Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии


 


Владельцы патента RU 2539864:

Общество с ограниченной ответственностью "Системы управления хранением энергии" (ООО "СУХЭ") (RU)

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии относится к области электротехники и может быть использована при создании батарей электрических накопителей энергии различной природы в составе автономных систем электроснабжения, в том числе на транспорте, в устройствах бесперебойного питания, в системах оперативного постоянного тока и сетевых накопителях электроэнергии. Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности экстренного автоматического отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки при предаварийных состояниях накопителей батареи, минуя микроконтроллеры системы.

Сущность изобретения состоит в том, что в систему, содержащую запитанные от батареи микроконтроллерные блоки управления накопителями, модулями накопителей и всей батареи, связанные между собой последовательными каналами связи с гальванической развязкой, введен дублирующий канал связи экстренного реагирования на основе последовательно соединенных устройств гальванической развязки с открытым коллектором, подключенный на уровне управления батареей непосредственно к батарейному коммутатору, а на уровне управления накопителями - к компараторам верхнего и нижнего уровней напряжений накопителей через логический элемент ИЛИ. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании батарей электрических накопителей энергии различной природы: от литий-ионных аккумуляторов до ионисторов и химических источников тока в составе автономных систем электроснабжения, в том числе на транспорте, в устройствах бесперебойного питания, в системах оперативного постоянного тока и сетевых накопителях электроэнергии.

Известна иерархическая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии [см. статью «Особенности построения аппаратуры контроля и защиты высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей для систем электроснабжения космических аппаратов» / труды НПП «ВНИИЭМ», 2011, т.123, №4, с.29-34, авторы М.Ф.Ганзбург, А.И.Груздев, В.И.Трофименко (ОАО «АВЭКС»)].

Известная система на нижнем уровне управления содержит модули электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния, а также с устройствами выравнивания, коммутации, контроля и управления, связанными по последовательному каналу связи с модулем измерения тока и контроллером последовательного канала на среднем уровне управления, подключенным по последовательному каналу связи с блоком управления батареей верхнего уровня управления, к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ. Для повышения надежности работы в известной системе осуществляется резервирование (дублирование) модулей контроля и управления на нижнем уровне управления, а также использование на среднем уровне управления резервного канала обмена.

Недостатком известной системы является ее сложность, а также невозможность экстренного автоматического отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки в аварийных ситуациях перезаряда или переразряда накопителей батареи при отказах микроконтроллеров системы.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данной полезной модели является иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии [см. статью А.И. Груздева «Концепция построения системы контроля и управления высокоэнергоемких литиевых аккумуляторных батарей», «Электрохимическая энергетика», 2005, т. 5, №2, с. 90-93].

Известная трехуровневая иерархическая система, запитанная от батареи, состоит из микроконтроллерных блоков управления накопителями (БУН) на нижнем уровне управления, подключенных по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам управления модулями (БУМ) накопителей на среднем уровне управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку управления батареей (БУБ) верхнего уровня управления, связанному с бортовым зарядным устройством (БЗУ) и внешней ЭВМ и подключенному к электромагнитному коммутатору батареи.

Недостатком известной системы, выбранной в качестве прототипа, является невозможность экстренного отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки в аварийных ситуациях, когда какой-либо батарейный накопитель энергии приблизился к состоянию перезаряда или переразряда, а связанные с ним микроконтроллеры блоков БУН, БУМ или БУБ находятся в состоянии отказа.

Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача создания иерархической трехуровневой системы управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии с дублирующим каналом связи экстренного реагирования, позволяющим автоматически отключать батарею от зарядного устройства или нагрузки при перезаряде или переразряде накопителей батареи, минуя микроконтроллеры системы.

Поставленная задача решается тем, что предложена иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая связанные с борнами накопителей батареи блоки управления накопителями нижнего уровня управления, микроконтроллеры которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерам связанных с клеммами модулей блоков управления модулями накопителей среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллеру связанного с клеммами батареи блока управления батареей верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи и к электромагнитному коммутатору батареи через блок управления коммутатором.

