Устройство контроля электрических параметров и управления режимом заряда литиевой аккумуляторной батареи

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам поддержания в рабочем состоянии вторичных элементов (химических источников тока), преимущественно, литий-ионных и литий полимерных аккумуляторных батарей (АКБ), и может быть использована в системах электропитания различных технических средств и систем (ТСС), функционирующих с электропитанием от АКБ, для восстановления работоспособности АКБ с контролем электрических параметров и применением режимом обслуживания/заряда, обеспечивающих повышение емкости или количества циклов ее заряда-разряда. Сущность полезной модели заключается в том, что в известное устройство, состоящее из индикатора, цепи установки тока заряда (ЦУТЗ), цепи установки конечного напряжения заряда (ЦУКНЗ), контроллера заряда батареи (КЗБ), датчика тока (ДТ), аккумуляторной батареи (АКБ), термодатчика (ТД) и зарядной цепи (ЗЦ), которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, с источником напряжения/электропитания (U_пит) устройства, с первым портом узла ДТ и с первым портом узла КЗБ, который своими со второго по шестой портами соединен, соответственно, с первым портом узла ЦУТЗ, с первым портом узла ЦУКНЗ, с узлом ТД, со вторым портом узла ДТ, с третьим портом узла ДТ и узлом АКБ, который выполнен в виде литий-ионной или литий полимерной аккумуляторной батареи, при этом, узел КЗБ выполнен с возможностью контроля тока и напряжения заряда узла АКБ, контроля зарядных характеристик и параметров узла АКБ, обеспечения безопасного заряда АКБ на основе контроля ее температуры, измеряемой узлом ТД, и защиты узла АКБ от перенапряжения и перезаряда с использованием таймера окончания заряда, дополнительно в его состав введены клавиатура и микроконтроллер (МК), который своими с первого по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с выходом клавиатуры, со вторым портом узла ЦУТЗ, со вторым портом узла ЦУКНЗ и с седьмым портом узла КБЗ, при этом, узлы ЦУТЗ и ЦУКНЗ выполнены в виде цифровых потенциометров, обеспечивающих возможность регулировки значений ТЗ и КНЗ при выполнении процедур обслуживания/заряда (ПОЗ) узла АКБ, узел индикатора выполнен в виде дисплея, обеспечивающего возможность отображения цифровой, графической и символьной информации, необходимой для контроля данных, вводимых с клавиатуры, и отображения результатов выполнения ПОЗ узла АКБ, узел клавиатуры выполнен с возможностью ввода данных, необходимых для установки параметров ПОЗ узла АКБ, например, величины зарядного тока и значения его КПЗ, узел КЗБ выполнен с возможностью выполнения ПОЗ узла АКБ со значениями параметров ТЗ и КНЗ, задаваемыми узлом МК, который выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей настройку параметров узлов ЦУТЗ и ЦУКНЗ в соответствии с типом узла АКБ и требуемым режимом его обслуживания/заряда (РОЗ), в том числе, РОЗ типа РЕБ, РЦБ или ОЕЦ, при которых достигается, соответственно, разгон/увеличение емкости, разгон/увеличение количества циклов заряда-разряда или оптимизация соотношения между величиной емкости узла АКБ и количеством циклов его заряда-разряда, поддержку функций клавиатуры и дисплея, эмуляцию виртуального интерфейса (ВИ), обеспечивающего отображение на дисплее различных окон и меню, позволяющих осуществлять установку/управление РОЗ узла АКБ и контролировать его электрические параметры (ЭП), например, уровень заряда и значение емкости, обработку данных, полученных в процессе выполнения ПОЗ узла АКБ, и визуализацию результатов выполнения ПОЗ узла АКБ, например, отображения на дисплее значений ЭП узла АКБ и символьных и/или текстовых сообщений, обозначающих, уровень его работоспособности. Введенные существенные признаки обеспечивают расширение функциональных возможностей известного устройства, связанных с управлением электрическими параметрами аккумуляторной батареи (АКБ), в том числе, обеспечивают возможность разгона/увеличения емкости или количества циклов ее заряда-разряда в соответствии со стратегиями типа РЕБ или РЦБ, выбираемыми/устанавливаемыми пользователем устройства в процессе обслуживания/заряда АКБ. Данное устройство позволяет увеличить длительность автономной работы портативных радиоустройств и систем, функционирующих за счет электропитания от АКБ, без увеличения ее габаритов и веса.

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам поддержания в рабочем состоянии вторичных элементов (химических источников тока), преимущественно, литий-ионных и литий полимерных аккумуляторных батарей (АКБ), и может быть использована в системах электропитания различных технических средств, преимущественно, портативных радиоэлектронных устройств и систем (ПРУС), функционирующих с электропитанием от АКБ, для восстановления работоспособности и управления ресурсом АКБ путем изменения режимов ее обслуживания/заряда.

Работоспособность технических устройств и систем, функционирующих в автономном режиме, наиболее часто обеспечивается с помощью химических источников тока (ХИТ) типа аккумуляторов, как правило, объединенных в аккумуляторную батарею (АКБ). Использование АКБ в портативных радиоэлектронных устройствах и системах во многом определяет, как пользовательские сервисы, так и эксплуатационные характеристики аппаратуры. К основным техническим характеристикам ПРУС всегда относят длительность его автономной работы, обеспечиваемую энергоресурсом АКБ, который может быть выражен такими показателями, как Т_о и N, где N - количество циклов заряда-разряда АКБ, а Т_о - однократная длительность автономной работы (ОДАР) ПРУС - время в течение которого поддерживается работа ПРУС без подзарядки АКБ. При этом, показатель Т_о определяет время работы ПРУС в течении одной разрядки АКБ, то есть. Т _о - время в течении которого полностью заряженная АКБ будет обеспечивать непрерывную работу/функционирование ПРУС. Очевидно, что величина Т_о, при прочих равных условиях, будет определяться величиной емкости АКБ и чем она больше, тем выше показатель Т_о. Можно полагать, что показатель N - отражает многократную/суммарную длительность автономной работы (МДАР) ПРУС, которую также называют «временем жизни» или длительностью «жизненного цикла» АКБ. Показатель N также характеризует АКБ с точки зрения количества допустимых процедур/циклов заряда-разряда, после которых сохраняется требуемый уровень ее работоспособности. Очевидно, что чем большее количество процедур/циклов заряда-разряда обеспечивает АКБ, сохраняя свою работоспособность, тем большее значение имеет больше показатель N, и, соответственно, выше длительность автономной работы ПРУС, выраженная категорией/критерием МДАР.

Исследования показали, что повышение длительности автономной работы ПРУС типа ОДАР и МДАР, характеризуемой, соответственно, показателями Т _о и N энергоресурса АКБ, имеют весьма важное практическое значение. Однако, одновременное увеличение показателей То и N затруднено тем фактом, что ко многим ПРУС (летальные аппараты, носимые радиостанции и др.) предъявляются жесткие ограничения на их габариты и массу. Типовыми потребителями такой аппаратуры являются геологи, спасатели МЧС, медики, военные и др. Поэтому, увеличение длительности автономной работы ПРУС, получающих электропитание от АКБ, при наличии жестких ограничений на габариты и вес, является весьма проблематичной задачей.

Исследование этой задачи показало, что ее сложность обусловлена наличием противоречия, суть которого состоит в том, что уровень миниатюризации радиоэлектронных компонентов достиг такого уровня, при котором, масса и габариты ПРУС, в основном, определяются массой и габаритами АКБ. В этих условиях, для увеличения длительности автономной работы ПРУС надо использовать АКБ с большей емкостью. Однако, АКБ с большой емкостью имеют большие габариты и массу. Установка в систему электропитания ПРУС элементов АКБ с большой емкостью приводит к значительному увеличению массы и габаритов ПРУС. Поэтому, для снижения или сохранения без изменений массы и габаритов ПРУС не надо использовать АКБ с большей емкостью. Иными словами, без изменения массы и габаритов АКБ достичь одновременного увеличения показателей ОДАР и МДАР, характеризующих длительность автономной работы ПРУС, питающихся от АКБ, весьма проблематично.

Исследования показали, что типовым подходом, используемым при обслуживании/заряде АКБ, является применение к ней типового режима, при котором достигается получение сбалансированных параметров АКБ по емкости и количеству циклов заряда-разряда. Поскольку использование известных устройств и систем не обеспечивает возможность изменения электрических параметров АКБ, с точки зрения повышения емкости или количества циклов заряда-разряда без изменения габаритов и веса АКБ, в процессе их обслуживания, то разрешение упомянутого противоречия - не достигается и решение поставленной задачи - не обеспечивается.

В процессе исследований путей решения поставленной задачи, авторами разработана идея, суть которой заключается в создании технического решения, обеспечивающего возможность управления ресурсом АКБ в соответствии с практическими требованиями по обеспечению ОДАР или МДАР, возникающими в процессе эксплуатации ПРУС. То есть, авторами предлагается ресурс АКБ, выраженный совокупностью показателей Т_о и N, модифицировать/перераспределять таким образом, чтобы, в зависимости от потребностей пользователей, осуществлять оптимизацию параметров АКБ по требуемому показателю Т_о или N. Здесь под оптимизацией параметров АКБ по показателю Т_о или N понимается выполнение процедур обслуживания/заряда с применением режимов, обеспечивающих «разгон»/увеличение, соответственно, емкости или количества циклов «заряда-разряда» АКБ.

Стратегию повышения показателя Т_о , выражающуюся в создании условия /режима обслуживания/ заряда (РОЗ) АКБ, при котором достигается повышение ее емкости, будем рассматривать как разгон емкости батареи (РЕБ). Стратегию повышения показателя N, выражающуюся в создании РОЗ АКБ, при котором достигается увеличение количества процедур ее заряда-разряда, будем рассматривать как разгон циклов батареи (РЦБ). Стратегию применения РОЗ АКБ, при которой достигается оптимизация/сбалансированность соотношения величины его емкости и количества циклов его заряда-разряда, будем рассматривать как ОЕЦ,

Исследования показали, что известные из техники устройства /технические решения и системы, который применяются для обслуживания/ заряда АКБ, как правило, реализуют стратегию типа ОЕЦ. Поэтому, основные усилия авторов были направлены на исследования возможностей по созданию технического решения, обеспечивающего реализацию стратегий типа РЕБ и РЦБ.

Установлено, что реализация стратегий типа РЕБ или РЦБ позволяет существенно повысить эффективность выполнения задач по использованию ПРУС, особенно, в ответственных приложениях, где могут возникать потребности, как в обеспечении максимального показателя Т_о, так и в достижении больших значений показателя N. Например, при типовом использовании мобильного телефона, его подзарядку можно выполнять регулярно без всяких затруднений с доступом к электросети. При этом, использование стратегии типа РЦБ позволяет повысить показатель N, что на практике означает увеличение срока службы АКБ и показателя МДАР мобильного телефона. В иных случаях, например, связанных с мониторингом мест бедствий, тушением пожаров, поиском полезных ископаемых, проводимых с использованием ПРУС, например, средств радиосвязи, беспилотных летательных аппаратов, радиоретрансляторов, маяков и других технических средств, могут возникнуть проблемы с частой зарядкой их АКБ из-за трудностей доступа к энергосети, обеспечивающей обслуживание/заряд АКБ. Поэтому, для таких ПРУС более актуальна максимизация показателя Т_о, которая может быть достигнута за счет использования стратегии типа РЕБ.

Корректность подхода, предложенного авторами, основана на данных, известных из [Л1-Л5], которые рассмотрим подробнее. Так, из техники [Л1, Л2] известны результаты исследований зависимости электрических параметров (емкости и количества циклов заряда-разряда) литиевых аккумуляторов от конечного напряжения их заряда, где показано, что уменьшение напряжения заряда элемента/аккумулятора до 4,0 В приводит, с одной стороны, к снижению его паспортной емкости до 80% (адекватно снижению показателя Т_о) и, с другой стороны, к одновременному увеличению срока его службы в несколько раз (повышение показателя N). Если же конечное напряжение заряда аккумулятора повышается, то его реальная емкость может быть увеличена до 110% с одновременным снижением «времени жизни» аккумулятора (N) в несколько раз.

Из техники [Л3] известно, что емкость АКБ зависит от конечного напряжения ее заряда: чем больше это напряжение, тем большую емкость/заряд может получить АКБ. «Обратная сторона медали» в том, что при увеличении конечного напряжения заряда (КНЗ) происходит уменьшение N - количества циклов полной перезарядки АКБ. То есть, при повышении КНЗ, уменьшается срок службы АКБ.

Из техники [Л4] известен типовой режим заряда и характер изменения емкости Li-ion аккумулятора при разном предельном напряжении его заряда. Показано, что при типовом режиме заряда АКБ, соответствующего стратеги типа ОЕЦ, применяется комбинированный процесс, предполагающий вначале, при постоянном токе (в диапазоне от 0,2 С до 1 С) заряд АКБ до КНЗ, равного 4,2 В, далее проводится заряд АКБ при постоянном напряжении. При этом, первая стадия заряда может длиться около 40 мин, вторая стадия дольше. Использование более высокого КНЗ позволяет повысить энергетическую плотность АКБ (увеличить емкость АКБ), однако, окислительные реакции, происходившие в элементах АКБ, при напряжениях, превышающих порог 4,2 В, могут приводить к сокращению их срока службы. Тем не менее, в ряде случаев Li-ion аккумуляторные батареи, например, промышленного и военного назначения, которые должны иметь повышенный срок службы (показатель N), подвергают заряду при пониженном КНЗ с уровнем до 3,90 В на элемент/аккумулятор АКБ.

Из техники [Л5] известен способ заряда АКБ с контролем напряжения и тока заряда. При использовании этого способа, пока напряжение на АКБ не достигнет заданной величины, поддерживается постоянным ток заряда. Когда напряжение АКБ достигает КНЗ, ток заряда начинает плавно уменьшаться так, чтобы поддерживалось заданное напряжение. Такой режим заряда иногда называют «постоянный ток - постоянное напряжение». Уменьшение тока происходит до величины 0,05-0,1 С. При этом, АКБ заряжается до 92-99%, и цикл заряда прекращается.

При использовании данного способа заряда АКБ достигается оптимизация соотношение между емкостью АКБ и сроком службы в циклах. Для этого предлагается величину КПЗ устанавливать равным 4,2 В на элемент/аккумулятор АКБ. То есть, при обслуживании/заряде АКБ, в основном, используется стратегия, ориентированная на получение наилучшего баланса между емкостью АКБ и «сроком ее жизни» N500 циклов. Можно полагать, что здесь в полной мере реализуется стратегия типа ОЕЦ.

Известны также данные, характеризующие возможность реализации стратегий РЕБ и РЦБ за счет изменения режимов заряда АКБ. Показано, что увеличить N - число циклов заряда-разряда АКБ можно за счет уменьшения напряжения заряда, но при этом АББ заряжается не полностью. Повышение напряжения заряда на элементах АКБ в пределах безопасного значения равного 4.3 В, позволяет осуществить разгон/увеличение емкости АКБ до 110-120% относительно ее номинального значения, достигаемого при напряжении заряда равного 4.2 В. Однако, при этом показатель N - количество циклов заряда-разряда АКБ снижается почти в 2 раза (при напряжении заряда 4.2 В показатель N500). Также показано, что снижение напряжения заряда на элементах АКБ до 4.1 В, позволяет осуществить разгон/увеличение показателя N - количества циклов заряда-разряда АКБ на 50% (N750). Однако, при этом емкость АКБ снижается до 80% от ее значения, достигаемого при напряжении заряда 4.2 В. То есть, для увеличения продолжительности рабочего цикла (показателя Т _о) АКБ необходимо зарядить при повышенном напряжении конечного заряда, однако, это приводит к сокращению срока службы батареи, выраженному в циклах (показатель N). Снижение напряжения холостого хода на 100 мВ эквивалентно уменьшению емкости батареи на 15% и почти удвоению ее показателя N - срока службы в циклах.

В результате анализа информационных источников, в том числе, рассмотренных выше, и оценки данных, полученных при проведении лабораторных/экспериментальных исследований, авторы пришли к выводу, что при решении задач, связанных с повышением длительности автономной работы ПРУС, вполне успешно могут быть использованы кроме стратегии ОЕЦ также и стратегии типа РЕБ и РЦБ, особенно, при решении задач, связанных с повышением автономной работы типа ОДАР или МДАР ПРУС, функционирующих от АКБ, к которым, по условиям применения предъявляются жесткие ограничения на габариты и вес.

Итак, в процессе исследований установлено, что задачу повышения длительности автономной работы ПРУС можно рассматривать, как с точки зрения повышения показателя ОДАР на основе реализации стратеги типа РЕБ, так и с точки зрения повышения показателя МДАР на основе реализации стратеги типа РЦБ. При этом предполагается, что повышение длительности автономной работы ПРУС, на основе перераспределения ресурса АКБ, может быть достигнуто только лишь по одному из показателей ОДАР или МДАР, в соответствии только лишь с одной из выбранных стратегий типа РЕБ или РЦБ. На практике это означает, что для одних ПРУС наиболее значимым может быть обеспечение ОДАР (показатель Т_о), а для других - МДАР (показатель N). При этом, достигаемое повышение одного из показателей будет сопровождаться снижением другого, например, при повышении Т_о, будет снижаться N. Установлено, что возможность перераспределения ресурса АКБ, выраженного совокупностью показателей Т_о и N, с возможностью повышения одного из показателей (Т_о или N) позволяет более эффективно решать задачи, связанные с повышением длительности автономной работы типа ОДАР или МДАР ПРУС.

Информационным/патентным поиском установлено, что известные из техники устройства и системы, которые могут быть использованы для обслуживания/заряда АКБ, имеют низкую эффективность, с точки зрения управления ее энергоресурсом в соответствии с заданной стратегией РЕБ или РЦБ и не обеспечивают гибкой (по выбору/требованиям потребителя) максимизации/повышения показателей АКБ типа Т_о или N, поэтому, поиск более совершенных технических решений является актуальной задачей.

Из техники [Л6] известно, что для увеличения срока службы обслуживание/заряд Li-ion аккумуляторных батарей необходимо осуществлять с использованием таких режимов, при которых конечное напряжение заряда АКБ составляет 3,90 В на элемент/аккумулятор.

При использовании такого подхода реализуется стратегия типа РЦБ, что позволяет увеличить показатель N. Однако, возможность управления ресурсом АКБ для реализации необходимых пользователю стратегий типа РЕБ или РЦБ и достижения максимальных значений показателей Т _о или N, в процессе эксплуатации АКБ, при таком подходе, не обеспечивается.

Из техники [Л7] известно, что в некоторых типах зарядных устройств для заряда литий-ионной аккумуляторной батареи требуется время 1 час. В таких зарядных устройствах выполняется упрощенная зарядка, при которой часть этапов зарядки исключается и после достижения напряжения холостого хода, равного 4.2 В на один аккумулятор, обслуживание батареи прекращается и считается, что она готова к применению.

Такой способ заряда АКБ частично устраняет недостатки предыдущего подхода, поскольку обеспечивает возможность получения более высокого показателя Т_о за счет заряда батареи до более высокого конечного напряжения заряда (частичная реализация стратегии типа РЕБ для повышения Т_о). Кроме того, поскольку АКБ заряжается не полностью, а только лишь на 70%, то это способствует повышении ее жизненного цикла (N), чем обеспечивается частичная реализации стратегии типа РЦБ.

Недостатки данного способа - аналогичны упомянутому выше подходу/способу.

Из техники [Л8] известно устройство для зарядки батарей, содержащее блок управления (БУ), схему регулирования зарядного тока (СРЗТ) и термодатчик (ТД), который своим портом соединен с первым портом узла БУ, который вторым портом соединен с узлом СРЗТ и выполненное с возможность осуществлять зарядку литиевой батареи с контролем неизменного тока/неизменного напряжения, при этом узел БУ выполнен с возможностью контроля температуры (по сигналам узла ТД) и управления зарядным током.

Данное техническое решение (ТР) обеспечивает обслуживание/заряд АКБ по упрощенному алгоритму, при котором некоторые типовые этапы заряда исключены для ускорения подготовки АКБ к работе. Поскольку АКБ заряжается по упрощенному алгоритму, известному из [Л9], то уровень ее заряда (величина емкости) может составлять около 70-90%, от номинального/паспортного значения, что способствует повышению показателя N и обеспечивает возможность частичной реализации стратегии типа РЦБ.

Недостатком данного ТР является его низкая эффективность, с точки зрения контроля электрических параметров и управления режимами заряда АКБ, что не позволяет пользователю осуществлять перераспределение ресурса АКБ для максимизации/повышения показателей Т_о или N в процессе ее эксплуатации в составе ПРУС и достичь увеличения, соответственно, их ОДАР или МДАР.

Из техники [Л10] известно микропроцессорное зарядное устройство (ЗУ), состоящее из микропроцессора (МП), программируемого источника тока (ПИТ) и термодатчика (ТД), который своим портом соединен с первым портом узла МП, который вторым портом соединен с узлом ПИТ, и выполненное с возможностью выполнения типового алгоритма заряда литий-ионной АКБ с контролем ее температуры и поддержанием в заданных безопасных пределах напряжения и тока заряда.

Данное ЗУ частично устраняет недостатки предыдущего ТР, поскольку обеспечивает более качественное обслуживание АКБ за счет возможности реализации более сложного алгоритма ее заряда. Однако, возможность изменения этих алгоритмов пользователем ЗУ, в ходе его применения для обслуживания/заряда АКБ, - не обеспечивается, что на практике не позволяет реализовать требуемые стратегии типа РЕБ или РЦБ. Поэтому, данное ЗУ имеет низкую эффективность применения, с точки зрения управления ресурсом АКБ в процессе ее эксплуатации и контроля ее электрических параметров при обслуживании/заряде.

Из техники [Л11] известно зарядное устройство (ЗУ), состоящее из микропроцессора (МП), зарядной цепи (ЗЦ), термодатчика (ТД) и индикатора, который своим портом соединен с первым портом узла МП, который вторым и третьим портами соединен, соответственно, с портом узла ЗЦ и с выходом узла ТД. При этом, узел индикатора выполнен в виде жидко-кристаллического дисплея, обеспечивающего наглядное отображение состояния заряжаемых аккумуляторов. Кроме того, узел МП функционирует по программе, обеспечивающей возможность контроля и наблюдения за процессором заряда АКБ, осуществления быстрого заряда АКБ с автоматическим ее отключением от узла ЗЦ, защиты АКБ от перезаряда и обеспечения безопасности заряда с помощью 10-и часового таймера.

Данное ЗУ частично устраняет недостатки предыдущего устройства, поскольку в нем, за счет использования индикатора, обеспечивается более высокая точность и информативность контроля процесса обслуживания АКБ (возможность контроля и наблюдения за процессором заряда АКБ). Кроме того, с помощью данного ЗУ, по выбору его пользователя, могут быть установлены режимы заряд АКБ типа «нормальный» или «ускоренный», что соответствует частичной реализации стратегий, соответствующих типам РЕБ или РЦБ. Это обусловлено тем, что при ускоренном заряде АКБ значение ее емкости может составлять 70-90%, от номинального/паспортного значения, что, как было показано выше, способствует повышению показателя N и обеспечивает возможность реализации стратегии типа РЦБ. При использовании «нормального» режима заряда АКБ заряжается до паспортного значения (100%), что можно считать, частичной реализацией стратегии типа РЕБ.

Данное ЗУ имеет недостатки, аналогичные предыдущему устройству. Так, ЗУ имеет низкую эффективность, с точки зрения контроля электрических параметров и управления режимами заряда АКБ, что не позволяет пользователю осуществлять перераспределение ресурса АКБ для максимизации показателей Т_о или N и, соответственно, достичь увеличения ОДАР или МДАР в процессе эксплуатации ПРУС.

По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известное из техники [Л12], зарядное устройство (далее - устройство), состоящее из индикатора, цепи установки тока заряда (ЦУТЗ), цепи установки конечного напряжения заряда (ЦУКНЗ), контроллера заряда аккумуляторной батареи (КЗБ), датчика тока (ДТ), порта подключения аккумуляторной батареи (ППБ), термодатчика (ТД) и зарядной цепи (ЗЦ), которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, с источником напряжения/электропитания устройства (U_пит), с первым портом узла ДТ и с первым портом узла КЗБ, который своими со второго по шестой портами соединен, соответственно, с первым портом узла ЦУТЗ, с первым портом узла ЦУКНЗ, с выходом узла ТД, со вторым портом узла ДТ, с третьим портом узла ДТ и портом узла ППБ, и выполненное с возможностью безопасного обслуживания/заряда литий-ионных и литий полимерных аккумуляторных батарей (АКБ) с контролем тока и напряжения заряда.

Функциональная схема устройства представлена на фиг.1. Устройство (фиг.1) состоит из индикатора 1, цепи установки тока заряда (ЦУТЗ) 2, цепи установки конечного напряжения заряда (ЦУКНЗ) 3, контроллера заряда батареи (КЗБ) 4, зарядной цепи (ЗЦ) 6, датчика тока (ДТ) 7, порта подключения аккумуляторной батареи (ППБ) 8 и термодатчика (ТД) 9. При этом, узел ЗЦ 6 своими с первого по третий портами соединен, соответственно, с источником напряжения/электропитания (U_пит) 5, с первым портом узла ДТ 7 и с первым портом узла КЗБ 4, который своими со второго по седьмой портами соединен, соответственно, с индикатором 1, с узлом ЦУТЗ 2, с узлом ЦУКНЗ 3, с узлом ТД 9, со вторым портом узла ДТ 7 и с третьим портом узла ДТ 7 и узлом ППБ 8. При этом, устройство выполнено с возможностью подключения к узлу ППБ 8 литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей (АКБ) 10 и осуществления процедуры их обслуживания/заряда. Узел КЗБ 4 выполнен с возможностью контроля тока и напряжения заряда АКБ 10, контроля зарядных характеристик и параметров обслуживаемых/заряжаемых АКБ 10, а также обеспечения безопасного их заряда на основе контроля температуры АКБ 10, измеряемой узлом ТД 9, и защиты элементов/аккумуляторов АКБ 10 от перенапряжения и перезаряда с использованием таймера окончания заряда.

Устройство (фиг.1) функционирует следующим образом. К узлу ППБ 8 подключается АКБ 10. После подачи входного напряжения от источника электропитания (U_пит ) 5, происходит сброс всех состояний и таймеров узла КЗБ 4 и устройство переходит в так называемое предустановочное состояние. В этом состоянии происходит заряд АКБ 10, подключенной к узлу ППБ 8 током, измеряемым узлом ДТ 7, величина которого составляет 1/20 от установочного тока заряда. При этом, узлом КЗБ 4 осуществляется контроль тока заряда по данным, поступающим с узла ДТ 7, контроль температуры АКБ 10 по данным, поступающим с узла ТД 9, и контроль/измерение напряжения на АКБ 10, по данным, поступающим с узла ППБ 8.

Если напряжение на узле ППБ 8 выше порогового значения, установленного для отдельного элемента/аккумулятора, а температура находится в пределах +2,5°С+47,5°С, то устанавливается состояние/режим «быстрого заряда» АКБ 10, подключенной к узлу ППБ 8.

Если начальное напряжение АКБ 10, подключенной к узлу ППБ 8, не поднимается выше допустимого предела, то обслуживание/заряд этой АКБ 10 прекращается и на индикатор 1 выводится сообщение о невозможности зарядить АКБ 10 (включается первый светодиод индикатора 1).

Если температура АКБ 10, подключенной к узлу ППБ 8, находится вне пределов диапазона ее заряда, то таймер предустановочного состояния останавливается, и при возвращении температуры в допустимые пределы, процесс заряда АКБ 10 и работа таймера возобновляются.

По истечении предустановочного состояния устройство переходит в состояние/режим быстрого заряда, при котором АКБ 10 заряжается постоянным током до напряжения конечного заряда (НКЗ). Факт истечения предустановочного состояния отображается с помощью индикатора 1 (включается второй светодиод),

Если время таймера быстрого заряда истекает до достижения НКЗ, то заряд АКБ 10 заканчивается с индикацией ошибки, которая отображается с помощью узла индикатора 1 (включается третий светодиод). В этом состоянии АКБ 10 заряжается примерно на 85% от своей полной емкости.

В следующем состоянии/режиме АКБ 10 заряжается постоянным напряжением. Процесс заряда АКБ 10 на этом этапе отображается узлом индикатора 1 (горит второй светодиод). Когда ток заряда АКБ 10 падает до величины, составляющей 1/10 от тока в состоянии быстрого заряда или истекает время работы таймера, устройство переходит в состояние/режим завершения обслуживания/заряда АКБ 10. Факт завершения заряда АКБ 10 отображается узлом индикатора 1 тем, что второй светодиод выключается (гаснет). Отключение заряда АКБ 10 происходит по достижении конечного напряжения заряда. В состоянии заряда постоянным напряжением АКБ 10 заряжается до уровня 95%-97% от номинальной/паспортной емкости. В последнем состоянии/режиме заряд АКБ 10 идет до достижении КНЗ либо до истечении времени работы таймера этого состояния.

Узлы ЦУТЗ 2 и ЦУКНЗ 3, задающие режим заряда узла АКБ 10, выполнены в виде пассивных радиокомпонентов (постоянных резисторов), поэтому ток заряда и конечное напряжение заряда устанавливаются на этапе изготовления устройства. Так, например, подбором регулировочных резисторов, установленных в узле ЦУТЗ 2, может быть установлен ток заряда до 1.5 А, а подбором резисторов, установленных в узле ЦУКН 3, может быть установлено конечное напряжения заряда в диапазоне от 4,0 до 4,4 В на один элемент/аккумулятор узла АКБ 10.

Устройство имеет недостатки, аналогичные предыдущему устройству. Так, устройство имеет низкую эффективность, с точки зрения реализации стратегий РЕБ или РЦБ. Это обусловлено тем, элементы, задающие режимы заряда АКБ 10, реализованы на основе пассивных радиокомпонентов типа постоянных резисторов, значения которых фиксируются на этапе изготовления устройства и в процессе его эксплуатации изменяться не могут. Поэтому, при эксплуатации устройства, возможность изменения параметров узлов ЦУТЗ 2 и ЦУКНЗ 3 - не обеспечивается и, соответственно, возможность перераспределения ресурса АКБ 10 для получения максимальных показателей Т_о или N - не может быть реализована. Кроме того, низкая информативность узла индикатора 1 не позволяет точно контролировать/устанавливать значение электрических параметров/режимов заряда АКБ 10 в процессе ее обслуживания/заряда. Это обусловлено тем, что узел индикатора 1 выполнен виде трех дискретных светодиодов, что существенно ограничивает возможности этого узла по отображению/визуализации различных видов информации. Также в данном устройстве отсутствуют органы управления, позволяющие задавать /изменять режимы работы/ заряда - отсутствуют.

В процессе исследований установлено, что технические решения, которые при обслуживании/заряде АКБ обеспечивают возможность реализации стратегий типа РЕБ или РЦБ для повышения, соответственно, показателя Т_о или показателя N, при которых достигается, соответственно, повышение ОДАР или МДАР ПРУС, из техники не известны.

Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей известного устройства по управлению ресурсом/электрическими параметрами литиевой аккумуляторной батареи и обеспечения возможностей разгона/увеличения емкости или циклов заряда-разряда в процессе ее обслуживания/заряда, при эксплуатации в составе портативного радиоустройства для повышения его длительности автономной работы, соответственно, типа ОДАР или типа МДАР.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство, состоящее из индикатора, цепи установки тока заряда (ЦУТЗ), цепи установки конечного напряжения заряда (ЦУКНЗ), контроллера заряда аккумуляторной батареи (КЗБ), датчика тока (ДТ), порта подключения аккумуляторной батареи (ППБ), термодатчика (ТД) и зарядной цепи (ЗЦ), которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, с источником напряжения/электропитания устройства (U_пит), с первым портом узла ДТ и с первым портом узла КЗБ, который своими со второго по шестой портами соединен, соответственно, с первым портом узла ЦУТЗ, с первым портом узла ЦУКНЗ, с выходом узла ТД, со вторым портом узла ДТ, с третьим портом узла ДТ и портом узла ППБ, и выполненное с возможностью обслуживания/заряда литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей (АКБ) с автоматическим поддержанием заданного тока и напряжения заряда, соответствующих типовому алгоритму заряда, и обеспечения безопасности заряда АКБ на основе контроля температуры и защиты ее от перенапряжения/перезаряда, дополнительно в его состав введены клавиатура и микроконтроллер (МК), который своими с первого по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с выходом клавиатуры, со вторым портом узла ЦУТЗ, со вторым портом узла ЦУКНЗ и с седьмым портом узла КБЗ, при этом, при этом, узлы ЦУТЗ и ЦУКНЗ выполнены в виде цифровых потенциометров, обеспечивающих возможность регулировки значений ТЗ и КНЗ при выполнении процедур обслуживания/заряда (ПОЗ) узла АКБ, узел индикатора выполнен в виде дисплея, обеспечивающего возможность отображения цифровой, графической и символьной информации, необходимой для контроля данных, вводимых с клавиатуры, и отображения результатов выполнения ПОЗ узла АКБ, узел клавиатуры выполнен с возможностью ввода данных, необходимых для установки параметров ПОЗ узла АКБ, в том числе, значения зарядного тока и величины КПЗ, узел КЗБ выполнен с возможностью выполнения ПОЗ узла АКБ со значениями параметров ТЗ и КНЗ, задаваемыми узлом МК, который выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей настройку параметров узлов ЦУТЗ и ЦУКНЗ в соответствии с типом узла АКБ и требуемым режимом его обслуживания/заряда (РОЗ), в том числе, РОЗ типа РЕБ, РЦБ или ССБ, при которых достигается, соответственно, разгон/увеличение емкости, разгон/увеличение количества циклов заряда-разряда или оптимизация соотношения между величиной емкости узла АКБ и количеством циклов его заряда-разряда, поддержку функций клавиатуры и дисплея, эмуляцию виртуального интерфейса (ВИ), обеспечивающего отображение на дисплее различных окон и меню, позволяющих осуществлять установку/управление РОЗ узла АКБ и контролировать его электрические параметры (ЭП), например, уровень заряда и значение емкости, обработку данных, полученных в процессе выполнения ПОЗ узла АКБ, и визуализацию результатов выполнения ПОЗ узла АКБ, например, отображения на дисплее значений ЭП узла АКБ и символьных и/или текстовых сообщений, обозначающих, уровень его работоспособности.

В предлагаемом устройстве обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.

В состав устройства дополнительно введены клавиатура и микроконтроллер (МК), который своими с первого по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с выходом клавиатуры, со вторым портом узла ЦУТЗ, со вторым портом узла ЦУКНЗ и с седьмым портом узла КБЗ.

Узлы ЦУТЗ и ЦУКНЗ выполнены в виде цифровых потенциометров, обеспечивающих возможность регулировки значений ТЗ и КНЗ при выполнении процедур обслуживания/заряда (ПОЗ) узла АКБ.

Узел индикатора выполнен в виде дисплея, обеспечивающего возможность отображения цифровой, графической и символьной информации, необходимой для контроля данных, вводимых с клавиатуры, и отображения результатов выполнения ПОЗ узла АКБ.

Узел клавиатуры выполнен с возможностью ввода данных, необходимых для установки параметров ПОЗ узла АКБ, например, величины зарядного тока и значения его КПЗ.

Узел КЗБ выполнен с возможностью выполнения ПОЗ узла АКБ со значениями параметров ТЗ и КНЗ, задаваемыми узлом МК.

Узел МК выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей настройку параметров узлов ЦУТЗ и ЦУКНЗ в соответствии с типом узла АКБ и требуемым режимом его обслуживания/заряда (РОЗ), в том числе, РОЗ типа РЕБ, РЦБ или ССБ, при которых достигается, соответственно, разгон/увеличение емкости, разгон/увеличение количества циклов заряда-разряда или оптимизация соотношения между величиной емкости узла АКБ и количеством циклов его заряда-разряда, поддержку функций клавиатуры и дисплея, эмуляцию виртуального интерфейса (ВИ), обеспечивающего отображение на дисплее различных окон и меню, позволяющих осуществлять установку/управление РОЗ узла АКБ и контролировать его электрические параметры (ЭП), например, уровень заряда и значение емкости, обработку данных, полученных в процессе выполнения ПОЗ узла АКБ, и визуализацию результатов выполнения ПОЗ узла АКБ, например, отображения на дисплее значений ЭП узла АКБ и символьных и/или текстовых сообщений, обозначающих, уровень его работоспособности.

Введение дополнительных признаков и использование новых свойств позволяет оператору/пользователю устройства осуществлять, по мере необходимости (в соответствии с решаемой задачей), установку таких режимов обслуживания/заряда узла АКБ, при которых достигается необходимое перераспределение его ресурса. Перераспределение ресурса АКБ может быть осуществлено, как упоминалось выше, согласно стратегии типа РЕБ или РЦБ. Кроме того, предусмотрена возможность оптимизации электрических параметров узла АКБ по сбалансированному отношению его емкости и количества циклов заряда-разряда, что соответствует режиму заряда узла АКБ по рекомендациям его производителя, например, при КНЗ=4.2 В. При реализации стратегии типа РЕБ, может быть достигнуто повышение показателя Т_о, обеспечивающего увеличение длительности автономной работы ПРУС типа ОДАР. При реализации же стратегии типа РЕБ, может быть достигнуто повышение показателя N, обеспечивающего увеличение длительности автономной работы ПРУС типа МДАР.

Указанные признаки и свойства позволяют существенно расширить функциональные возможности устройства-прототипа, по управлению электрическими параметрами аккумуляторной батареи (АКБ) и обеспечению возможностей по разгону/увеличению ее емкости или циклов заряда-разряда, в соответствии со стратегиями типа РЕБ или РЦБ, выбираемыми/устанавливаемыми пользователем устройства в процессе обслуживания/заряда АКБ.

Сочетание отличительных признаков и свойств, предлагаемого устройства контроля электрических параметров и управления режимом заряда литиевой аккумуляторной батареи, из техники не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта по расширению функциональных возможностей известного устройства по управлению электрическими параметрами аккумуляторной батареи (АКБ) и обеспечения возможностей по разгону/увеличению ее емкости или циклов заряда-разряда, в соответствии со стратегиями типа РЕБ или РЦБ, выбираемыми /устанавливаемыми пользователем устройства в процессе обслуживания/ заряда АКБ, необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.

Функциональная схема устройства контроля электрических параметров и управления режимом заряда литиевой аккумуляторной батареи (далее - устройство) представлена на фиг.2.

Устройство (фиг.2) состоит из дисплея 1, клавиатуры 2, цепи установки тока заряда (ЦУТЗ) 3, микроконтроллера (МК) 4, цепи установки конечного напряжения заряда (ЦУКНЗ) 5, контроллера заряда батареи (КЗБ) 6, термодатчика (ТД) 11, порта подключения аккумуляторной батареи (ППБ) 10, датчика тока (ДТ) 9 и зарядной цепи (ЗЦ) 8, которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, с источником электропитания устройства U _пит 7, с первым портом узла ДТ 9 и с первым портом узла КЗБ 6, который своими со второго по седьмой портами соединен соответственно, с первым портом узла ЦУТЗ 3, с первым портом узла ЦУКНЗ 5, с выходом узла ТД 11, со вторым портом узла ДТ 9, с третьим портом узла ДТ 9 и узлом ППБ 10 и с пятым портом узла МК 4, который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, со входом дисплея 1, с выходом клавиатуры 2, со вторым портом узла ЦУТЗ 3 и со вторым портом узла ЦУКНЗ 5. При этом, устройство выполнено с возможностью подключения ко второму порту узла ППБ 10 и обслуживания/заряда литий-ионной/литий-полимерной аккумуляторной батареи (АКБ) 12 с автоматическим поддержанием заданного тока и напряжения заряда, соответствующих типовому алгоритму заряда, и обеспечения безопасности заряда АКБ 12 на основе контроля температуры и защиты ее от перенапряжения/перезаряда. Кроме того, узлы ЦУТЗ 3 и ЦУКНЗ 5 выполнены в виде цифровых потенциометров, обеспечивающих возможность регулировки значений ТЗ и КНЗ при выполнении процедур обслуживания/заряда (ПОЗ) узла АКБ 12. Узел индикатора 1 выполнен в виде дисплея, обеспечивающего возможность отображения цифровой, графической и символьной информации, необходимой для контроля данных, вводимых с клавиатуры, и отображения результатов выполнения ПОЗ узла АКБ 12, узел клавиатуры 2 выполнен с возможностью ввода данных, необходимых для установки параметров ПОЗ узла АКБ 12, например, величины зарядного тока и значения его КНЗ, узел КЗБ 6 выполнен с возможностью выполнения ПОЗ узла АКБ 12 со значениями параметров ТЗ и КНЗ, задаваемыми узлом МК 4, который выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей настройку параметров узлов ЦУТЗ 3 и ЦУКНЗ 5 в соответствии с типом узла АКБ 12 и требуемым режимом его обслуживания/заряда (РОЗ), в том числе, РОЗ типа РЕБ, РЦБ или ССБ, при которых достигается, соответственно, разгон/увеличение емкости, разгон/увеличение количества циклов заряда-разряда или оптимизация соотношения величины емкости узла АКБ 12 и количества циклов его заряда-разряда, поддержку функций клавиатуры 2 и дисплея 1, эмуляцию виртуального интерфейса (ВИ), обеспечивающего отображение на дисплее 1 различных окон и меню, позволяющих осуществлять управление/установку требуемых РОЗ и контроль электрических параметров (ЭП) узла АКБ 12, например, уровня заряда и значения его емкости, обработку данных, полученных в процессе выполнения ПОЗ узла АКБ 12, и визуализацию результатов выполнения ПОЗ узла АКБ 12, например, отображения на дисплее значений ЭП узла АКБ 12 и символьных и/или текстовых сообщений, обозначающих, уровень его работоспособности.

Устройство (фиг.2) функционирует следующим образом. В основном, работа устройства аналогична работе устройства-прототипа. В исходном состоянии осуществляется подключение АКБ 12 к устройству посредством узла ППБ 10. Затем, оператор/пользователь устройства, в соответствии с паспортными данными на АКБ 12 устанавливает значение величину ТЗ и, в соответствии с решаемой задачей, устанавливает необходимый режим обслуживания/заряда АКБ 12, при котором достигается реализация требуемой стратегии по повышению/разгону емкости или количества циклов заряда-разряда АКБ 12.

Узел индикатора 1 выполнен в виде дисплея 1, что повышает его информативность, поскольку обеспечивает возможность более качественной визуализации различных видов информации, в том числе, цифровой и графической. Это позволяет пользователю устройства более качественно и надежно контролировать процесс обслуживания/заряда и состояния/режима узла АКБ 12. Совместное использование дисплея 1 и клавиатуры 2, существенно расширяет функции по управлению процессом обслуживания/заряда АКБ 12 и контролю/оценке его работоспособности. При этом, узел МК 4 функционирует по программе, обеспечивающей возможность поддержки функций дисплея 1 и клавиатуры 2 по установке и контролю режимов обслуживания/заряда АКБ 12, что обеспечивает возможность пользователю устройства устанавливать требуемый режим заряда с использованием дисплея 1 и клавиатуры 2 для реализации требуемой стратегии, например, типа РЕБ, для повышения ОДАР ПРУС, функционирующей при электропитании от АКБ 12. Узлом МК 4 реализуется простой интерфейс, предоставляющий оператору/пользователю устройства, удобные сервисы, связанные с выбором и установкой режимов обслуживания/заряда АКБ 12. Например, на дисплее 1 могут отображаться в виде меню доступные для выбора альтернативные режимы заряда АКБ 12. При этом, поддерживается возможность навигации по виртуальным меню/опциям, отображаемым на дисплее 1, с доступом к установкам, позволяющим выбрать требуемый режим заряда/обслуживания АКБ 12 с помощью клавиатуры 2. Например, с помощью интерфейса, реализуемого с помощью дисплея 1 и клавиатуры 2, при поддержке этих узлов со стороны узла МК 4, могут быть доступны для выбора/установки режимы заряда АКБ 12, обеспечивающие реализацию стратегий типа РЕБ или РЦБ или ОЕЦ, при которых обеспечивается оптимизация электрических параметров АКБ 12, соответственно, по величине емкости или по количеству циклов заряда-разряда или по сбалансированному отношению между ее емкостью и количеством циклов заряда-разряда. Поскольку узлы ЦУТЗ 3 и ЦУКНЗ 5 выполнены в виде цифровых потенциометров, обеспечивающих возможность установки/регулирования тока заряда (ТЗ) и конечного напряжения заряда (КНЗ) узла АКБ 12 по сигналам (под управлением) узла МК 4, то это обеспечивает возможность реализации требуемых режимов обслуживания/заряда различных типов АКБ 12 (литий-ионных и литий-полимерных с применением различных значений ТЗ и КНЗ).

После установки одного из режимов осуществляется запуск процедуры заряда АКБ 12 с одновременным контролем электрических параметров и отображением на дисплее 1 степени заряда, значений емкости и количества циклов заряда-разряда, которые могут быть получены при использовании текущего/установленного режима ее обслуживания/заряда.

Результаты обслуживания/заряда узла АКБ 12 отображаются на дисплее 1. При этом, пользователю устройства доступна дополнительная информация, например, степень заряда АКБ 12, по которой достигается эффективный контроль состояния/работоспособности батареи.

Техническим результатом, достигаемым при использовании данного технического решения, является повышение емкости или количества ее циклов заряда-разряда литиевой аккумуляторной батареи (АКБ), что достигается за счет управления уровнем конечного напряжения заряда, устанавливаемого пользователем/оператором устройства в процессе обслуживания/заряда АКБ. Это позволяет осуществлять управление энергетическим ресурсом АКБ, с точки зрения разгона/увеличения емкости или количества ее циклов заряда-разряда, необходимых для реализации стратегией типа РЕБ или РЦБ, обеспечивающих повышение, соответственно, показателей ОДАР или МДАР портативных радиоустройств и систем, функционирование которых обеспечивается посредством АКБ.

Обобщенный алгоритм функционирования устройства может быть представлен в следующем виде.

- Шаг-2. Начало

- Шаг-2. Подготовка к работе: подключение АКБ 12 к узлу ППБ 10, инициализация узла МК 4, установка исходного состояния узла КЗБ 6 (сброс всех состояний и таймеров), установка пользователем/оператором с помощью узлов дисплея 1 и клавиатуры 2 значений тока заряда, конечного напряжения заряда или выбора стратегий типа РЕБ/РЦБ/ОЕЦ и запуск процедуры обслуживания/заряда узла АКБ 12, переход устройства в предустановочное состояние.

- Шаг-3. Работа устройства в режиме «предустановочного состояния»: установка и поддержание зарядного тока узла АКБ 12 величиной, составляющей 1/20 от установочного тока заряда.

- Шаг-4. Проверка: «Контроль температуры узла АКБ 12 (по данным узла ТД 11) и напряжения на узле АКБ 12». Если напряжение узле АКБ 10 выше порогового значения, установленного для отдельного элемента/аккумулятора, а температура находится в пределах +2,5°С+47,5°С, то переход к процедуре «быстрого заряда» узла АКБ 12.

- Шаг-5. Проверка: Если начальное напряжение узла АКБ 12 не поднимается выше допустимого значения, то обслуживание/заряд узла АКБ 12 прекращается и на дисплей 1 выводится сообщение о невозможности зарядить узел АКБ 10 (например, на дисплее 1 отображается сообщение типа «Bad Batt»).

- Шаг-6. Проверка температуры узла АКБ 12: Если температура узла АКБ 12 (данные с узла ТД 11) находится вне пределов допустимого диапазона ее заряда, то таймер предустановочного состояния останавливается, и при возвращении температуры в допустимые пределы, процесс заряда и работа таймера возобновляются.

- Шаг-7. Проверка: время предустановочного состояния - закончилось? - Если нет, то возврат к шагу - 6, а если да, то устройство переходит в состояние быстрого заряда и факт завершения работы устройства в режиме предустановочного состояния отображается с помощью дисплея 1 (например, на дисплее 1 отображается сообщение типа «Step 1 - ok»).

- Шаг-8. Работа устройства в режиме «Состояние быстрого заряда». Узел АКБ 12 заряжается постоянным током до напряжения конечного заряда. На узле дисплея 1 отображается сообщение о работе устройства в режиме быстрого заряда (например, на дисплее отображается сообщение типа «Quick charge»).

- Шаг-9. Проверка: Если время таймера быстрого заряда истекает до достижения верхнего напряжения АКБ 12, то ее заряд заканчивается с индикацией ошибки, которая отображается с помощью дисплея 1 (например, на дисплее 1 отображается сообщение «Step-2 - error»). На дисплей 1 выводится сообщение об уровне заряда АКБ 12, (например, на дисплее 1 отображается сообщение типа Q_batt85%).

- Шаг-10. Проверка тока заряда: Если ток заряда АКБ 8 падает до величины, составляющей 1/10 от тока в состоянии быстрого заряда или истекает время работы таймера, устройство переходит в состояние завершение заряда.

- Шаг-11. Проверка достижения конечного напряжения заряда. Отключение заряда АКБ 12 происходит по достижении установленного оператором устройства конечного напряжения заряда. В последнем состоянии заряд АКБ 8 идет до достижении конечного напряжения заряда либо до истечении времени работы таймера этого состояния. После завершения этих условий процедура обслуживания/заряда АКБ 12 завершается.

- Шаг-12. Завершение заряда узла АКБ 12: вывод на дисплей 1 сообщения о факте завершения заряда узла АКБ 12 (например, «Charge - fall»).

- Шаг-13. Конец.

При создании предлагаемого технического решения узлы КЗБ 6, ЗЦ 8, ДТ 9, ППБ 10 и ТД 11 могут быть аналогичными соответствующим признакам и свойствам прототипа и не требуют значительной доработки при его реализации. Также узел КЗБ 6 может быть реализован на основе микросхем типа МАХ 1758 [Л13], имеющих встроенный ШИМ-контроллер и обеспечивающих функции высокоэффективного DC/DC преобразователя, который осуществляет преобразование входного напряжения в требуемые для заряда ток и напряжение заряда.

Узел ДТ 9 также может быть реализован на основе датчиков для измерения тока компании National Semiconductor, типа LM3824MM-1,0 [Л14], представляющих собой миниатюрные микросхемы для измерения тока с ШИМ-выходом, которые позволяют реализовать достаточно точный измеритель тока, легко сопрягаемый с узлом МК 4 и избежать применения шунта и АЦП. Эти изделия отличаются тем, что содержат интегрированный токоизмерительный шунт, измеряемый ток усредняется на достаточном интервале (6-50 мс), скважность импульсов на ШИМ-выходе изменяется дискретно (количество градаций равно 1024), схема измерения чувствительна к направлению тока, протекающего через внутренний шунт, кроме того, микросхемы этого семейства могут быть включены в плюсовую цепь «верхнее включение», либо в минусовую «нижнее включение», что упрощает схемотехнические решения, используемые при реализации узла ДТ 9.

Узел МК 4 может быть реализован на основе PIC-контроллеров, известных из [Л15, Л16].

Узлы дисплея 1 и клавиатуры 2 могут быть реализованы на основе миниатюрных технических решений, широко используемых в мобильных телефонах, плеерах и других портативных устройствах.

Узлы ЦУТЗ 3 и ЦУКНЗ 5 могут быть реализованы на основе цифровых потенциометров, выполненных в виде микросхем компании MAXIM-DALLAS типа DS1855 [Л17], отличающихся монолитным исполнением с интеграцией в одном корпусе нескольких (до шести) потенциометров, имеющих как линейные, так и логарифмические характеристики, возможностью управления от микропроцессора, сохранением установок параметров при отключении питания. По существу, эти изделия представляют собой линейку из последовательно соединенных резисторов с управляемым положением токосъема посредством внешнего интерфейса. Закон зависимости значения сопротивления от положения "движка" может быть линейным, логарифмическим, а также программируемым пользователем. Монолитное исполнение с цифровым регулированием позволяет уменьшить мощность потребления, улучшить массогабаритные и эксплуатационные характеристики предлагаемого устройства.

Для реализации алгоритмов, необходимых для функционирования узла МК 1, могут быть использованы процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л18-Л21].

Для реализации основных узлов предлагаемого устройства могут быть также использованы решения, известные из авторских изобретений и полезных моделей [Л22-Л25].

На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемое устройство контроля электрических параметров и управления режимом заряда литиевой аккумуляторной батареи, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет существенно расширить функциональные возможности известного устройства-прототипа, связанные с управлением электрическими параметрами аккумуляторной батареи (АКБ), в том числе, по разгону/увеличению емкости или циклов ее заряда-разряда (АКБ) в соответствии со стратегиями типа РЕБ или РЦБ, выбираемыми/устанавливаемыми пользователем устройства в процессе обслуживания/заряда АКБ. Это позволяет успешно решить поставленную задачу, связанную с увеличением длительности автономной работы ПРУС от упомянутой АКБ, без увеличения ее габаритов и веса.

Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.

Основные узлы предлагаемого устройства контроля электрических параметров и управления режимом заряда литиевой аккумуляторной батареи изготовлены, экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов. Производимые изделия могут быть использованы для обслуживания/заряда литиевых аккумуляторных батарей, устанавливаемых в портативные радиоустройства и системы, к которым предъявляются повышенные требования по длительности автономной работы типа ОДАР или МДАР, при жестких ограничениях по массе и габаритам.

Таким образом, разработанное авторами устройства, обеспечивает успешное решение поставленной задачи, связанной с повышением длительности работы типа ОДАР или МДАР портативных устройств и систем от автономных источников электропитания типа литиевых аккумуляторных батарей, особенно, при наличии жестких требований к ним по массе и габаритам. Решение поставленной задачи достигается на основе применения к АКБ таких режимов обслуживания/заряда, при которых реализуется перераспределение ее ресурса в соответствии со стратегией типа РЕБ или РЦБ, обеспечивающих, соответственно, максимизацию/повышение показателя аккумуляторной батареи Т _о или N. На основе увеличении показателя Т_о или N достигается, соответственно, увеличение ОДАР или МДАР ПРУС, автономная работа которых обеспечивается узлом АКБ.

Предлагаемое устройство контроля электрических параметров и управления режимом заряда литиевой аккумуляторной батареи будет широко востребовано для обслуживания/заряда литиевых аккумуляторных батарей, преимущественно литий-ионных и литий-полимерных, устанавливаемых в портативные радиоустройства и системы (ПРУС), особенно для применений, где требуется обеспечить повышение длительности автономной работы ПРУС без увеличения их веса и габаритов.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Study of life evaluation methods for Li-ion batteries for backup applications, Kaoru Asakuraa, Makoto Shimomurab, Takahisa Shodaiaa, NTT Telecommunications Energy Laboratories, 3-1 Morinosato, Wakamiya, Atsugishi, Kanagawaken 243-0198, Japan NTT-BTI, Journal of Power Sources 119-121 (2003) 902-905, http://144.206.159.178/ft/641/92454/1607542.pdf

2. Срок службы литиевых аккумуляторов, http://www.fclab.ru/

3. Как продлить срок службы ионно-литиевой батареи, http://www.greg.su/2010/05/kak-prodlit-srok-sluzhby-ionno-litievym-batareyam/

4. Заряд Li-ion аккумуляторов, http://www.powerinfo.ru/accumulator-liion.

5. Некоторые особенности выбора и эксплуатации аккумуляторных батарей. Способы заряда, http://www.russianelectronics.ru/

6. Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Заряд Li-ion аккумуляторов. http://profitoolinfo.ru/articles/3796/

7. Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Заряд Li-ion аккумуляторов. http://profitoolinfo.ru/articles/3796/

8. Устройство для зарядки батарей, заявка на изобретение 2008138164/09 от 08.03.2007 г., дата публикации заявки: 10.05.2010 г.

9. Правила эксплуатации литиевых аккумуляторов, http://4pda.ru/2008/10/08/1155/

10. Некоторые особенности выбора и эксплуатации аккумуляторных батарей. Литий-ионные АБ. Зарядные устройства. http://www.russianelectronics.ru/leader-r/pechat/40476/

11. Зарядное устройство Robiton Арт. SmartCharger Plus http://www.robiton.ru/files/Robiton%20SmartCharger%20Plus.pdf

12. Stand-Alone, Switch-Mode Li + Battery Charger with Internal 28V Switch, Maxim Integrated Products, http://pdf.eicom.ru/datasheets/maxim_pdfs/max1758/max1758.pdf, Figure 1. Typical Application Circuit.

13. Микросхема МАХ1758, Stand-Alone, Switch-Mode Li + Battery Charger with Internal 28V Switch, Компании Maxim Integrated Products, http://pdf.eicom.ru/datasheets/maxim_pdfs/max1758/max1758.pdf

14. Датчики для измерения тока, http://www.rtcs.ru/hwsubtype.asp?id=204

15. Обзор PIC-контроллеров, http://elanina.narod.ru/lanina/index.files/avrpic

16. Семейство микроконтроллеров PIC18FX5XX с поддержкой шины USB2.0, http://www.trt.ru/products/microchip/pic18_2.htm

17. Цифровые потенциометры, http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Maxim/dp/

18. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Менеджер сенсора», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ 2009610444 от 20.11.2008 г.

19. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Программа приема и обработки аналоговых сигналов», Свидетельство о регистрации в ФИПС РФ 2011610486 от 11.01.2011 г.

20. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Менеджер преобразователя напряжения», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ 2008614983 от 16 октября 2008 г.

21. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Программа автоматизированной обработки данных», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ 2009613019 от 10.06.2009 г.

22. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель 98641 «Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности», зарегистрирован от 20 октября 2010 г.

23. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель 114226 «Устройство обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности», зарегистрирован от 10 марта 2012 г.

24. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель 114227 «Устройство заряда аккумулятора и защиты его от перегрузок», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 марта 2012 г.

25. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель 114228 «Устройство заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых прегрузок», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.03.2012 г.

Устройство контроля электрических параметров и управления режимом заряда литиевой аккумуляторной батареи, состоящее из индикатора, цепи установки тока заряда (ЦУТЗ), цепи установки конечного напряжения заряда (ЦУКНЗ), контроллера заряда батареи (КЗБ), датчика тока (ДТ), порта подключения аккумуляторной батареи (ППБ), термодатчика (ТД) и зарядной цепи (ЗЦ), которая своими с первого по третий портами соединена соответственно с источником напряжения, с первым портом узла ДТ и с первым портом узла КЗБ, который своими со второго по шестой портами соединен соответственно с первым портом узла ЦУТЗ, с первым портом узла ЦУКНЗ, с выходом узла ТД, со вторым портом узла ДТ, с третьим портом узла ДТ и узлом ППБ, и выполненное с возможностью безопасного обслуживания/заряда литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей (АКБ), отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены клавиатура и микроконтроллер (МК), который своими с первого по пятый портами соединен соответственно со входом индикатора, с выходом клавиатуры, со вторым портом узла ЦУТЗ, со вторым портом узла ЦУКНЗ и с седьмым портом узла КЗБ, при этом узлы ЦУТЗ и ЦУКНЗ выполнены в виде цифровых потенциометров, обеспечивающих возможность регулировки значений тока заряда (ТЗ) и конечного напряжения заряда (КНЗ) при выполнении процедур обслуживания/заряда (ПОЗ) узла АКБ, узел индикатора выполнен в виде дисплея, обеспечивающего возможность отображения цифровой, графической и символьной информации, необходимой для контроля данных, вводимых с клавиатуры, и отображения результатов выполнения ПОЗ узла АКБ, узел клавиатуры выполнен с возможностью ввода данных, необходимых для установки параметров ПОЗ узла АКБ, в том числе значений ТЗ и КПЗ, узел КЗБ выполнен с возможностью выполнения ПОЗ узла АКБ со значениями параметров ТЗ и КПЗ, задаваемыми узлом МК, который выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей настройку параметров узлов ЦУТЗ и ЦУКНЗ в соответствии с типом узла АКБ и требуемым режимом его обслуживания/заряда (РОЗ), в том числе РОЗ типа РЕБ, РЦБ или ССБ, при которых достигается соответственно разгон/увеличение емкости, разгон/увеличение количества циклов заряда-разряда или оптимизация соотношения между величиной емкости узла АКБ и количеством циклов его заряда-разряда, поддержку функций клавиатуры и дисплея, эмуляцию виртуального интерфейса, обеспечивающего отображение на дисплее различных окон и меню, позволяющих осуществлять установку и управление РОЗ узла АКБ и контролировать его электрические параметры (ЭП), например уровень заряда и значение емкости узла АКБ, обработку данных, полученных в процессе выполнения ПОЗ узла АКБ, и визуализацию результатов выполнения ПОЗ узла АКБ, в том числе отображение на дисплее значений ЭП узла АКБ и символьных и/или текстовых сообщений, обозначающих уровень его работоспособности.