Выравнивающее устройство для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями


 


Владельцы патента RU 2561193:

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

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.

 

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 высокоэнергоемких аккумуляторных 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 является 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 между отдельными элементами батареи (электрическими накопителями энергии) путем селективного шунтирования отдельных элементов батареи с помощью резисторов в системе управления батареей с пассивной балансировкой [патент РФ №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 всей батареи, поскольку выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батареи.

Известна иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии, запитанная от самой батареи [статья «Особенности построения аппаратуры контроля и защиты высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей для систем электроснабжения космических аппаратов» / Труды НЛП «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 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, подключенным к бортовому зарядному устройству. Устройство активного выравнивания на нижнем уровне управления построено с использованием трансформаторной схемы, осуществляющей перераспределение энергии внутри батареи между накопителями модуля [патент РФ на полезную модель №37884, опубл. 10.05.2004 г.].

Однако известная иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии имеет следующий основной недостаток, заключающийся в сложности реализации активного метода выравнивания с помощью предложенной в ней трансформаторной схемы применительно к высоковольтной батарее с большим числом последовательно соединенных накопителей (до 160 шт.), предназначенной для использования на транспорте, поскольку трансформатор в прототипе должен иметь рабочие обмотки по числу накопителей на одном сердечнике. Реально удается охватить таким трансформатором не более 8-10 накопителей в модуле (в прототипе 8 шт.), в связи с чем остается нерешенной проблема межмодульного выравнивания.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данному изобретению является иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии, в которой каждый из последовательно соединенных электрических накопителей энергии имеет на нижнем уровне управления блок управления единичным накопителем, запитанный от накопителя и связанный на среднем уровне управления через внутримодульный гальванически развязанный последовательный канал связи с соответствующим блоком управления модулем электрических накопителей, запитанный от модуля и подключенный на верхнем уровне управления через межмодульный гальванически развязанный последовательный канал связи с запитанным от батареи блоком управления батареей [патент РФ на полезную модель №123251, опубл. 20.12.2012 г.]. Блок управления накопителем в известной системе, принятой за прототип, состоит из устройства контроля и управления на основе микроконтроллера и активного выравнивающего устройства на основе трансформаторной схемы, выполненного в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя батареи в сквозную для батареи накопительную линию постоянного тока и обратно по типу обратноходового преобразователя напряжения.

Известная трехуровневая система управления батареей электрических накопителей энергии с активной схемой выравнивания и накопительной линией охватывает любое количество накопителей и позволяет перераспределять энергию между ними независимо от их месторасположения.

Однако недостатком известного выравнивающего устройства на двунаправленных обратноходовых преобразователях для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с использованием накопительной линии в качестве энергообменной электрической магистрали постоянного тока является ограничение на принимаемую из линии мощность из-за неэффективности обратноходового преобразователя для передачи большой мощности. Малая передаваемая мощность ограничивает применение системы только компенсацией разбаланса накопителей батареи из-за явлений саморазряда и не позволяет компенсировать разброс емкости накопителей, оставляя разрядную характеристику батареи соответствующей характеристике наихудшего накопителя.

Перед заявленным изобретением поставлена задача создания выравнивающего устройства для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока, позволяющего полностью использовать энергетический потенциал батареи, предотвращая наиболее неблагоприятную ситуацию, когда работа на нагрузку прекращается из-за разрядки накопителя наименьшей емкости.

Поставленная задача решается тем, что предложено выравнивающее устройство для каждого накопителя иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями, запитанное от батареи и содержащее повышающий обратноходовый DC/DC преобразователь напряжения, подключенный по входу к соответствующему накопителю через микроконтроллерное устройство контроля и управления блока управления накопителем, по выходу к энергообменной магистрали постоянного тока, а по входу управления к первому управляющему выходу микроконтроллерного устройства контроля и управления блока управления накопителем иерархический системы управления батареей.