Новым в предложенной системе является то, что в нее введен дублирующий канал связи экстренного реагирования, содержащий соединенные с борнами накопителей и с источниками соответствующих опорных напряжений компараторы верхнего и нижнего уровней напряжений накопителей блоков управления накопителями, подключенные через логический элемент ИЛИ к устройству гальванической развязки с открытым коллектором, соединенным по шине аварийного сигнала нижнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления накопителями, с источником питания соответствующего блока управления модулем через подтягивающий резистор и с входом устройства гальванической развязки с открытым коллектором, соединенным по выходу друг с другом для всех блоков управления модулями, с источником питания блока управления батареей через подтягивающий резистор и с входами микроконтроллера и блока управления коммутатором.

Технический результат заявленного изобретения состоит в создании возможности экстренного автоматического отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки при предаварийных состояниях накопителей батареи, минуя микроконтроллеры системы.

На чертеже представлена функциональная блок-схема заявленной системы.

Заявленная система запитана от батареи и содержит связанные с борнами «+» и «-» накопителей батареи блоки управления накопителями 1 нижнего уровня управления, микроконтроллеры 2 которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи 3 с гальванической развязкой 4 к микроконтроллерам 5 связанных с клеммами «+» и «-» модулей соответствующих блоков управления модулями накопителей 6 среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи 7 с гальванической развязкой 8 к микроконтроллеру 9 связанного с клеммами «+» и «-» батареи блока управления батареей 10 верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ (на чертеже не показаны) по последовательному каналу связи 11 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) и к электромагнитному коммутатору батареи (на чертеже не показан) через блок управления коммутатором 12. Блоки управления накопителями 1 содержат соединенные с борнами «+» и «-» накопителей и источниками соответствующих опорных напряжений Uon1 и Uon2 компараторы верхнего 13 и нижнего 14 уровней напряжений накопителей, подключенные через логический элемент ИЛИ 15 к устройству гальванической развязки 16 с открытым коллектором, соединенным по шине 17 аварийного сигнала нижнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления накопителями 1, с источником питания +Uм соответствующего блока управления модулем 6 через подтягивающий резистор 18 и с входом устройства гальванической развязки 19 с открытым коллектором, соединенным по шине 20 аварийного сигнала верхнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления модулями 6, с источником питания +Uб блока управления батареей 10 через подтягивающий резистор 21 и с входами микроконтроллера 9 и блока управления коммутатором 12.

Заявленная система работает следующим образом.

При отсутствии отказов в системе обмен информацией между микроконтроллерами 2, 5 и 9 блоков управления БУН, БУМ и БУБ соответственно осуществляется по последовательным каналам связи 3 и 7 через устройства гальванической развязки 4 и 8 соответственно. В случае отказа каналов связи 3, 7, устройств гальванической развязки 4, 8 либо микроконтроллеров 2, 5 и 9 обмен информацией между иерархическими уровнями управления батареей прекращается, и если при этом произойдет перезаряд или переразряд какого-либо накопителя батареи, то отключить батарею от зарядного устройства или нагрузки через канал последовательной связи будет невозможно. Однако в этом случае начинает работать дублирующий канал связи экстренного реагирования, а именно: сигналы о перезарядке накопителя с выхода компаратора 13, подключенного к опорному напряжению Uon1, соответствующего верхнему уровню напряжения накопителя, либо переразряде с выхода компаратора 14, подключенного к опорному напряжению Uon2, соответствующего нижнему уровню напряжения накопителя, через логический элемент ИЛИ 15 поступят на вход устройства гальванической развязки 16 с открытым коллектором и на шину 17 аварийного сигнала нижнего уровня управления. Шина 17 объединяет все другие такие выходы блоков БУН 1 соответствующего батарейного модуля накопителей по схеме «монтажное ИЛИ» и соединена с подтягивающим к источнику питания +Uм блока БУМ 6 резистором 18 и входом устройства гальванической развязки 19 с открытым коллектором соответствующего блока управления модулем 6. Выходы устройств гальванической развязки 19 всех блоков БУМ 6 объединены шиной 20 аварийного сигнала верхнего уровня управления по схеме «монтажное ИЛИ» и соединены с подтягивающим к источнику питания +Uб блока управления БУБ 10 резистором 21 и входом блока управления коммутатором батареи 12, поэтому аварийный сигнал, возникший на нижнем уровне управления батареей, отключит батарею через блок управления коммутатором 12, минуя микроконтроллеры блоков управления БУН, БУМ и БУБ. При этом для сообщения о срабатывании компараторов 13 и 14 аварийный сигнал верхнего уровня с шины 20 заводится также на вход микроконтроллера 9 блока управления батареей 10. Компараторы 13, 14 блока управления 1 накопителем могут быть выполнены на операционном усилителе LM2901D (Texas Instruments), логический элемент 15 ИЛИ - на микросхеме SN74LVC08AD (Texas Instruments), устройства гальванической развязки с открытым коллектором 16, 19 - на оптопаре FODM8801A (Fairchild).

