Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами


 


Владельцы патента RU 2479894:

Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" (RU)

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат заключается в повышении эффективности использования и упрощении эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи. Предлагается способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов и отключении заряда по достижению напряжения любого из аккумуляторов заданного максимального значения. Поставленная задача решается тем, что при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением, а к остальным аккумуляторам подключают балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора и пропорциональное величине его разбаланса по напряжению относительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением. Кроме того, время подключения балансировочного резистора к каждому аккумулятору ограничивают моментом уравнивания текущей величины его напряжения текущей величине напряжения предварительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением, но не более времени включения заряда, или время Тi подключения резистора к каждому аккумулятору рассчитывают исходя из соотношения: Ti=(1-Umin/Ui)·k·R, где Umin - наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, В; Ui - напряжение i-того аккумулятора из числа оставшихся, В; k - коэффициент пересчета разницы напряжений аккумуляторов в емкость разбаланса, А·ч/В; R - сопротивление балансировочных резисторов, Ом. Суть предлагаемого решения поясняется чертежом (фиг.1), где приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, поясняющая работу по предлагаемому способу. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их заряда, заключающиеся в контроле напряжения аккумуляторов и ограничении заряда по максимальной величине напряжения аккумуляторов и описанные в книге А.А.Таганова, Ю.И.Бубнов, С.Б.Орлов. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. Санкт-Петербург: Химиздат, 2005 г., глава 5, 7.

Недостатком описанных способов является то, что они не решают вопроса повышения эффективности использования литий-ионной аккумуляторной батареи при длительной ее эксплуатации.

Наиболее близким техническим решением является способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов, ограничении заряда по максимальной величине напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар).

В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ. 563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения отличия в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ.

Этот способ принят за прототип заявляемого изобретения.

Недостатком известного способа заряда литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что проведение выравнивания аккумуляторов по емкости - процесс периодический и связан с достижением заранее установленной величины разбаланса по напряжению, что снижает эффективность использования литий-ионной аккумуляторной батареи.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования и упрощение эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.

Поставленная задача решается тем, что при проведении заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами, с контролем напряжения аккумуляторов и ограничением заряда по достижению напряжения любого из аккумуляторов заданного максимального значения, при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением, а к остальным аккумуляторам подключают балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора и пропорциональное величине его разбаланса по напряжению относительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением. Кроме того, время подключения балансировочного резистора к каждому аккумулятору ограничивают моментом уравнивания текущей величины его напряжения текущей величине напряжения предварительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением, но не более времени включения заряда, или время Тi подключения резистора к каждому аккумулятору рассчитывают исходя из соотношения:

Тi=(1-Umin/Ui)·k·R, где

Umin - наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, В;

Ui - напряжение i-того аккумулятора из числа оставшихся, В;

k - коэффициент пересчета разницы напряжений аккумуляторов в емкость разбаланса, А·ч/В;

R - сопротивление балансировочных резисторов, Ом.

Действительно, если аккумуляторы имеют разную степень заряженности, то при заряде аккумуляторной батареи они должны получать энергию, обратно пропорциональную своей степени заряженности по отношению к наименее заряженному аккумулятору. При наличии в составе аккумуляторной батареи балансировочных резисторов задача регламентирования поступающей на заряде аккумуляторной батареи энергии в конкретный аккумулятор решается с помощью них. По сути, это отбор энергии (в процессе заряда), равной имеющемуся избытку ее над наименее заряженным аккумулятором.

Для реализации этой задачи можно в процессе заряда аккумуляторной батареи проводить сравнение напряжения балансируемых аккумуляторов с текущим напряжением наименее заряженного аккумулятора и прекращать разряд (отключать балансировочный резистор) от конкретного аккумулятора при уравнивании текущей величины его напряжения текущей величине напряжения предварительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением (наименее заряженного аккумулятора). При этом следует учесть заданную величину существенности (это в основном погрешность измерения) и длительность времени включения заряда. Если длительности времени включения заряда недостаточно для устранения существующего разбаланса, то его полное устранение будет осуществлено на последующих зарядах аккумуляторной батареи.

Можно рассчитать разницу в текущей емкости между аккумулятором с наименьшим текущим напряжением и любым другим, пользуясь простым соотношением: (Ui-Umin)·k, А·ч. Если разделить эту емкость на ток разряда аккумулятора на балансировочный резистор (Ui/R), то получим время, необходимое для устранения разбаланса данного аккумулятора по отношению к аккумулятору с наименьшим текущим напряжением. После несложных преобразований получаем: Тi=(1-Umin/Ui)·k·R. Рассчитав Тi для каждого аккумулятора, можно проводить заряд аккумуляторной батареи с отключением соответствующих балансировочных резисторов по истечении соответствующего расчетного времени. При наличии в системе контроля микропроцессора, данная задача решается обычными программными средствами.

Рассмотрим конкретный пример для литий-ионной аккумуляторной батареи номинальной емкостью 50 А·ч. Известно, что литий-ионные аккумуляторы эксплуатируются, в основном, в диапазоне напряжений от 2,7 В до 4,1 В. Коэффициент пересчета разницы напряжений аккумуляторов в емкость разбаланса для данного аккумулятора составит примерно 36 А·ч/В. Примем величину сопротивления балансировочного резистора равным: R=15 Ом. Пусть наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее составит: Umin=3 В, а напряжение i-того аккумулятора из числа оставшихся - Ui=3,025 В (на 25 мВ больше, по аналогии прототипу изобретения), тогда: Тi=(1-3/3,025)·36·15=4,46 часа. При токе заряда аккумуляторной батареи 5А (время полного заряда примерно 10 часов) полученная величина времени вписывается в процесс заряда. Реально, при постоянной работе балансировочных резисторов в процессе заряда аккумуляторной батареи, разбалансировка аккумуляторов по емкости будет находиться на грани величины существенности, что обеспечит максимальную эффективность использования аккумуляторной батареи.

На чертеже, фиг.1, приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ поясняющая работу по предлагаемому способу.

Устройство содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3.

При этом, нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторов 7 (в частности, напряжения аккумуляторов) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.

Аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 4-1, параллельно которым подключены балансировочные резисторы 4-2 через замыкающиеся контакты 4-3 реле в блоке реле 4-4.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 15, транзисторах 16 и выпрямителя на диодах 17.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра - конденсатор 18 и выходного фильтра на диоде 19, дросселе 20 и конденсаторе 21.

Схемы управления (10 - зарядного преобразователя 5, 12 - разрядного преобразователя 6 и 14 - преобразователя напряжения 3) выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с измерительным шунтом 8 и нагрузкой 2, в качестве обратных связей по величине зарядного тока и напряжения нагрузки соответственно.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности для прохождения теневых участков орбиты или на случай потери ориентации солнечной батареи ИСЗ на Солнце.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.

При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.

Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует напряжение аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ), в которой реализуются следующие технологические операции.

1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов 4-1, оценивается текущая емкость аккумуляторов и разница в текущей емкости (напряжениях) аккумуляторов относительно аккумулятора имеющего наименьшее напряжение. Рассчитываются, при необходимости, периоды времени, необходимые для устранения разбалансов путем разряда аккумуляторов на балансировочные резисторы 4-2.

2. При включении заряда аккумуляторной батареи к аккумуляторам 4-1 с напряжением, превышающим наименьшее напряжение, подключаются балансировочные резисторы 4-2 (посредством замыкания соответствующих контактов 4-3 реле блока реле 4-4). После достижения напряжения балансируемого аккумулятора величины текущего значения напряжения аккумулятора, имеющего наименьшее значение напряжения, или по истечении расчетного времени формируется команда на отключение соответствующего балансировочного резистора 4-2 посредством размыкания соответствующего контакта 4-3 реле блока реле 4-4. Управление блоком реле 4-4 реализуется, по программе в бортовой ЭВМ, через устройство контроля аккумуляторов 7.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность использования и упростить эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи, в частности, при эксплуатации ее в автономных системах электропитания ИСЗ.

1. Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов и отключении заряда по достижении напряжением любого из аккумуляторов заданного максимального значения, отличающийся тем, что при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением, а к остальным аккумуляторам подключают балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора и пропорциональное величине его разбаланса по напряжению относительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением.

2. Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи по п.1, отличающийся тем, что время подключения балансировочного резистора к каждому аккумулятору ограничивают моментом уравнивания текущей величины его напряжения с текущей величиной напряжения предварительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением, но не более времени включения заряда.

3. Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи по п.1, отличающийся тем, что время Ti подключения резистора к каждому аккумулятору рассчитывают исходя из соотношения
Ti=(1-Umin/Ui)·k·R,
где Umin - наименьшее текущее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, В;
Ui - напряжение i-го аккумулятора из числа оставшихся, В;
k - коэффициент пересчета разницы напряжений аккумуляторов в емкость разбаланса, А·ч/В;
R - сопротивление балансировочных резисторов, Ом.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при восстановлении засульфатированных свинцовых аккумуляторов. .

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей в автономной системе электропитания, преимущественно искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей автономных систем электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ).
Изобретение относится к области электротехники, в частности, к способам формирования емкости химических источников тока. .

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ). .

Изобретение относится к вторичным источникам тока. .

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при подготовке никель-водородных аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе искусственных спутников Земли (ИСЗ), преимущественно ИСЗ негерметичного исполнения с радиационным охлаждением.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) в автономных системах электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), функционирующих на низкой околоземной орбите

Изобретение относится к области электротехники, а именно к области эксплуатации аккумуляторных батарей, и может быть использовано при производстве, введении в эксплуатацию, проведении плановых ремонтных и восстановительных работ с аккумуляторными батареями

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании батарей первичных и вторичных химических источников тока, включая металловоздушные источники тока

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при наземной эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей, например, в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ). Технический результат - повышение надежности и эффективности использования литий-ионной аккумуляторной батареи при ее наземной эксплуатации. Предлагается способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов, проведении зарядов, разрядов, периодической балансировке аккумуляторов по напряжению, проведении подзаряда и хранения в подзаряженном состоянии. Поставленная задача решается тем, что перед постановкой аккумуляторной батареи на хранение после проведения ее подзаряда проводят упреждающую разбалансировку аккумуляторов для нивелирования разбаланса аккумуляторов по напряжению в конце периода хранения аккумуляторной батареи. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при подготовке литий-ионных аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе искусственных спутников Земли (ИСЗ). Техническим результатом является повышение функциональной надежности и обеспечение эффективного заряда литий-ионных аккумуляторных батарей при ограниченном теплосъеме при подготовке аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе ИСЗ. Указанный результат достигается тем, что перед отправкой искусственного спутника Земли на полигон запуска проводят предварительный заряд аккумуляторной батареи с обеспечением термостатирования, а на полигоне запуска проводят окончательный заряд, с последующей балансировкой аккумуляторов по напряжению, и проводят как минимум один дозаряд аккумуляторной батареи без обеспечения ее термостатирования. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при эксплуатации свинцовых стационарных аккумуляторов на различных объектах. Техническим результатом изобретения является создание ускоренного способа заряда без ухудшения характеристик. Согласно изобретению способ ускоренного заряда свинцовых стационарных аккумуляторов с намазными электродами заключается в сообщении зарядной емкости в две ступени, первая ступень осуществляется током, равным 0,2-0,3 С10 (С10 - емкость при 10-часовом режиме разряда), до достижения напряжения, равного 2,30-2,45 В, вторая ступень осуществляется поддержанием указанного напряжения плавным снижением тока. Окончание заряда осуществляют при достижении коэффициента перезаряда (отношение емкости, сообщенной при последующем заряде, к емкости, полученной при предшествующем заряде), равного 0,95-1,05, с проведением нормального заряда после 2-3 ускоренных зарядов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к системам питания для использования в электрифицированном железнодорожном транспорте. Стабилизатор напряжения для системы питания, который стабилизирует нагрузку активной мощности, содержит первый AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока; и никель-металлогидридную батарею, расположенную между и соединенную с кабелем высокого напряжения на стороне постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения на стороне постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя. Технический результат - снижение массогабаритных параметров устройства. 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

Предложенное изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации комплекта аккумуляторных батарей (АБ), преимущественно никель-водородных или литий-ионных, в автономных системах электропитания космических аппаратов (КА) от общего источника ограниченной мощности через индивидуальные зарядные преобразователи с контролем текущего состояния заряженности и ограничением заряда бортовым комплексом управления. Повышение надежности и эффективности эксплуатации комплекта аккумуляторных батарей является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что дополнительно контролируют минимальные уровни токов заряда и при снижении тока заряда какой-либо аккумуляторной батареи ниже установленного значения прекращают заряд всего комплекта аккумуляторных батарей, при этом продолжение заряда комплекта аккумуляторных батарей проводят поочередно и с длительностью заряда каждой аккумуляторной батареи, исходя из соотношения: Ti=T/(Ci:Σ1/Ci), мин, где Ti - время заряда i-ой аккумуляторной батареи, мин; Т - выбранный период времени для поочередного заряда всего комплекта аккумуляторных батарей, мин; Ci - текущая емкость i-той аккумуляторной батареи, А·час. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники. Система аккумуляторных батарей включает в себя множество аккумуляторных батарей, соединенных последовательно, множество первых диодов, каждый из которых имеет анод, соединенный с отрицательным электродом соответствующей аккумуляторной батареи, множество вторых диодов, каждый из которых имеет катод, соединенный с положительным электродом соответствующей аккумуляторной батареи, множество конденсаторов, каждый из которых соединен с участком соединения между катодом первого диода и анодом второго диода. Источник питания переменного тока соединен с участками соединения через конденсаторы. Технический результат - упрощение устройства. 15 з.п. ф-лы, 19 ил.
Наверх