Батарея электрических накопителей энергии с распределенной аналитической системой управления

Батарея электрических накопителей энергии с распределенной аналитической системой управления относится к области электротехники и может быть использована при создании батарей электрических накопителей энергии различного типа: от Li-ионных аккумуляторов до ионисторов и химических источников тока для нужд транспорта и энергетики. Сущность полезной модели состоит в том, что каждый из батарейных модулей содержит блок последовательно соединенных накопителей, подключенных к электронному выравнивающему устройству и микропроцессорной системе контроля и управления с увеличенной производительностью и объемом памяти для выполнения функции эффективного управления внутримодульным активным выравниванием напряжения на единичных накопителях с помощью электронного выравнивающего устройства, управления межмодульным выравниванием напряжения на отдельных модулях с помощью дополнительного источника постоянного тока, подключаемого к шинам постоянного напряжения дозарядки от введенного в батарею преобразователя напряжения AC-DC или к выходным клеммам батареи, регулирования температурного режима накопителей с помощью датчика температуры и блока климатики с исполнительными органами в виде заслонок, ТЭНов и вентиляторов, а также оптимизации заряда накопителей с помощью экспертного анализа на основе статистических данных, полученных при эксплуатации батареи. Технический результат полезной модели состоит в активизации распределенной микропроцессорной системы контроля и управления батареи по повышению эффективности выполнения ее традиционных функций по мониторингу, балансировке и защите, связанному с ведением электронного архива событий для накопления статистических данных, обеспечением толерантности к типу накопительных элементов, проведением экспертного анализа по оптимизации заряда, оценки остаточного ресурса накопителей и их диагностированию, а также созданием требуемых для надежной эксплуатации батареи температурных и помехоустойчивых условий ее работы.

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании батарей электрических накопителей энергии различной природы: от Li-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.

Проблема обеспечения длительного срока службы высоковольтных аккумуляторных батарей, состоящих из последовательно соединенных аккумуляторов, является актуальной, поскольку даже небольшие различия в характеристиках отдельных аккумуляторов (единицы процентов от номинальных параметров), имеющие место при комплектовании батарей (по емкости, токам утечки, внутреннему сопротивлению и т.д.) в процессе эксплуатации приводят к значительному разбалансу в степени заряженности отдельных аккумуляторов (более десяти процентов). Следствием этого являются снижение уровня отдаваемой емкости батарей в нагрузку, перезаряд и недопустимо глубокий разряд 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 (нивелирование) разбаланса напряжений между отдельными элементами батареи путем селективного шунтирования избыточного напряжения отдельных элементов с помощью резисторов методом пассивной балансировки [см. патент CN 201623235 фирмы SHANDONG SHAHGCUN ENERGY CO LTD, опубл. 11.03.2010 г., а также 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, так как выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батареи. Кроме того, скорость и энергия выравнивания ограничены количеством рассеиваемой при этом энергии.

Известна батарея электрических накопителей энергии, содержащая множество единичных элементов или модулей, соединенных в последовательную электрическую цепь, систему контроля и управления батареей, а также электронные блоки, обеспечивающее выравнивание напряжений на отдельных накопительных элементах, питание которых обеспечивается от дополнительного источника энергии [см. патент РФ 2230418, опубл. 10.06.2004 г.].

Недостатком известной батареи является сложность ее эксплуатации из-за наличия внешнего источника энергии, требующего дополнительного обслуживания, а в случае использования стационарного источника энергии - потеря автономности (мобильности) батареи.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данной полезной модели является батарея электрических накопителей энергии, разделенная на модули, содержащие соединенные в последовательную электрическую цепь блоки единичных накопителей, электронное выравнивающее устройство, обеспечивающее выравнивание напряжений на отдельных накопителях модуля и подключенное к каждому накопителю модуля с помощью электрического жгута и через него к микропроцессорной системе контроля и управления, запитанной как и электронное выравнивающее устройство от накопителей данного модуля, а также дополнительной источник постоянного тока, использующийся в качестве устройства для заряда батарейного модуля. Кроме того, в силовой цепи батареи имеется коммутатор (реле или электронный ключ), обеспечивающий возможность ее отключения от устройства для заряда батареи или нагрузки, а также датчик тока, например, на эффекте Холла, выходной сигнал которого поступает в микропроцессорную систему контроля и управления, которая связана с такими же системами других модулей и с внешней ЭВМ через последовательный мультиплексный канал связи типа RS485 или CAN с гальванической развязкой [см. патент РФ 53818, опубл. 27.05.2006].

В известном устройстве осуществляется активное выравнивание напряжений на отдельных накопителях с целью продления ресурса всей батареи и защита каждого накопительного элемента от перезаряда, переразряда и перегрузки по току за счет измерения тока и напряжения на отдельном накопителе и автоматического отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки при превышении заданных параметров.

Однако, известная батарея имеет следующие недостатки:

1. При питании микропроцессорной системы контроля и управления непосредственно от элементов батареи отсутствует гальваническая развязка между цепями управления и силовыми цепями, что не всегда является допустимым по условиям безопасности, электромагнитной совместимости и помехоустойчивости.

2. Отсутствует управление температурными условиями работы накопителей, что сужает допустимый температурный диапазон эксплуатации батареи и не обеспечивает защиту от перегрева накопителей.

3. Выравнивающее устройство не управляется от микропроцессорной системы контроля и управления по величине перекачиваемой между накопителями энергии и временным параметрам.

4. Источник постоянного тока в модуле не управляется от соответствующей микропроцессорной системы контроля и управления и отключается после заряда от модуля, что делает не возможным межмодульное выравнивание во всех режимах работы батареи.

5. Внутримодульное выравнивание в прототипе при хранении и разряде батареи не производится и оказывается возможным только при питании выравнивающего устройства и микропроцессорной системы контроля управления от дополнительного электрического накопителя.

6. Микропроцессорная система контроля и управления не решает задач ведения электронного архива событий, накопления статистических данных об элементах батареи и экспертного анализа с целью диагностирования, оценки остаточного ресурса батареи и оптимизации заряда в зависимости от состояния единичных накопителей и внешних условий, а также обеспечения толерантности к типу электрических накопителей, необходимой для использования батареи на транспорте и в различных областях энергетики, что требует специального выбора процессорных модулей по производительности и объему памяти.

Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача создания батареи электрических накопителей энергии с распределенной аналитической системой управления, лишенной перечисленных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что предложена батарея электрических накопителей энергии с распределенной аналитической системой управления, разделенной на модули, содержащие блоки накопителей энергии из соединенных в последовательную электрическую цепь единичных накопителей, электронное выравнивающее устройство, обеспечивающее активное выравнивание напряжений на единичных накопителях модуля и подключенное к каждому накопителю модуля с помощью электрического жгута, который обеспечивает также подключение накопителей модуля к микропроцессорной системе контроля и управления работой накопителей в модуле. Электронное выравнивающее устройство и микропроцессорная система контроля и управления запитана от накопителей модуля. Батарея содержит также дополнительный источник постоянного тока, использующийся для дозарядки блока накопителей модуля. В силовой цепи батареи установлен коммутатор, выполненный в виде реле или электронного ключа с предохранителем, обеспечивающий возможность ее отключения от устройства заряда батареи или нагрузки, а также датчик тока в каждом модуле, выходной сигнал которого поступает в микропроцессорную систему контроля и управления, которая связана с такими же системами других модулей и с внешней ЭВМ посредством последовательного мультиплексного канала связи типа RS485 или CAN с гальванической развязкой.

Новым в предложенной батарее является то, что каждый модуль содержит датчик температуры, подключенный к микропроцессорной системе контроля и управления, которая подключена к блоку климатики с исполнительными органами в виде заслонок, ТЭНов и вентиляторов, источнику питания постоянного тока с гальванической развязкой от накопителей, электронному выравнивающему устройству и к дополнительному источнику постоянного тока, в качестве которого использован преобразователь напряжения DC-DC, подключенный к шинам постоянного напряжения дозарядки и к преобразователю напряжению АС-DC батареи, подключенному к внешней сети переменного тока через разъемное соединение. Шина положительного напряжения дозарядки модулей подключена к коммутатору батареи через диод, шина отрицательного напряжения дозарядки модулей соединена с клеммой «-» батареи, а процессорные модули микропроцессорной системы контроля и управления по производительности и объему памяти выбраны достаточными для выполнения экспертного анализа по оценке остаточного ресурса отдельных накопителей и оптимизации заряда на основе статистических данных, полученных в процессе эксплуатации батареи.

Технический результат заявленной полезной модели состоит в активизации распределенной микропроцессорной системы контроля и управления батареи и возложении на нее не только задач эффективного управления процессами зарядки отдельных накопителей и внутри и межмодульного выравнивания напряжения, требующих проведения экспертного анализа на основе накопленных статистических данных, но и обеспечения требуемых для надежной эксплуатации батареи температурных и помехоустойчивых условий ее работы.

На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленной батареи. Заявленная батарея состоит из модуля 1 с распределенной аналитической системой управления, каждый из которых содержит сгруппированные в блоки 2 и соединенные в последовательную электрическую цепь накопители 3, электронное выравнивающее устройство 4, запитанное от накопителей 3 блока 2 и подключенное к каждому единичному накопителю 3 с помощью электрического жгута 5, который обеспечивает также подключение единичных накопителей 3 к микропроцессорной системе контроля управления 6, запитанной от накопителя 3 блока 2 через источник питания 7 с гальванической развязкой. Заявленная батарея содержит также в каждом модуле 1 источник постоянного тока 8 в виде преобразователя напряжения DC-DC, подключенного по выходу к блоку 2 накопителей 3, по входу к шинам 9, 10 постоянного напряжения дозарядки и к преобразователю напряжения AC-DC батареи, подключенному к внешней сети переменного тока через разъемное соединение (на чертеже не показано). Шина 9 напряжения дозарядки подключена к коммутатору 12 батареи, выполненному в виде реле или электронного ключа с предохранителем через диод 13, анод которого соединен с датчиком тока 14, установленным в силовой цепи модуля 1, а шина 10 напряжения дозарядки подключена к клемме «-» батареи. Заявленная батарея содержит также в каждом модуле 1 блок климатики 15 с исполнительными органами 16, выполненными в виде заслонок, ТЭНов и вентиляторов, и датчик температуры 17, подключенный через шину 18 измерительных сигналов вместе с датчиком тока 14 к микропроцессорной системе контроля и управления 6, подключенной через шину 19 сигналов управления к входам управления электронного выравнивающего устройства 4, источника постоянного тока 8, блока климатики 15, и через последовательный мультиплексный канал связи 20 типа RS 485 или CAN с гальванической развязкой к другим модулям 1 батареи и к внешней ЭВМ.

Заявленная батарея работает следующим образом. В режиме заряда батареи от высоковольтного внешнего зарядного источника постоянного тока, подключенного к внешним клеммам батареи «+» и «-», либо при рекуперации энергии по цепи нагрузки, подключенной к этим же клеммам, зарядный ток величиной до нескольких сотен ампер проходит через все последовательно соединенные накопители 3 блоков 2 модулей 1 от клемм «+» до клемм «-», что распознается микропроцессорными системами контроля и управления 6 модулей 1 с помощью датчиков тока 14, выполненных, например, на основе эффекта Холла. Микропроцессорная система контроля и управления 6 измеряет ток блока 2 модуля 1 по величине и направлению, а также измеряет и постоянно контролирует величину напряжения на каждом накопителе 3 модуля 1, подключенному к встроенному АЦП микропроцессорной системы контроля управления 6 с помощью электрического жгута 5. При превышении величины тока или напряжения на любом единичном накопителе 3 заданных значений, хранящихся в памяти микропроцессорной системы 6, последняя разрывает зарядную цепь батареи с помощью коммутатора 12. При этом электронные выравнивающее устройство 4 под управлением микропроцессорной системы 6 может осуществлять внутримодульное выравнивание напряжения в батарее, перераспределяя энергию между единичными накопителями 3 по результатам текущих измерений с учетом накопленных статистических данных. С помощью источников постоянного тока 8 под управлением микропроцессорной системы 6 может осуществляться также селективное межмодульное выравнивание напряжения в батарее за счет дозаряда «отставших» блоков 2 от внешней сети переменного тока через преобразователь AC-DC 11 токами до нескольких десятков ампер, при этом диод 13 находится в закрытом состоянии. После окончания заряда и дозаряда и отключения с помощью разъемного соединения внешних зарядных сетей постоянного и переменного тока, батарея или подключается к нагрузке через клеммы «U+» и «U-», и переходит в режим разряда, или никуда не подключается и находится в режиме хранения энергии. В режиме разряда батареи ток величиной до нескольких сотен ампер течет через батарею в противоположном заряду направлении, отдавая накопленную энергию в нагрузку. При этом продолжает работать электронное выравнивающее устройство 4 в каждом модуле 1 батареи, осуществляя селективное внутримодульное выравнивание напряжения по результатам измерений и непрерывный контроль за напряжениями на единичных накопителях с помощью микропроцессорной системы 6, которая при превышении разряда допустимых значений на любом из единичных накопителей разрывает силовую цепь нагрузки с помощью коммутатора 12. При этом диод 13 находится в открытом состоянии и шины 9 и 10 напряжения дозарядки оказываются подключенными к батарее, что дает возможность осуществлять межмодульное селективное выравнивание напряжений на блоках 2 накопителей 3 с помощью источников постоянного тока 8 путем их включения и отключения микропроцессорной системой 6 по результатам измерений и с учетом накопленных статистических данных. В режиме хранения энергии большой ток в силовой цепи батареи отсутствует. При этом может производиться как внутримодульное выравнивание с помощью электронного выравнивающего устройства 4, так и межмодульное выравнивание с помощью источников постоянного тока 8 за счет энергии всей батареи сравнительно небольшими токами (единицы и десятки ампер) под управлением микропроцессорной системы 6 с учетом статистической информации о накопителях модуля 1. В любом из режимов работы микропроцессорная система 6 осуществляет измерение температуры внутри блока 2 накопителей 3 с помощью датчика температуры 17 по шине измерительных сигналов 18 и поддержание температуры внутри батарейных блоков 2 в заданных пределах путем включения или отключения с помощью блока климатики 15 исполнительных органов 16 (заслонок, ТЭНов и вентиляторов). В случае перегрева или переохлаждения микропроцессорная система 6 выдает соответствующую информацию по последовательному мультиплексному каналу связи 20 во внешнюю ЭВМ. Эта информация содержит также состояние накопителей (степень их заряженности) и наличие аварийных ситуаций в батарее. Блок климатики 15 представляет собой усилители мощности по числу исполнительных органов 16. В качестве выравнивающего устройства 4 в заявленной полезной модели может использоваться, например, устройство выравнивания напряжения в батарее по патенту на полезную модель 37884, опубл. 10.05.2004 г. или балансир напряжений по патенту на полезную модель 75797, опубл. 20.08.2008 г., в которых имеется возможность управлять величиной перекачиваемой между накопителями энергии по времени открывания ключевых элементов.

Таким образом, суть реализованного в полезной модели технического решения заключается, по-существу, в активизации распределенной микропроцессорной системы контроля и управления батареи по повышению эффективности выполнения ее традиционных функций по мониторингу, балансировке и защите, связанных с ведением электронного архива событий, обеспечением толерантности к типу накопителей, проведением экспертного анализа по оптимизации заряда, оценки остаточного ресурса накопителей и их диагностированию, а также созданием требуемых для надежной эксплуатации батареи температурных и помехоустойчивых условий ее работы.

Батарея электрических накопителей энергии с распределенной аналитической системой управления, разделенная на модули, содержащие блоки из соединенных в последовательную электрическую цепь единичных накопителей, электронное выравнивающее устройство, обеспечивающее активное выравнивание напряжений на единичных накопителях модуля и подключенное к каждому накопителю модуля с помощью электрического жгута, который обеспечивает подключение накопителей модуля к микропроцессорной системе контроля и управления, которая также как и электронное выравнивающее устройство запитано от накопителей модуля, который содержит дополнительный источник постоянного тока, использующийся для дозарядки батарейного блока, в силовой цепи которого установлен датчик тока, выходной сигнал которого поступает в микропроцессорную систему контроля и управления, связанную с такими же системами других модулей и с внешней ЭВМ через гальванически развязанный последовательный мультиплексный канал связи, а в силовой цепи батареи установлен коммутатор, выполненный в виде реле или электронного ключа с предохранителем, обеспечивающий возможность ее отключения от внешних зарядного устройства или нагрузки, подключаемых к клеммам «+» и «-» батареи, отличающаяся тем, что каждый модуль содержит датчик температуры, подключенный к микропроцессорной системе контроля и управления, которая подключена к блоку климатики с исполнительными органами в виде заслонок, ТЭНов и вентиляторов, источнику питания с гальванической развязкой от батарейных накопителей, электронному выравнивающему устройству и дополнительному источнику постоянного тока, выполненному в виде преобразователя DC-DC, подключенного к шинам постоянного напряжения дозарядки модулей и к преобразователю напряжения AC-DC батареи, подключаемому к внешней сети переменного тока через разъемное соединение; шина положительного напряжения дозарядки модулей подключена к коммутатору батареи через диод, шина отрицательного напряжения дозарядки модулей соединена с клеммой «-» батареи, а процессорные модули микропроцессорной системы контроля и управления по производительности и объему памяти выбраны достаточными для выполнения экспертного анализа по оценке остаточного ресурса накопителей, их диагностики и оптимизации заряда на основе статистических данных, полученных при эксплуатации батареи.