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая связанные с борнами накопителей батареи блоки управления накопителями нижнего уровня управления, микроконтроллеры которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерам связанных с клеммами модулей соответствующих блоков управления модулями накопителей среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллеру связанного с клеммами батареи блока управления батареей верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ по последовательному каналу связи с гальванической развязкой и к электромагнитному коммутатору батареи через блок управления коммутатором, отличающаяся тем, что в нее введен дублирующий канал связи экстренного реагирования, содержащий соединенные с борнами накопителей и с источниками соответствующих опорных напряжений компараторы верхнего и нижнего уровней напряжений накопителей блоков управления накопителями, подключенные через логический элемент ИЛИ к устройству гальванической развязки с открытым коллектором, соединенным по шине аварийного сигнала нижнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления накопителями, с источником питания соответствующего блока управления модулем через подтягивающий резистор и с входом устройства гальванической развязки с открытым коллектором, соединенным по шине аварийного сигнала верхнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления модулями, с источником питания блока управления батареей через подтягивающей резистор и с входами микроконтроллера и блока управления коммутатором.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники. Адаптер снабжен соединительным участком, выполненным с возможностью разъемного прикрепления к основному корпусу инструмента с электрическим приводом, и по меньшей мере одним приемным участком для батареи, выполненным с возможностью разъемного прикрепления к батарейному источнику питания.

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение оптимального потребления энергии при зарядке мобильного телефона.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА), с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей (СБ), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей (АБ). Технический результат - повышение надежности процесса восстановления работоспособности системы после аварийных ситуаций, связанных с незапланированным глубоким разрядом.

Использование: в области электротехники для зарядки литий-ионных (Li-Ion) электрических аккумуляторов. Технический результат - восстановление переразряженного (разряженного ниже допустимого уровня) аккумулятора.

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к системам и устройствам для беспроводной передачи энергии, предназначенным для одновременной зарядки нескольких мобильных устройств.

Изобретение относится к системам электроснабжения транспортных средств. Технический результат - предотвращение утечек и обеспечение возможности зарядки во время неисправности. Система энергоснабжения для транспортного средства включает в себя устройство накопления энергии, множество зарядных трактов для зарядки устройства накопления энергии электрической энергией извне, множество реле, предусмотренных во множестве зарядных трактов соответственно, каждое для переключения между подачей и отсечением электрической энергии, и блок управления зарядкой для осуществления выбора в отношении того, через какой зарядный тракт, из множества зарядных трактов, разрешена зарядка устройства накопления энергии, на основании состояния приваривания множества реле.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей системы, увеличении его нагрузочной мощности и обеспечении максимальной бесперебойности работы при поддержании оптимальных параметров работы аккумуляторной батареи при питании потребителей постоянным током.

Изобретение относится к аккумуляторам, в частности к зарядке аккумуляторных батарей. Технический результат - продление срока службы батареи путем обеспечения баланса заряда ее элементов.

Изобретение относится к области связи и может быть использовано для обнаружения наличия аккумулятора хостовым терминалом, в частности к обнаружению извлечения «интеллектуального» аккумулятора, когда хостовый терминал осуществляет передачу данных.В способе обнаружения извлечения аккумулятора в процессе сеанса цифрового обмена данными с аккумулятором (160) обмен данными с аккумуляторным блоком (150) и обнаружение извлечения аккумулятора (160) происходят по существу одновременно.

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно - к устройствам беспроводной передачи энергии и, в частности, к беспроводным зарядным системам, способным зарядить одно или несколько мобильных устройств одновременно.

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии относится к области электротехники и может быть использована при создании высоковольтных батарей для нужд транспорта и энергетики. Технический результат изобретения состоит в автоматизации процесса присвоения идентификационных номеров (адресов) конструктивно привязанных к накопителям и батарейным модулям микроконтроллерных блоков управления системы. Сущность изобретения состоит в том, что в систему, запитанную от батареи и содержащую связанные по последовательному каналу связи через устройство гальванической развязки микроконтроллерные блоки управления накопителями, модулями и батареей, введен аппаратно-программный механизм автоматического присвоения идентификационных номеров блоков управления (адресов) на основе цепочек последовательно соединенных друг с другом в требуемом порядке идентификации блоков управления системы по входу и выходу разовых команд соответствующих микроконтроллеров через устройства гальванической развязки. 1 ил.

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии относится к области электротехники и может быть использована при создании высоковольтных батарей для нужд транспорта и энергетики. Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности экстренного оповещения микроконтроллеров блоков управления накопителями и модулями системы и перевода их в состояние ожидания, минуя каналы последовательной связи. Сущность изобретения состоит в том, что в систему, содержащую запитанные от батареи микроконтроллерные блоки управления накопителями, модулями накопителей и всей батареи, связанные между собой последовательными каналами связи с гальванической развязкой, введен дублирующий канал связи экстренного оповещения на основе последовательно соединенных электронных ключей и устройств гальванической развязки, подключенный на уровне управления батареей к выходу разовой команды микроконтроллера блока управления батареей, а на уровнях управления модулями и накопителями - к входу прерывания микроконтроллера соответствующих блоков управления модулями и накопителями. 1 ил.

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии относится к области электротехники и может быть использована при создании высоковольтных батарей для нужд транспорта и энергетики. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности поэтапного поуровневого автоматического и ручного включения и выключения электропитания системы. Сущность изобретения состоит в том, что в микроконтроллерные блоки управления иерархической системы введен аппаратно-программный механизм поуровневого управления питанием на основе управляемых микроконтроллерами блоков электронных ключей, управляющих состоянием электронных ключей с гальванической развязкой, которые запускают в работу подключенные к клеммам батарейных модулей и накопителей преобразователи напряжения, запитывающие микроконтроллеры блоков, а также элементы ручного управления включением преобразователей напряжения микроконтроллерных блоков управления системы.1 ил.

Изобретение относится к блоку питания и способу подачи в приводимое в действие электричеством устройство электрического питания и/или электрического сигнала. Техническим результатом является обеспечение возможности определения конкретного типа приводимого в действие электричеством устройства на основе определенной внешней емкости. Блок (10) питания содержит измерительное устройство (34) для измерения параметра, причем параметр подходит для определения наличия внешней емкости, электрически включенной между одним элементом (22) и другим элементом (24) из соединительных элементов (22, 24, 26, 28) блока (10) питания, на основании упомянутого параметра, причем блок (10) питания выполнен с возможностью определения конкретного типа приводимого в действие электричеством устройства (12) на основе определенной внешней емкости, а параметры являются током, зависящим от времени, и напряжением, зависящим от времени. 4 н. и 10. з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА). Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности эксплуатации АБ в составе СЭС КА. Предлагается способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата, содержащей солнечную батарею и «N» аккумуляторных батарей, где «N»≥1, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батареей и нагрузкой, и «N» зарядных и разрядных устройств, заключающийся в управлении стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы электроснабжения, напряжения аккумуляторных батарей, запрете на работу соответствующего зарядного устройства при достижении предельного уровня зарядного напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов, снятии этого запрета при достижении определенного уровня напряжения аккумуляторной батареи, запрете на работу соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разрядного напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов, снятии этого запрета при достижении определенного уровня напряжения аккумуляторной батареи, либо ее аккумуляторов. Поставленная задача решается тем, что устанавливают минимальный период времени достижения предельного уровня зарядного напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов от момента включения заряда, при этом при включении заряда и достижении предельного уровня напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов в течение времени менее установленного минимального периода включают режим ограничения тока заряда по установленному уровню напряжения заряда аккумуляторной батареи. При этом минимальный период времени достижения предельного уровня напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов устанавливают не более 1 минуты. Кроме того, отключение режима ограничения тока заряда по установленному уровню напряжения заряда аккумуляторной батареи проводят после снижения зарядного напряжения ниже установленного уровня напряжения заряда. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам диагностирования и контроля, а именно к диагностированию аккумулятора транспортного средства. Устройство диагностики аккумулятора транспортного средства, которое диагностирует статистику состояния использования аккумуляторной батареи, и, которое представляет меру подавления ухудшения характеристик аккумулятора. Устройство диагностики содержит средство хранения для хранения альтернативной меры подавления для фактора, обуславливающего ухудшение характеристик аккумуляторной батареи, и средство диагностики для запрещения представления альтернативной меры подавления в качестве меры подавления, если альтернативная мера подавления не удовлетворяет определенному критерию представления. Достигается повышение срока службы аккумулятора. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Данное изобретение относится к электротехнике, в частности к одной или нескольким электродным пластинам. Технический результат - повышение равномерности плотности входного\выходного тока. Для достижения этого одна или несколько электродных пластин установлены с токосъемными контактами на двух или более их сторонах, скреплены со вспомогательным проводником, изготовленным из материала с более высокой проводимостью по сравнению с электродными пластинами; при этом токосъемные контакты установлены на двух или более сторонах вспомогательного проводника для соединения с токосъемными контактами, установленными на двух или более сторонах электродных пластин, и по меньшей мере один из них используется в качестве основного токосъемного контакта для вывода тока к внешней части или для приема входного тока от внешней части; и имеются изоляторы, установленные между вспомогательным проводником и электродными пластинами для образования электродного модуля. 16 з.п. ф-лы, 44 ил.