Новым в предложенном выравнивающем устройстве является то, что выравнивающее устройство содержит понижающий прямоходовый DC/DC нерегулируемый преобразователь напряжения с жесткой передаточной характеристикой, подключенный по входу к энергообменной магистрали постоянного тока, по выходу - к соответствующему накопителю через микроконтролерное устройство контроля и управления и по входу управления ко второму управляющему выходу микроконтроллерного устройства контроля и управления блока управления накопителем иерархической системы управления батареей.

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 может быть подана от большого числа «донорских» накопителей с помощью менее мощных обратноходовых преобразователей, что позволяет компенсировать дефицит заряда в нескольких «наихудших» накопителях за ограниченное время разряда.

На чертеже представлена функциональная блок-схема заявленного выравнивающего устройства.

Заявленное выравнивающее устройство 1 для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии 2 с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока 3 и блоками управления накопителями 4 содержит обратноходовый повышающий DC/DC преобразователь напряжения 5 и прямоходовый нерегулируемый понижающий DC/DC преобразователь напряжения 6. Обратноходовый DC/DC преобразователь напряжения 5 по входу подключен через микроконтроллерное устройство контроля и управления 7 блока управления накопителем 4 иерархической системы управления батареей к соответствующему накопителю 2 батареи и к выходу прямоходового DC/DC преобразователя напряжения 6, вход которого подключен к энергообменной магистрали постоянного тока 3, подключенной к выходу обратноходового DC/DC преобразователя напряжения 5, вход управления которого соединен с первым управляющим выходом микроконтроллерного устройства контроля и управления 7 блока управления накопителем 4 иерархической системы управления батареей. Второй управляющий выход микроконтроллерного устройства контроля и управления 7 подключен к входу управления прямоходового DC/DC преобразователя напряжения 6, а выход последовательного интерфейса соединен с последовательным каналом связи 8 иерархической система управления батареей.

Заявленное выравнивающее устройство для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями работает следующим образом.

В процессе зарядки батареи от зарядного устройства зарядный ток проходит через все последовательно соединенные электрические накопители 2 батареи, заряжая их до контролируемой микроконтроллерными устройствами контроля и управления величины напряжения. При достижении этой величины на любом единичном накопителе 2 до заданного максимального значения, хранящегося в качестве уставок в памяти микроконтроллера блока управления батареей (на чертеже не показаны) верхнего уровня управления, последний разрывает зарядную цепь батареи с помощью имеющегося в иерархической системе управления батареей коммутатора (на чертеже не показан) и через последовательный канал связи 8 и соответствующее устройство контроля управления 7 запускает в работу обратноходовые DC/DC преобразователи напряжения 5, соответствующие заряженным быстрее других накопителям 2, передавая энергию из них в другие недозаряженные накопители 2 через соответствующие прямоходовые преобразователи 6. После чего зарядное устройство батареи подключается снова. Таким образом осуществляется селективное выравнивание с перераспределением энергии между накопителями 2 батареи с накоплением данных процесса зарядной балансировки. Указанная процедура балансировки батареи в процессе ее зарядки позволяет достичь максимального заряда в каждом накопителе 2 к окончанию зарядки. При разрядке получение всей энергии из батареи ограничивается в первую очередь моментом разряда накопителя с наименьшей емкостью, известного в иерархической системе управления батареей за счет накопления статистических данных. Предотвращение преждевременного разряда нескольких накопителей 2 с наименьшей емкостью путем добавления в них заряда балансировочным током дает наибольший эффект в выигрыше полезной емкости батареи. Поддержка таких накопителей может производиться за время разрядки, причем при разряде за непродолжительное время требуется значительный ток «поддержки». Необходимая энергия для указанного тока поддержки может быть распределена на большое количество «хороших» и «средних» накопителей, также известных иерархической системе управления батареей за счет накопления статистических данных. При построении балансировочной системы с объединяющей энергообмненной магистралью постоянного тока 3 задача выравнивания заряда решается сочетанием в балансировочных узлах 1 блоков управления накопителями 4 двух специализированных преобразователей: обратноходового в токовом режиме (с фиксированной мощностью) 5 для передачи энергии в энергообменную магистраль 3 и мощного прямоходового DC/DC преобразователя 6 для передачи энергии из энергообменной магистрали 3 в накопитель 2. Благодаря «мягкой» нагрузочной характеристике подающих энергию в энергообменную магистраль работающих в токовом режиме обратноходовых преобразователей 5 мощный нерегулируемый прямоходовой преобразователь 6 из магистрали 3 с жестким коэффициентом преобразования по напряжению устанавливает в энергообменной магистрали 3 напряжение равным напряжению на накопителе 2, умноженному на его коэффициент преобразования. Поскольку для поддержки накопителя имеется возможность включать на отдачу энергии в магистраль постоянного тока 3, предположительно, до 80% накопителей с избыточным и неиспользуемым зарядом, можно устанавливать соотношение мощностей DC/DC преобразователей 5 и 6 от 1:5 до 1:30. По сравнению с системой с применением балансировочных узлов на симметричных двунаправленных обратноходовых преобразователях предложенное выравнивающее устройство 1 позволяет достичь высокой передаваемой мощности и большого балансировочного тока за счет получения требуемой энергии из большого числа накопителей и применения более эффективного прямоходового преобразователя, например резонансного или квазирезонансного типа, в качестве которого могут быть выбраны модули IB050E120T32N1-00 4:1:Up to 300 W Output или IB050E96T48N1-00 1:5 500 W Output фирмы Vicor Intermediate Buc Converter Module.

