.

3. Батарея электрических накопителей энергии по п.2, отличающаяся тем, что ключевые элементы выполнены на базе транзисторов.

4. Батарея электрических накопителей энергии по п.3, отличающаяся тем, что в качестве транзисторов используются полевые транзисторы.

5. Батарея электрических накопителей энергии по п.4, отличающаяся тем, что резисторы последовательно включены в цепи управления транзисторов третьих ключевых элементов.

6. Батарея электрических накопителей энергии по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что устройство управления ключевыми элементами имеет встроенный программируемый микроконтроллер, измеряющий ток батареи и напряжение на единичных электрических накопителях энергии или модулях и управляющий состоянием ключевых элементов в соответствии с заложенной в него программой или по командам, поступающим от внешнего устройства.