Изобретение относится к бесконтактному зарядному устройству. Бесконтактное зарядное устройство содержит устройство приема мощности, содержащее катушку; аккумулятор; модуль определения состояния заряда аккумулятора; модуль задания допустимого диапазона для процесса заряда; модуль управления зарядом для управления мощностью процесса заряда для аккумулятора и дисплей для отображения допустимого диапазона для процесса заряда. Модуль задания допустимого диапазона для процесса заряда задает допустимый диапазон для процесса заряда шире по мере того, как состояние заряда выше. Повышается удобство пользования. 5 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к технике быстрого заряда аккумуляторных батарей. Технический результат - обеспечение быстрого полного заряда. Устройство управления вычисляет, на основе изменения ожидаемого количества энергии, генерируемой посредством блока генерирования энергии, изменения ожидаемого количества энергии, подаваемой посредством блока подачи энергии, и текущего количества электрической энергии, накопленной посредством аккумуляторной батареи, изменение ожидаемого количества электрической энергии, накопленной посредством аккумуляторной батареи, в случае, когда электрическая энергия продолжает подаваться от сети распределения энергии на аккумуляторную батарею. При этом устройство управления задает временной диапазон понижения энергии, который является временным диапазоном, в котором электрическая энергия не подается от сети распределения энергии на аккумуляторную батарею, когда в изменении ожидаемого количества накопленной электрической энергии аккумуляторной батареи обнаруживается первый момент времени, который является моментом времени, в который ожидаемое количество накопленной электрической энергии начинает превышать первую опорную емкость, и в качестве первого момента времени задает конечное время временного диапазона понижения энергии. 6 н. и 12 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в устройствах для подзаряда аккумуляторных батарей, находящихся на хранении, с целью компенсации их саморазряда. Технический результат направлен на упрощение схемы устройства и расширение его применяемости. Технический результат достигается тем, что в устройство для компенсации саморазряда аккумуляторных батарей дополнительно введены последовательно соединенные дроссель и диод, включенные между плюсовым выводом фотоэлемента и анодом диода защиты от инверсного включения аккумуляторной батареи; накопительный элемент, включенный между анодом диода защиты и минусовой шиной устройства; коммутирующий транзистор, включенный между средней точкой соединения дросселя и диода и минусовой шиной устройства; пороговое устройство и задающий генератор импульсов, выходы которых соединены с базой коммутирующего транзистора, а вход порогового устройства подключен к выходу накопительного элемента. 1 ил.
Наверх