Выравнивающее устройство для высоковольтной батареи электрических накопителей энергии

Выравнивающее устройство для высоковольтной батареи электрических накопителей энергии относится к области электротехники и может быть использовано при создании высоковольтных батарей электрических накопителей энергии для нужд транспорта и энергетики. Сущность изобретения состоит в том, что в выравнивающее устройство, реализующее двухканальный механизм активного выравнивания на основе обратно-ходового трансформатора, накопительного дросселя и сквозной накопительной магистрали батареи и содержащее управляемые от микроконтроллера через соответствующие драйверы электронные ключи, введены компараторы аварийных ситуаций перезаряда и переразряда накопителей, перезаряда накопительной магистрали и превышения тока дросселя, которые через соответствующие логические элементы подключены к входам отключения соответствующих драйверов и входам разовых команд микроконтроллера. Технический результат изобретения состоит в повышении надежности защиты батареи в аварийных ситуациях за счет дублирующего компараторного канала отключения драйверов устройства, действующего помимо микроконтроллера. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании высоковольтных батарей электрических накопителей энергии для нужд транспорта и энергетики.

Проблема обеспечения длительного срока службы высоковольтных и энергоемких батарей, состоящих из большого числа последовательно 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 батареей в нагрузку, перезаряд и переразряд отдельных элементов с возможностью их переполюсовки, разгерметизации и других необратимых и нежелательных явлений, что в итоге приводит к сокращению срока службы батарей. Одним из решений указанной проблемы является выравнивание разбаланса напряжений между отдельными элементами батареи (электрическими накопителями энергии) путем селективного шунтирования избыточного напряжения отдельных накопителей с помощью резисторов в системе управления батареей с пассивной балансировкой [см. патент РФ на изобретение №2324263, опубл. 27.01.2008 г.].

Однако данное техническое решение энергетически не эффективно, так как приводит к непроизводительным потерям энергии, а также вызывает нежелательный перегрев батареи, поскольку выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батарейных модулей.

Известно устройство нивелирования разбаланса напряжений на соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или батареях, содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу аккумуляторов или модулей, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой в соответствующей ячейке и систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератор импульсов и формирователь импульсов управления ключевыми элементами в виде емкости [см. патент РФ на изобретение №2156533, опубл. 20.09.2000 г.].

Основным недостатком известного устройства является сложность выравнивания напряжения на отдельных аккумуляторах в высоковольтной батарее, а также необходимость использования относительно мощных трансформаторов.

Известно также устройство выравнивания напряжения в батарее, состоящее, по крайней мере, из двух последовательно соединенных электрических накопителей, содержащее трансформатор с общим сердечником и одинаковыми по количеству витков рабочими обмотками, управляющие ключевые элементы, соединенные последовательно с каждой рабочей обмоткой и одним из электрических накопителей, и систему управления в виде генератора импульсов и формирователя сигналов управления ключевыми элементами [см. патент РФ на полезную модель №37884, опубл. 10.05.2004 г.].

Недостатком известного устройства является сложность реализации использованного в ней активного метода выравнивания заряда применительно к высоковольтным батареям, содержащим более сотни накопителей, поскольку трансформатор в известной системе должен иметь рабочие обмотки по числу накопителей в модуле, которое реально не может превышать 10-12 шт., в связи с чем остается не решенной проблема межмодульного активного выравнивания.

Известен балансир напряжений для батареи заряженных химических источников тока и батарея химических источников тока с балансом напряжений на основе указанного балансира, в которых с целью упрощения схемы и улучшения массогабаритных характеристик вместо трансформатора с общим сердечником используется дроссель, подключенный к точке последовательного соединения двух источников тока, и через ключи к другим полюсам последовательно соединенных источников тока, а параллельно к ключам подключены диоды, открытые в направлении протекания тока от минуса источника тока к его плюсу, [см. патент РФ на полезную модель №75797, опубл. 20.08.2008 г. и патент РФ на изобретение №2360334, опубл. 27.06.2009 г.].

Недостатком известного устройства и батареи в целом, в которой реализуется метод активного выравнивания напряжений между смежными накопителями, является недостаточная скорость выравнивания применительно к высоковольтной батарее, содержащей более сотни последовательно соединенных накопителей, поскольку используемый в нем примитивный алгоритм соседнего выравнивания носит локальный характер и не позволяет быстро и оперативно учесть глобальное распределение заряда в батарее.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к данному изобретению является выравнивающее устройство известной иерархической трехуровневой системы управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии по заявке РФ на полезную модель №2012137568 от 03.09.2012 г. Выравнивающее устройство в известной системе выполнено совместно с микроконтроллерным устройством контроля и управления в виде единой конструктивной схемы для каждого накопителя батареи и реализует двухканальный механизм активного выравнивания на основе обратно-ходового трансформатора, накопительной магистрали и накопительного дросселя. Выравнивающее устройство содержит микроконтроллер, подключенный через шину управляющих ШИМ-сигналов к зашунтированным диодами электронным ключам в первичной и вторичной обмотках повышающего в сторону накопительной магистрали обратно-ходового трансформатора через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно. Первичная обмотка трансформатора соединена с борном «+» и через электронный ключ с борном «-» накопителя, а вторичная обмотка с клеммой «+» и через электронный ключ с клеммой «-» накопительной магистрали, содержащей подключенный к клеммам конденсатор. Накопительный дроссель одним своим выводом подключен через соединенный с микроконтроллером датчик тока к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей, а другим к выходу управляемого от микроконтроллера по шине ШИМ-сигналов полумостового драйвера со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя, а с другого - к борну «-» соседнего накопителя.

Недостатком известного выравнивающего устройства является недостаточная защита от аварийных ситуаций, связанных с перезарядом и переразрядом накопителей батареи, а также с перезарядом накопительной магистрали и превышениями тока накопительного дросселя, возложенная в известном устройстве только на микроконтроллер и не действующая при его отказах.

Перед заявленным изобретением была поставлена задача повышения надежности защиты батареи в аварийных ситуациях, связанных с перезарядом и переразрядом накопителей батареи, перезарядом накопительной магистрали и превышениями тока накопительного дросселя устройства при отказах микроконтроллера.

Поставленная задача решается тем, что предложено выравнивающее устройство для высоковольтной батареи электрических накопителей энергии с двухканальным механизмом активного выравнивания на основе обратно-ходового трансформатора, накопительной магистрали и накопительного дросселя, содержащее микроконтроллер, подключенный через шину управляющих ШИМ-сигналов к зашунтированным диодами электронным ключам в первичной и вторичной обмотках повышающего в сторону накопительной магистрали обратно-ходового трансформатора через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно. Первичная обмотка трансформатора соединена с борном «+» и через электронный ключ с борном «-» накопителя, а вторичная с клеммой «+» и через электронный ключ с клеммой «-» накопительной магистрали, содержащей подключенный к клеммам конденсатор. Накопительный дроссель одним своим выводом подключен через соединенный с микроконтроллером датчика тока к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей, а другим к выходу управляемого от микроконтроллера по шине ШИМ-сигналов полумостового драйвера со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя, а с другого к борну «-» соседнего накопителя.

Новым в предложенном устройстве является то что в него введены: подключенный к выходу датчика тока и источнику первого опорного напряжения компаратор превышения тока дросселя, подключенный к первому входу первого логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения полумостового драйвера, а второй вход к шине сигнала экстренного реагирования; подключенный к борну «+» первого из двух смежных накопителей и к источнику второго опорного напряжения компаратор переразряда накопителя, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения драйвера с гальванической развязкой; подключенный к борну «+» первого из двух смежных накопителей и к источнику третьего опорного напряжения компаратор переразряда накопителя, подключенный к первому входу второго логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения драйвера, а второй вход к выходу компаратора перезаряда накопительной магистрали, подключенному к источнику четвертого опорного напряжения и к клемме «+» накопительной магистрали.

Технический результат заявленного изобретения состоит в повышении надежности защиты батареи в аварийных ситуациях за счет дублирующего компараторного канала отключения драйверов устройства, действующего помимо микроконтроллера, способного осуществлять указанную функцию в случае своей исправности обнулением управляющего ШИМ-сигнала.

На чертеже представлена функциональная блок-схема заявленного выравнивающего устройства.

Заявленное устройство содержит обратно-ходовой трансформатор 1, накопительную магистраль 2, накопительный дроссель 3 и микроконтроллер 4, подключенный через шину управляющих ШИМ-сигналов 5 к зашунтированным диодами (на чертеже не показаны) электронным ключам в первичной 6 и вторичной 7 обмотках повышающего в сторону накопительной магистрали 2 обратно-ходового трансформатора 1 через драйвер 8 и драйвер 9 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) соответственно. Первичная обмотка трансформатора 1 соединена с борном «+» и через электронный ключ 6 с борном «-» накопителя, а вторичная с клеммой «+» и через электронный ключ 7 с клеммой «-» накопительной магистрали 2, содержащей подключенный к клеммам магистрали конденсатор 11. Накопительный дроссель 3 одним своим выводом подключен через соединенный с микроконтроллером 4 датчика тока 12 к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей 10, а другим к выходу управляемого от микроконтроллера 4 по шине 5 ШИМ-сигналов полумостового драйвера 13 со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами (на чертеже не показаны), подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя 10, а с другого к борну «-» соседнего накопителя 10. К выходу датчика тока 12 и к первому источнику опорного напряжения Uoni подключен компаратор 14 превышения тока дросселя 3, подключенный к первому входу первого логического элемента ИЛИ 15, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера 4 и к входу отключения полумостового драйвера 13, а второй вход к шине 16 сигнала экстренного реагирования. К борну «+» первого из двух смежных накопителей 7 и к источнику второго опорного напряжения Uon 2 подключен компаратор 17 перезаряда накопителя, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера 4 и к входу отключения драйвера 9 с гальванической развязкой. К борну «+» первого из двух смежных накопителей 10 и к источнику третьего опорного напряжения Uon 3 подключен компаратор 18 перезаряда накопителя, подключенный к первому входу второго логического элемента ИЛИ 19, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера 4 и к входу отключения драйвера 8, а второй вход к выходу компаратора 20 переразряда накопительной магистрали 2, подключенному к источнику четвертого опорного напряжения Uon 4 и к клемме «+» накопительной магистрали 2.

Заявленное устройство работает следующим образом. Элементы выравнивающего устройства: накопительный дроссель 3, полумостовой драйвер 13 и датчик тока 12 под управлением микроконтроллера 4 обеспечивают внутримодульное соседнее выравнивание напряжений на накопителях 10 батареи. Элементы выравнивающего устройства: обратно-ходовый трансформатор 1, электронные ключи 6, 7, драйверы 8 и 9, конденсатор 11, а также накопительная магистраль 2 обеспечивают межмодульное селективное выравнивание напряжений на накопителях 10 батареи под управлением микроконтроллеров верхнего уровня управления. В случае превышения допустимых значений по перезаряду, переразряду накопителей, а также перезаряду накопительной магистрали батареи или превышения тока накопительного дросселя устройства, задаваемых величинами опорных напряжений Uon 2, Uon 3, Uon 4 и Uon 1 соответственно, срабатывают соответствующие компараторы 17, 18, 20 и 14 и через логические элементы ИЛИ 15, 19 отключают драйверы 9, 8, или 13 устройства независимо от состояния микроконтроллера 4, обеспечивая повышенную надежность защиты батареи в аварийных ситуациях. Полумостовой драйвер 13 соседнего дроссельного выравнивания отключается также по сигналу экстренного реагирования на шине 16 устройства через элемент ИЛИ 15, возникающему при перезаряде или переразряде любого из накопителей 10 батареи. Сигналы с выхода компараторов заведены на входы разовых команд микроконтроллера 4 через шину 21 для контроля функционирования компараторов при исправном микроконтроллере 4 устройства. Компараторы 14, 17, 18, и 20 устройства могут быть выполнены на микросхемах LM2901D (Texas Instruments), логические элементы ИЛИ 15, 19 на микросхемах SN74LVC08AD (Texas Instruments), источники опорных напряжений Uon 1 - Uon 4 на микросхемах REF3325AIDBZ (Texas Instruments) и резистивных делителях напряжения.

Выравнивающее устройство для высоковольтной батареи электрических накопителей энергии, содержащее обратно-ходовый трансформатор, накопительную магистраль, накопительный дроссель и микроконтроллер, подключенный через шину управляющих ШИМ-сигналов к зашунтированным диодами электронным ключам в первичной и вторичной обмотках повышающего в сторону накопительной магистрали обратно-ходового трансформатора через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, в котором первичная обмотка обратно-ходового трансформатора соединена с борном «+» и через электронный ключ с борном «-» накопителя, а вторичная с клеммой «+» и через электронный ключ с клеммой «-» накопительной магистрали, содержащей подключенный к клеммам магистрали конденсатор, накопительный дроссель одним своим выводом подключен через соединенный с микроконтроллером датчик тока к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей, а другим - к выходу управляемого от микроконтроллера на шине ШИМ-сигналов полумостового драйвера со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя, а с другого к борну «-» соседнего накопителя, отличающееся тем, что к выходу датчика тока и к источнику первого опорного напряжения подключен компаратор превышения тока дросселя, подключенный к первому входу первого логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения полумостового драйвера, а второй вход к шине сигнала экстренного реагирования батареи, к борну «+» первого из двух смежных накопителей и к источнику второго опорного напряжения подключен компаратор перезаряда накопителя, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения драйвера с гальванической развязкой, к борну «+» первого из двух смежных накопителей и к источнику третьего опорного напряжения подключен компаратор переразряда накопителя, подключенный к первому входу второго логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения драйвера, а второй вход к выходу компаратора перезаряда накопительной магистрали, подключенному к источнику четвертого опорного напряжения и к клемме «+» накопительной магистрали.



 

Похожие патенты:

Предлагаемое устройство относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в источниках и системах вторичного электропитания, а также при создании многоуровневых инверторов, а также при создании автономных многоуровневых систем обмена электрической энергией постоянного тока.

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии и может применяться для преобразования напряжения питания переменного тока, например, промышленной сети в постоянное напряжение.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования электрической энергии переменного и постоянного тока в постоянное стабилизированное напряжение.

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным источникам электропитания, и предназначено для подачи высоковольтных импульсов на анод или управляющий электрод с целью обеспечения снабжения электроэнергией клистронов, ускорителей частиц, магнетронов, ламп бегущей волны и подобных им устройств.

Изобретение относится к области электротехники и касается способа осаждения металлов в электролите, зарядки аккумуляторных батарей, используя суммирование постоянного тока и импульсно-ударного тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электрооборудования постоянного тока, например, для электровозов постоянного тока напряжением 3 кВ для питания от контактной сети с повышенным напряжением (12-24 кВ и т.д.). Технический результат - расширение функциональных возможностей и увеличение предельной мощности нагрузки. Высоковольтный преобразователь постоянного напряжения с отношением величины высокого напряжения к величине низкого напряжения, равным N, где N - целое число, содержит общий последовательный конденсаторный делитель напряжения из N конденсаторов, L листов идентичных преобразовательных структур, токовый делитель на L выходов, нагрузку. Каждый лист преобразовательной структуры состоит из диодно-транзисторной цепочки из 2N последовательно соединенных диодов, шунтированных встречно-параллельными транзисторами, и конденсаторно-реакторной цепочки из последовательно соединенных N-1 ветвей с последовательно включенными реактором и конденсатором в каждой ветви. Упомянутые цепочки соединены так, как указано в материалах заявки. Нагрузка подсоединена параллельно первому конденсатору конденсаторного делителя напряжения, оконечный вывод которого образует второй вход преобразователя, общий с одним из выводов нагрузки. Преобразователь может работать как понижающий, так и повышающий напряжение в число раз. 2 ил.

Изобретение относится к преобразователям постоянного напряжения. Техническим результатом является создание понижающего преобразователя постоянного напряжения с улучшенным качеством входного тока и выходного напряжения. Результат достигается тем, что преобразователь с коэффициентом преобразования по напряжению К содержит 4К ключей, образованных встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, и 4К конденсаторов, 4К резонансных реакторов. Структура данного преобразователя включает в себя два ключевых модуля, соединенных параллельно между собой, и элементы в цепи нагрузки. Модули состоят каждый из К ячеек. В состав одной ячейки входят два ключа с полным управлением со встречно-параллельным диодом, два резонансных LC-звена. Все ячейки одного модуля соединены между собой каскадно. Два развязывающих диода на выходе преобразователя нужны для ограничения влияние работы модулей друг на друга. 3 ил.

Изобретение описывает адаптивную схему (1, 1') для запитывания нагрузки (2) постоянного тока более низкого напряжения от источника (3) питания выпрямленного переменного тока более высокого напряжения, причем адаптивная схема (1, 1') содержит схему (21, 21') накопления заряда, причем схема (21, 21') накопления заряда содержит первый конденсатор (С1) и второй конденсатор (С2), соединенные, по существу, последовательно, при этом второй конденсатор (С2) соединен, по меньшей мере, параллельно с нагрузкой (2); и активный переключатель (22, 22'), реализованный в виде управляемого источника (22, 22') тока для управления током (Iload) нагрузки через нагрузку (2) таким образом, что в замкнутом состоянии переключателя ток (Iload) нагрузки подается, по меньшей мере, от первого конденсатора (С1) схемы (21, 21') накопления заряда, а во время разомкнутого состояния переключателя ток (Iload) нагрузки подается, по существу, от второго конденсатора (С2). Изобретение также описывает модифицированную СИД лампу (4), содержащую средство соединения (40) для подсоединения лампы (4) к сигналу (UPS) питающей сети более высокого напряжения; СИД устройство (2), рассчитанное на питание более низкого напряжения; и такую адаптивную схему (1, 1') для изменения сигнала (UPS) питающей сети более высокого напряжения на сигнал (UC2) более низкого напряжения для возбуждения СИД устройства (2) более низкого напряжения. Изобретение также описывает способ запитывания нагрузки (2) постоянного тока более низкого напряжения от источника (3) питания выпрямленного переменного тока более высокого напряжения. 3 н. и 12 з.п. ф-лы,7 ил.

Выравнивающее устройство для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями относится к области электротехники и может быть использовано при создании высоковольтных батарей электрических накопителей энергии для нужд транспорта и энергетики. Сущность изобретения состоит в том, что узел балансировки каждого накопителя состоит из двух отдельных специализированных DC/DC преобразователей: маломощного обратноходового, работающего в режиме ограничения мощности для передачи энергии из накопителя в энергообменную магистраль постоянного тока, и мощного прямоходового преобразователя напряжения с фиксированным жестким коэффициентом передачи напряжения (трансформации) для передачи энергии из магистрали в накопитель. Технический результат заявленного изобретения состоит в том, что благодаря использованию более мощного прямоходового преобразователя имеется возможность направлять большой поддерживающий ток в нуждающийся накопитель из энергообменной изолированной магистрали постоянного тока, энергия в которую подается от большого числа «донорских» накопителей с помощью менее мощных обратноходовых преобразователей, что позволяет за ограниченное время разряда компенсировать не только утечки, но и дефицит заряда в нескольких «наихудших» накопителях. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам вторичного электропитания. Однотактный преобразователь постоянного напряжения содержит трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к выходным выводам одного или нескольких выходов преобразователя, первичная обмотка подсоединена к полевому транзистору, а обмотка обратной связи подключена к делителю обратной связи, регулирующий транзистор, времязадающий конденсатор, три логических инвертора и логический элемент И, между выходом которого и входом первого логического инвертора подключена последовательная RC-цепь. При малых нагрузках или в режиме холостого хода время отпирания полевого транзистора определяется не времязадающим конденсатором, а малой постоянной времени последовательной RC-цепи, при этом напряжение помехи не влияет на работу устройства. Технический результат состоит в исключении потери устойчивости регулирования в режиме холостого хода и повышение надежности устройства в целом. 1 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх