Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи

Авторы патента:

Опенько Сергей Иванович (RU)

Нестеришин Михаил Владленович (RU)

Коротких Виктор Владимирович (RU)

H01M10/44 - способы зарядки или разрядки (схемы зарядки H02J 7/00)

Владельцы патента RU 2633533:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей, в том числе в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи заключается в проведении зарядно-разрядных циклов, хранении в заряженном состоянии и балансировке аккумуляторов по напряжению, при этом балансировку проводят путем подзаряда от индивидуальных источников напряжения или тока с одновременным разрядом каждого аккумулятора на индивидуальные резисторы, равные между собой по величине сопротивления, которую определяют исходя из соотношения: R=U_{мах акк}/I_подз, где R - величина сопротивления резистора, Ом; U_{мах акк} - максимальное значение напряжения аккумулятора, В; I_подз - величина тока подзаряда при максимальном значении напряжения аккумулятора, А. Повышение надежности эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их эксплуатации, заключающиеся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанные в книге «Д.А. Хрусталев, «Аккумуляторы», М., Изумруд, 2003 г., глава 4». В данной работе отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда только по текущим значениям напряжений аккумуляторов. При этом отмечается, что перезаряд и переразряд аккумуляторов категорически недопустим и в аккумуляторных батареях должны быть предусмотрены средства зашиты. Однако известная информация касается в основном наземного применения литий-ионных аккумуляторных батарей в мобильных телефонах и компьютерной технике и не решает вопросов надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.

Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле 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.

Недостатком известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости, реализованного известной аккумуляторной батареей является то, что процесс выравнивания может быть достаточно длительным, что ограничивает функциональные возможности ИСЗ.

Кроме того, приведение емкости всех аккумуляторов к емкости наименее заряженного аккумулятора (а не наоборот) представляется неэффективным, так как на момент достижения выравнивания аккумуляторов батарея имеет емкость меньше ее потенциальных возможностей.

Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи (патент КНР CN 1607708), заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем индивидуального подзаряда или подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжения наперед выбранной величины.

Недостатками известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости являются низкие технологичность и надежность, обусловленные наличием многочисленных коммутаторов и необходимостью индивидуальной работы с каждым аккумулятором.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи (патент RU №2408958), заключающийся в проведении зарядно-разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора и балансировке аккумуляторов по напряжению, отличающийся тем, что балансировку аккумуляторов по напряжению проводят путем подзаряда от индивидуальных источников напряжения с ограничением по току посредством резисторов, при этом уровень напряжения индивидуальных источников выбирают не более максимального зарядного напряжения аккумулятора, а ток подзаряда ограничивают по его минимальному эффективному значению при минимальном существенном значении разницы напряжений аккумуляторов, но на уровне больше максимального тока саморазряда аккумуляторов, кроме того, мощность индивидуальных источников напряжения выбирают из условия непревышения током подзаряда заранее выбранной величины, в пределах рабочего диапазона напряжения аккумуляторов. Этот способ принят за прототип заявляемому техническому решению.

Известный способ устраняет указанные выше недостатки, однако требует обеспечения высокой точности и стабильности выходного напряжения индивидуальных источников, что при длительном ресурсе работы представляет существенную сложность и снижает надежность способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.

Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядно-разрядных циклов, хранении в заряженном состоянии и балансировке аккумуляторов по напряжению, путем подзаряда от индивидуальных источников напряжения или тока, балансировку аккумуляторов по напряжению от индивидуальных источников напряжения или тока проводят с одновременным разрядом каждого аккумулятора на индивидуальные резисторы, равные между собой по величине сопротивления. При этом величину сопротивления индивидуальных резисторов выбирают исходя из соотношения:

R = U_{мax акк}/I_подз,

где R - величина сопротивления резистора, Ом;

U_{мax акк} - максимальное значение напряжения аккумулятора, В;

I_подз - величина тока подзаряда при максимальном значении напряжения аккумулятора, А.

Кроме того, балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в процессе эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе ИСЗ или в процессе хранения литий-ионной аккумуляторной батареи в заряженном состоянии.

Действительно, предлагается использовать известные способы выравнивания напряжения аккумуляторов путем их индивидуального подзаряда или подразряда. Однако совмещение двух известных способов выравнивания напряжения аккумуляторов дает новый положительный эффект, а именно, позволяет обеспечить автономность процесса выравнивания, когда не требуется контроля напряжения аккумуляторов в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи. Процесс выравнивания идет непрерывно и без дополнительных корректирующих действий. Это повышает надежность процесса выравнивания и, соответственно, надежность эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи. Можно отметить, что это наиболее актуально, когда возможности контроля за процессом выравнивания напряжения аккумуляторов ограничены, например, при отсутствии в составе ИСЗ бортовой ЭВМ или эксплуатации аккумуляторной батареи в составе низколетящих ИСЗ, находящихся в зоне радиовидимости весьма ограниченное время.

При этом наиболее эффективно балансировку аккумуляторов по напряжению по заявляемому способу проводить в процессе эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе ИСЗ или в процессе хранения литий-ионной аккумуляторной батареи в заряженном состоянии.

На фиг. 1 приведены графики изменения тока подзаряда аккумулятора при подзаряде его от источника напряжения - 1, тока подзаряда аккумулятора при подзаряде его от источника тока - 2 и тока подразряда аккумулятора на индивидуальный резистор - 3, в зависимости от текущего напряжения аккумулятора U.

Руководствуясь соотношением настоящего изобретения:

R=U_{мax акк}/I_подз,

где R - величина сопротивления резистора, Ом;

U_{мax акк} - максимальное значение напряжения аккумулятора, В;

I_подз - величина тока подзаряда при максимальном значении напряжения аккумулятора, А, все перечисленные выше графики пересекутся в точке &, соответствующей максимальному значению напряжения аккумулятора U_{мax акк}.

Иными словами, в точке & ток подзаряда аккумулятора становится равным току подразряда и процесс автоматически переходит в равновесное состояние.

На фиг. 2 приведена упрощенная функциональная схема литий-ионной аккумуляторной батареи с преобразователем постоянного напряжения в постоянное напряжение, поясняющая работу по предлагаемому способу.

Аккумуляторная батарея 1 содержит «n» последовательно соединенных аккумуляторов 2₁-2n.

Параллельно аккумуляторам подключены резисторы 2/1-2/n через контакты 2-1 - 2-n.

Дополнительно введен маломощный преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение 4 с «n» гальванически развязанными (посредством трансформатора 5) выходами (индивидуальными источниками) с выпрямителями постоянного тока.

Каждый из индивидуальных источников (выходов преобразователя) состоит из вторичной обмотки 6₁-6n трансформатора 5 и диодов 7₁-7n и 8₁-8n. Первичная обмотка 9 трансформатора 5, имеющая среднюю точку, предназначена для подключения к источнику стабилизированного постоянного напряжения (к выходу автономной системы электропитания) - клеммы «+» и «-» через преобразователь постоянного напряжения в переменное 10 на транзисторах 11 и 12.

Для ограничения тока подзаряда предусмотрены резисторы 3₁-3n, а для защиты от отрицательного влияния схемы подзаряда отказавшего (закороченного) аккумулятора (на случай появления такового), в цепях подзаряда предусмотрены плавкие предохранители 13₁-13_n, рассчитанные на критичную величину тока подзаряда.

Кроме того, предусмотрена схема контроля напряжения питания 14 преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение 4 для управления замыканием контактов 2-1 - 2-n включения резисторов 2/1 - 2/n.

Аккумуляторная батарея 1 в составе автономной системы электропитания работает следующим образом.

Если преобразователь постоянного напряжения в постоянное 4 по входу не запитан, то диоды 7₁-7n и 8₁-8n заперты напряжением аккумуляторов 2₁-2n и процесс балансировки не проводится.

При подаче стабилизированного напряжения на вход маломощного преобразователя постоянного напряжения в постоянное 4 (например, с выхода автономной системы электропитания - на схеме не показано), на его гальванически развязанных выходах появятся равные друг другу стабильные напряжения, при этом на каждый аккумулятор потечет ток подзаряда, причем его величина будет обратно пропорциональна текущему значению напряжения каждого аккумулятора, что обеспечивает устранение (или компенсацию) разбаланса аккумуляторов, обусловленного различиями в их токах саморазряда.

Кроме того, схема контроля напряжения питания 14 подключит резисторы 2/1 - 2/n и с каждого аккумулятора потечет ток подразряда, причем его величина будет прямо пропорциональна текущему значению напряжения каждого аккумулятора, что также способствует устранению разбаланса аккумуляторов по напряжению.

При работе аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ, включение и отключение подзаряда аккумуляторов (подача стабилизированного напряжения на вход маломощного преобразователя постоянного напряжения в постоянное) решается в рамках оптимальной работы системы электропитания и с учетом текущих данных по величине напряжения аккумуляторов литий-ионной аккумуляторной батареи. При этом управляющие воздействия формируются через командно-измерительную радиолинию с наземного комплекса управления или от бортовой ЭВМ по заложенной программе.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить надежность эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.

1. Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении зарядно-разрядных циклов, хранении в заряженном состоянии и балансировке аккумуляторов по напряжению путем подзаряда от индивидуальных источников напряжения или тока, отличающийся тем, что балансировку аккумуляторов по напряжению от индивидуальных источников напряжения или тока проводят с одновременным разрядом каждого аккумулятора на индивидуальные резисторы, равные между собой по величине сопротивления.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину сопротивления индивидуальных резисторов выбирают исходя из соотношения:

R=Uмах акк/Iподз,

где R - величина сопротивления резистора, Ом;

Uмах акк - максимальное значение напряжения аккумулятора, В;

Iподз - величина тока подзаряда при максимальном значении напряжения аккумулятора, А.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в процессе эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе искусственного спутника Земли (ИСЗ).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в процессе хранения литий-ионной аккумуляторной батареи в заряженном состоянии.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, используемых для энергообеспечения потребителей на космических аппаратах.

Устройство управления подачей электрической энергии и способ управления подачей электрической энергии // 2631354

Группа изобретений относится к электрическим схемам транспортных средств с питанием от собственных источников энергоснабжения. Устройство управления подачей электрической энергии для устройства подачи электрической энергии, включающего в себя множество аккумуляторных батарей и генератор электрической энергии, выполняющий зарядку множества аккумуляторных батарей, причем устройство управления подачей электрической энергии управляет параллельным соединением между множеством аккумуляторных батарей.

Источник питания, схема зарядки источника питания, способ зарядки источника питания и терминальное устройство // 2629917

Изобретение относится к источникам питания и схеме его зарядки. Сущность: когда источник питания находится в состоянии зарядки, измеряют микросхемой управления источником питания напряжение на положительном электроде аккумуляторного элемента внутри источника питания через контрольный вывод источника питания, электрически соединенный с положительным электродом аккумуляторного элемента.

Способ регулировки тепловых условий в беспроводной зарядной системе // 2627034

Представлен способ регулировки небезопасных термических условий в индуктивной беспроводной зарядной системе в транспортном средстве. Способ относится к процессу индуктивной зарядки заряжаемого устройства с использованием индуктивного зарядного устройства.

Транспортное средство // 2625702

Группа изобретений относится к электрическим тяговым системам транспортных средств с питанием от собственных источников энергоснабжения. Транспортное средство включает в себя: электрическое аккумуляторное устройство, первый температурный датчик, сконфигурированный для определения температуры аккумулятора, второй температурный датчик, сконфигурированный для определения температуры окружающей среды, нагреватель, сконфигурированный для нагрева аккумулятора и контроллер, сконфигурированный для управления нагревателем.

Способ заряда аккумуляторных батарей асимметричным током и устройство для его осуществления // 2622041

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для ускоренного заряда никель-кадмиевых батарей, формирования и восстановления их емкости при вводе в эксплуатацию, техническом обслуживании, регламентных работах.

Способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания летательных аппаратов // 2621694

Изобретение относится к способу эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) в автономных системах электропитания (СЭП) летательных аппаратов (ЛА), функционирующих на низкой околоземной орбите.

Способ и устройство для питания нагрузки от электрохимических источников тока // 2619058

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам и устройствам для питания нагрузки электрическим током от электрохимических источников тока, например аккумуляторных батарей большой энергоемкости.

Способ зарядки воздушно-цинкового элемента с ограниченным потенциалом // 2615987

Изобретение относится к способу зарядки воздушно-цинкового элемента, характеризующемуся тем, что потенциал отрицательного электрода во время зарядки меньше или равен критическому потенциалу процесса заряда.

Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из "n" последовательно соединенных аккумуляторов // 2614514

Изобретение относится к электротехнической промышленности. Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из «n» последовательно соединенных аккумуляторов заключается в контроле напряжения аккумуляторов, отключении заряда по достижении напряжения любого из аккумуляторов заданного максимального значения и балансировке, во время проведения заряда аккумуляторной батареи, аккумуляторов по напряжению подразрядом на балансировочные резисторы.

Способ и устройство для зарядки электроэнергией // 2635661

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение эффективности зарядки. Согласно способу устанавливают соединение первого электронного устройства со вторым электронным устройством; получают во втором электронном устройстве информацию о напряжении зарядки в режиме реального времени для первого электронного устройства; и управляют, во время зарядки первого электронного устройства вторым электронным устройством, во втором электронном устройстве с целью подачи напряжения зарядки на первое электронное устройство в соответствии с информацией о напряжении зарядки в режиме реального времени для первого электронного устройства, что делают с целью зарядки первого электронного устройства. При этом способе зарядки электроэнергией преобразование напряжения во время зарядки может быть выполнено только один раз во втором электронном устройстве. По сравнению со способом зарядки электроэнергией, в котором напряжение нужно преобразовывать как в первом, так и во втором электронных устройствах, здесь удалена процедура преобразования напряжения в первом электронном устройстве и, таким образом, может быть уменьшено потребление электроэнергии во время преобразования напряжения и может быть улучшена эффективность зарядки электроэнергией. 6 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника земли // 2637815

Использование: в области электротехники. Технический результат – более точное определение времени начала балансировки аккумуляторов. Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли заключается в контроле напряжения аккумуляторов, проведении зарядов, разрядов, периодической балансировке аккумуляторов по напряжению, проведении подзаряда и хранении в подзаряженном состоянии. Согласно способу периодически после проведения заряда или перед планируемым разрядом аккумуляторной батареи рассчитывают скорость саморазряда аккумулятора с минимальным текущим напряжением и максимальное время до достижения этим аккумулятором критичного снижения текущей емкости, а балансировку проводят не позднее рассчитанного времени. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника земли // 2638825

Изобретение относится к электротехнической промышленности. Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ) заключается в контроле напряжения аккумуляторов, проведении зарядов, разрядов, периодической балансировке аккумуляторов по напряжению, проведении подзаряда и хранении в подзаряженном состоянии. Периодически рассчитывается скорость разбалансировки аккумуляторов с максимальным и минимальным текущими напряжениями и максимальное время до проведения очередной балансировки аккумуляторов по напряжению, а балансировку проводят не позднее рассчитанного времени. Изобретение позволяет упростить способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ циклирования литий-серного элемента // 2641667

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу циклирования литий-серного элемента, причем указанный способ содержит разрядку литий-серного элемента, завершение разрядки, когда напряжение элемента достигает порогового напряжения разрядки, которое находится в диапазоне от 1,5 до 2,1 В, зарядку литий-серного элемента и завершение зарядки, когда напряжение элемента достигает порогового напряжения зарядки, которое находится в диапазоне от 2,3 до 2,4 В. В результате указанных режимов циклирования литий-серный элемент не полностью заряжен при пороговом напряжении зарядки, и при этом литий-серный элемент не полностью разряжен при пороговом напряжении разрядки, что позволяет проводить многократное циклирование элемента в течение продолжительного времени без увеличения внутреннего сопротивления элемента. Повышение срока службы и снижение скорости уменьшения емкости элемента является техническим результатом изобретения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

Универсальный аккумулятор // 2644555

Изобретение относится к области электротехники и направлено на повышение эффективности работы аккумулятора и увеличение ресурса его работы за счет применения в качестве нагревательного элемента управляющего электрода, при помощи которого поддерживаются заданные выходные параметры аккумулятора, а при низкой температуре нагревается непосредственно электролит, что приводит к сокращению времени подготовки аккумулятора к его использованию. Электрохимический аккумулятор содержит корпус, в котором размещены отрицательный и положительный электроды, взаимодействующие с электролитом, и между которыми расположен управляющий электрод из металлической сетки с калиброванными отверстиями, имеющий не менее двух выводов, связанный при помощи коммутатора с источником тока и напряжения для нагрева электролита и штатной работы.

Система и способ регулирования работы металло-воздушной батареи // 2645988

Группа изобретений относится к аккумуляторам для транспортных средств с питанием от собственных источников. Способ регулирования работы металло-воздушной батареи заключается в том, что регулируют по меньшей мере один из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей. Регулируют параметры таким образом, чтобы поддерживать предварительно заданную скорость коррозии металла, содержащегося в батарее. Система для регулирования работы металло-воздушной батареи содержит металло-воздушную батарею и контроллер. Электромобиль содержит метало-воздушную батарею, перезаряжаемое устройство и контроллер. Технический результат заключается в более оптимальном использовании энергии, аккумулированной в метало-воздушной батареи. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 7 ил.

Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи // 2647128

Использование: в области электротехники. Техническим результатом является повышение эффективности использования литий-ионной аккумуляторной батареи при длительной ее эксплуатации. Согласно способу 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 достижении напряжения любого из аккумуляторов заданного максимального значения, при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением UMIN, исходя из него рассчитывают общее время включения заряда ТОБЩ до его максимальной величины U, а к остальным аккумуляторам в процессе заряда подключаются балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора. 1 ил.