Выравнивающее устройство для высоковольтной батареи электрических накопителей энергии
Выравнивающее устройство для высоковольтной батареи электрических накопителей энергии относится к области электротехники и может быть использовано при создании высоковольтных батарей электрических накопителей энергии для нужд транспорта и энергетики.
Сущность полезной модели состоит в том, что в выравнивающее устройство, реализующее двухканальный механизм активного выравнивания на основе обратно-ходового трансформатора, накопительного дросселя и сквозной накопительной магистрали батареи и содержащее управляемые от микроконтроллера через соответствующие драйверы электронные ключи, введены компараторы аварийных ситуаций перезаряда и переразряда накопителей, перезаряда накопительной магистрали и превышения тока дросселя, которые через соответствующие логические элементы подключены к входам отключения соответствующих драйверов и входам разовых команд микроконтроллера.
Технический результат полезной модели состоит в повышении надежности защиты батареи в аварийных ситуациях за счет дублирующего компараторного канала отключения драйверов устройства, действующего помимо микроконтроллера.
Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании высоковольтных батарей электрических накопителей энергии для нужд транспорта и энергетики.
Проблема обеспечения длительного срока службы высоковольтных и энергоемких батарей, состоящих из большого числа последовательно соединенных аккумуляторов, является актуальной, поскольку даже небольшие различия в характеристиках отдельных аккумуляторов, имеющие место при комплектовании батарей, в процессе эксплуатации приводят к значительному разбалансу в степени заряженности отдельных аккумуляторов. Следствием этого являются снижение уровня отдаваемой емкости батареей в нагрузку, перезаряд и переразряд отдельных элементов с возможностью их переполюсовки, разгерметизации и других необратимых и нежелательных явлений, что в итоге приводит к сокращению срока службы батарей. Одним из решений указанной проблемы является выравнивание разбаланса напряжений между отдельными элементами батареи (электрическими накопителями энергии) путем селективного шунтирования избыточного напряжения отдельных накопителей с помощью резисторов в системе управления батареей с пассивной балансировкой [см. патент РФ на изобретение 
2324263, опубл. 27.01.2008 г.]
Однако, данное техническое решение энергетически не эффективно, так как приводит к непроизводительным потерям энергии, а также вызывает нежелательный перегрев батареи, поскольку выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батарейных модулей.
Известно устройство нивелирования разбаланса напряжений на соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или батареях, содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу аккумуляторов или модулей, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой в соответствующей ячейке и систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератор импульсов и формирователь импульсов управления ключевыми элементами в виде емкости [см. патент РФ на изобретение 2156533, опубл. 20.09.2000 г.].
Основным недостатком известного устройства является сложность выравнивания напряжения на отдельных аккумуляторах в высоковольтной батарее, а также необходимость использования относительно мощных трансформаторов.
Известно также устройство выравнивания напряжения в батарее, состоящее, по крайней мере, из двух последовательно соединенных электрических накопителей, содержащее трансформатор с общим сердечником и одинаковыми по количеству витков рабочими обмотками, управляющие ключевые элементы, соединенные последовательно с каждой рабочей обмоткой и одним из электрических накопителей, и систему управления в виде генератора импульсов и формирователя сигналов управления ключевыми элементами [см. патент РФ на полезную модель 37884, опубл. 10.05.2004 г.].
Недостатком известного устройства является сложность реализации использованного в ней активного метода выравнивания заряда применительно к высоковольтным батареям, содержащим более сотни накопителей, поскольку трансформатор в известной системе должен иметь рабочие обмотки по числу накопителей в модуле, которое реально не может превышать 10-12 шт., в связи с чем остается не решенной проблема межмодульного активного выравнивания.
Известен балансир напряжений для батареи заряженных химических источников тока и батарея химических источников тока с балансом напряжений на основе указанного балансира, в которых с целью упрощения схемы и улучшения массогабаритных характеристик вместо трансформатора с общим сердечником используется дроссель, подключенный к точке последовательного соединения двух источников тока, и через ключи к другим полюсам последовательно соединенных источников тока, а параллельно к ключам подключены диоды, открытые в направлении протекания тока от минуса источника тока к его плюсу. [см. патент РФ на полезную модель 75797, опубл. 20.08.2008 г. и патент РФ на изобретение 2360334, опубл. 27.06.2009 г.].
Недостатком известного устройства и батареи в целом, в которой реализуется метод активного выравнивания напряжений между смежными накопителями, является недостаточная скорость выравнивания применительно к высоковольтной батарее, содержащей более сотни последовательно соединенных накопителей, поскольку используемый в нем примитивный алгоритм соседнего выравнивания носит локальный характер и не позволяет быстро и оперативно учесть глобальное распределение заряда в батарее.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к данной полезной модели является выравнивающее устройство известной иерархической трехуровневой системы управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии по заявке РФ на полезную модель 2012137568 от 03.09.2012 г. Выравнивающее устройство в известной системе выполнено совместно с микроконтроллерным устройством контроля и управления в виде единой конструктивной схемы для каждого накопителя батареи и реализует двухканальный механизм активного выравнивания на основе обратно-ходового трансформатора, накопительной магистрали и накопительного дросселя. Выравнивающее устройство содержит микроконтроллер, подключенный через шину управляющих ШИМ-сигналов к зашунтированным диодами электронным ключам в первичной и вторичной обмотках повышающего в сторону накопительной магистрали обратно-ходового трансформатора через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно. Первичная обмотка трансформатора соединена с борном «+» и через электронный ключ с борном «-» накопителя, а вторичная обмотка с клеммой «+» и через электронный ключ с клеммой «-» накопительной магистрали, содержащей подключенный к клеммам конденсатор. Накопительный дроссель одним своим выводом подключен через соединенный с микроконтроллером датчик тока к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей, а другим к выходу управляемого от микроконтроллера по шине ШИМ-сигналов полумостового драйвера со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя, а с другого - к борну «-» соседнего накопителя.
Недостатком известного выравнивающего устройства является недостаточная защита от аварийных ситуаций, связанных с перезарядом и переразрядом накопителей батареи, а также с перезарядом накопительной магистрали и превышениями тока накопительного дросселя, возложенная в известном устройстве только на микроконтроллер и не действующая при его отказах.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача повышения надежности защиты батареи в аварийных ситуациях, связанных с перезарядом и переразрядом накопителей батареи, перезарядом накопительной магистрали и превышениями тока накопительного дросселя устройства при отказах микроконтроллера.
Поставленная задача решается тем, что предложено выравнивающее устройство для высоковольтной батареи электрических накопителей энергии с двухканальным механизмом активного выравнивания на основе обратно-ходового трансформатора, накопительной магистрали и накопительного дросселя, содержащее микроконтроллер, подключенный через шину управляющих ШИМ-сигналов к зашунтированным диодами электронным ключам в первичной и вторичной обмотках повышающего в сторону накопительной магистрали обратно-ходового трансформатора через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно. Первичная обмотка трансформатора соединена с борном «+» и через электронный ключ с борном «-» накопителя, а вторичная с клеммой «+» и через электронный ключ с клеммой «-» накопительной магистрали, содержащей подключенный к клеммам конденсатор. Накопительный дроссель одним своим выводом подключен через соединенный с микроконтроллером датчика тока к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей, а другим к выходу управляемого от микроконтроллера по шине ШИМ-сигналов полумостового драйвера со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя, а с другого к борну «-» соседнего накопителя.
Новым в предложенном устройстве является то что в него введены: подключенный к выходу датчика тока и источнику первого опорного напряжения компаратор превышения тока дросселя, подключенный к первому входу первого логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения полумостового драйвера, а второй вход к шине сигнала экстренного реагирования; подключенный к борну «+» первого из двух смежных накопителей и к источнику второго опорного напряжения компаратор переразряда накопителя, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения драйвера с гальванической развязкой; подключенный к борну «+» первого из двух смежных накопителей и к источнику третьего опорного напряжения компаратор переразряда накопителя, подключенный к первому входу второго логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения драйвера, а второй вход к выходу компаратора перезаряда накопительной магистрали, подключенному к источнику четвертого опорного напряжения и к клемме «+» накопительной магистрали.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в повышении надежности защиты батареи в аварийных ситуациях за счет дублирующего компараторного канала отключения драйверов устройства, действующего помимо микроконтроллера, способного осуществлять указанную функцию в случае своей исправности обнулением управляющего ШИМ-сигнала.
На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленного выравнивающего устройства.
Заявленное устройство содержит обратно-ходовой трансформатор 1, накопительную магистраль 2, накопительный дроссель 3 и микроконтроллер 4, подключенный через шину управляющих ШИМ-сигналов 5 к зашунтированным диодами (на чертеже не показаны) электронным ключам в первичной 6 и вторичной 7 обмотках повышающего в сторону накопительной магистрали 2 обратно-ходового трансформатора 1 через драйвер 8 и драйвер 9 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) соответственно. Первичная обмотка трансформатора 1 соединена с борном «+» и через электронный ключ 6 с борном «-» накопителя, а вторичная с клеммой «+» и через электронный ключ 7 с клеммой «-» накопительной магистрали 2, содержащей подключенный к клеммам магистрали конденсатор 11. Накопительный дроссель 3 одним своим выводом подключен через соединенный с микроконтроллером 4 датчика тока 12 к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей 10, а другим к выходу управляемого от микроконтроллера 4 по шине 5 ШИМ-сигналов полумостового драйвера 13 со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами (на чертеже не показаны), подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя 10, а с другого к борну «-» соседнего накопителя 10. К выходу датчика тока 12 и к первому источнику опорного напряжения Uon1 подключен компаратор 14 превышения тока дросселя 3, подключенный к первому входу первого логического элемента ИЛИ 15, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера 4 и к входу отключения полумостового драйвера 13, а второй вход к шине 16 сигнала экстренного реагирования. К борну «+» первого из двух смежных накопителей 7 и к источнику второго опорного напряжения Uon 2 подключен компаратор 17 перезаряда накопителя, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера 4 и к входу отключения драйвера 9 с гальванической развязкой. К борну «+» первого из двух смежных накопителей 10 и к источнику третьего опорного напряжения Uon 3 подключен компаратор 18 перезаряда накопителя, подключенный к первому входу второго логического элемента ИЛИ 19, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера 4 и к входу отключения драйвера 8, а второй вход к выходу компаратора 20 переразряда накопительной магистрали 2, подключенному к источнику четвертого опорного напряжения Uon 4 и к клемме «+» накопительной магистрали 2.
Заявленное устройство работает следующим образом. Элементы выравнивающего устройства: накопительный дроссель 3, полумостовой драйвер 13 и датчик тока 12 под управлением микроконтроллера 4 обеспечивают внутримодульное соседнее выравнивание напряжений на накопителях 10 батареи. Элементы выравнивающего устройства: обратно-ходовый трансформатор 1, электронные ключи 6, 7, драйверы 8 и 9, конденсатор 11, а также накопительная магистраль 2 обеспечивают межмодульное селективное выравнивание напряжений на накопителях 10 батареи под управлением микроконтроллеров верхнего уровня управления. В случае превышения допустимых значений по перезаряду, переразряду накопителей, а также перезаряду накопительной магистрали батареи или превышении тока накопительного дросселя устройства, задаваемых величинами опорных напряжений Uon 2, Uon 3, Uon 4 и Uon 1 соответственно, срабатывают соответствующие компараторы 17, 18, 20 и 14 и через логические элементы ИЛИ 15, 19 отключают драйверы 9, 8, или 13 устройства независимо от состояния микроконтроллера 4, обеспечивая повышенную надежность защиты батареи в аварийных ситуациях. Полумостовой драйвер 13 соседнего дроссельного выравнивания отключается также по сигналу экстренного реагирования на шине 16 устройства через элемент ИЛИ 15, возникающему при перезаряде или переразряде любого из накопителей 10 батареи. Сигналы с выхода компараторов заведены на входы разовых команд микроконтроллера 4 через шину 21 для контроля функционирования компараторов при исправном микроконтроллере 4 устройства. Компараторы 14, 17, 18, и 20 устройства могут быть выполнены на микросхемах LM2901D (Texas Instruments), логические элементы ИЛИ 15, 19 на микросхемах SN74LVC08AD (Texas Instruments), источники опорных напряжений Uon 1 - Uon 4 на микросхемах REF3325AIDBZ (Texas Instruments) и резистивных делителях напряжения.
Выравнивающее устройство для высоковольтной батареи электрических накопителей энергии, содержащее обратно-ходовый трансформатор, накопительную магистраль, накопительный дроссель и микроконтроллер, подключенный через шину управляющих ШИМ-сигналов к зашунтированным диодами электронным ключам в первичной и вторичной обмотках повышающего в сторону накопительной магистрали обратно-ходового трансформатора через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, в котором первичная обмотка обратно-ходового трансформатора соединена с борном «+» и через электронный ключ с борном «-» накопителя, а вторичная - с клеммой «+» и через электронный ключ - с клеммой «-» накопительной магистрали, содержащей подключенный к клеммам магистрали конденсатор, накопительный дроссель одним своим выводом подключен через соединенный с микроконтроллером датчик тока к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей, а другим к выходу управляемого от микроконтроллера на шине ШИМ-сигналов полумостового драйвера со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя, а с другого - к борну «-» соседнего накопителя, отличающееся тем, что к выходу датчика тока и к источнику первого опорного напряжения подключен компаратор превышения тока дросселя, подключенный к первому входу первого логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения полумостового драйвера, а второй вход - к шине сигнала экстренного реагирования батареи, к борну «+» первого из двух смежных накопителей и к источнику второго опорного напряжения подключен компаратор перезаряда накопителя, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения драйвера с гальванической развязкой, к борну «+» первого из двух смежных накопителей и к источнику третьего опорного напряжения подключен компаратор переразряда накопителя, подключенный к первому входу второго логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к шине разовых команд микроконтроллера и к входу отключения драйвера, а второй вход - к выходу компаратора перезаряда накопительной магистрали, подключенному к источнику четвертого опорного напряжения и к клемме «+» накопительной магистрали.