Выравнивающее устройство для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями, запитанное от батареи и содержащее повышающий обратноходовый DC/DC преобразователь напряжения, подключенный по входу к соответствующему накопителю батареи через микроконтроллерное устройство контроля и управления блока управления накопителем, по выходу к энергообменной изолированной магистрали постоянного тока и по входу управления к первому управляющему выходу микроконтроллерного устройства контроля и управления блока управления накопителем, выход последовательного интерфейса которого соединен с последовательным каналом связи иерархической системы управления батареей, отличающееся тем, что выравнивающее устройство содержит прямоходовый DC/DC нерегулируемый понижающий преобразователь напряжения с жесткой передаточной характеристикой, подключенный по входу к энергообменной изолированной магистрали постоянного тока, по выходу к соответствующему накопителю батареи через микроконтроллерное устройство контроля и управления блока управления накопителем и по входу управления ко второму управляющему выходу микроконтроллерного устройства контроля и управления блока управления накопителем иерархической системы управления батареей.



 

Похожие патенты:

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 относится к преобразователям постоянного напряжения. Техническим результатом является создание понижающего преобразователя постоянного напряжения с улучшенным качеством входного тока и выходного напряжения.

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.).

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.

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.

Способ установки и крепления на накопитель платы блока управления накопителем системы управления высоковольтной аккумуляторной батареей относится к области электротехники и может быть использован для нужд электротранспорта и энергетики.

Балансир напряжений для батареи электрических накопителей энергии относится к области электротехники и может быть использован при создании батарей с Li-ионными аккумуляторами и ионисторами или химическими источниками тока для нужд транспорта и энергетики.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в зарядных устройствах литий-ионных батарей. Технический результат - сокращение времени заряда и увеличение времени разряда батареи.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при эксплуатации аккумуляторных батарей в автономных системах электропитания, в частности в системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ), малых космических аппаратов.

Изобретение относится к сменным электрическим батареям транспортных средств. Технический результат - обеспечение быстрой верификации при представлении батарей во временное пользование. Электрическая батарея для транспортных средств, которая содержит средство аккумулирования электрического заряда с возможностью соединения с линией электроснабжения транспортного средства, и электронное средство обработки, применимое для управления и/или контроля эксплуатации и состояния батареи.14 з.п.

Изобретение относится к области техники измерений, в частности к устройству для измерения остаточной емкости аккумулятора. которое содержит последовательно соединенные блоки: шунт, операционный усилитель, первый АЦП, масштабный делитель, первый температурный корректор, сумматор, триггер, вычислитель среднего значения, счетчик энергии, вычислитель заряда и индикатор; выходы таймера связаны со входами сумматора, триггера, счетчика энергии, вычислителя саморазряда и вычислителя заряда, а выход вычислителя саморазряда соединен со входом счетчика энергии; также устройство содержит последовательно соединенные резистивный делитель, второй АЦП и второй температурный корректор; кроме того, в составе устройства присутствует датчик температуры, выход которого соединен со входами первого температурного корректора, второго температурного корректора и вычислителя саморазряда; выходы первого и второго логических устройств соединены со входом счетчика энергии, а входы первого и второго логических устройств - с выходами первого и второго температурных корректоров.

Изобретение относится к электротехнике. Техническим результатом является повышение энергетической эффективности и надежности устройства, повышение скорости выравнивания напряжений на элементах батареи, улучшение энергетических показателей, продление срока службы аккумуляторной батареи за счет непрерывного и точного мониторинга напряжения ее элементов и их выравнивание, автоматизация технологического процесса, освобождение обслуживающего персонала от рутинного и опасного труда.

Изобретение относится к устройствам подогрева аккумуляторов. Технический результат - повышение эффективности зарядки/разрядки аккумуляторной батареи, усиление безопасности нагрева аккумуляторной батареи, повышение эффективности работы цепи нагрева и возможность повторного использования энергии.

Изобретение относится к устройствам подогрева аккумуляторных батарей. Технический результат - повышение эффективности зарядки/разрядки аккумуляторной батареи, усиление безопасность нагрева аккумуляторной батареи и повышение эффективности работы цепи нагрева.

Изобретение относится к аккумуляторным батареям. Технический результат - повышение эффективности зарядки/разрядки аккумуляторной батареи, повышение безопасности при нагреве аккумуляторной батареи и обеспечении функции повторного использования энергии. Цепь нагрева аккумуляторной батареи содержит блок переключения, модуль управления переключением, демпфирующий элемент R1, схему накопления энергии и блок передачи энергии, причем схема накопления энергии соединена с аккумуляторной батареей и содержит элемент L1 накопления тока и элемент C1 накопления заряда; демпфирующий элемент R1 и блок переключения соединены последовательно со схемой накопления энергии; модуль (100) управления переключением соединен с блоком переключения и выполнен с возможностью управления включением/выключением блока переключения для управления протеканием энергии между аккумуляторной батареей и схемой накопления энергии; причем блок передачи энергии соединен со схемой накопления энергии и выполнен с возможностью передачи энергии в схеме накопления энергии к элементу накопления энергии после включения и последующего выключения блока переключения.

Изобретение относится к аккумуляторным батареям большой мощности, в частности, для силовых приводов транспортных средств. Технический результат - обеспечение контроля отдельных батарейных модулей и их отключение при неисправности, в частности, для силовых приводов транспортных средств. Батарейная установка высокой мощности содержит электронное оборудование для контроля батарейной установки и множество батарейных модулей, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один перезаряжаемый аккумуляторный элемент и которые последовательно электрически соединены посредством линии рабочего тока таким образом, что во время работы по линии рабочего тока протекает рабочий ток. По меньшей мере, один из батарейных модулей сконструирован в виде буферного батарейного модуля, содержащего обходной выключатель и обходную линию, которые сконструированы и размещены таким образом, что при переключении обходного выключателя из нормального рабочего положения в положение обхода ток протекает по обходной линии в обход батарейного модуля. Электронное оборудование для контроля батарейной установки содержит блок контроля для каждого буферного батарейного модуля, который контролирует выделенный батарейный модуль и обнаруживает состояние неисправности модуля. При обнаружении состояния неисправности батарейного модуля одним из блоков контроля модулей электронное оборудование для контроля батарейной установки измеряет ток в линии рабочего тока и переключает обходной выключатель соответствующего буферного батарейного модуля (6) из нормального рабочего положения в положение обхода в тот в тот момент, когда по линии рабочего тока протекает ток меньшей величины, чем заданное предельное значение.3 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх