Устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батарее (варианты)
Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации больших литий-ионных аккумуляторных батарей. Техническим результатом полезной модели является упрощение схемы реализации, повышение общей надежности системы за счет повышения надежности отдельных компонентов. В первом варианте устройства для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батареи, состоящей из последовательно соединенных модулей, каждый из которых содержит по меньшей мере, один аккумулятор, содержит преобразователь постоянного напряжения в переменное, предназначенный для подключения к выводам аккумуляторной батареи, к выходу которого последовательно синфазно подключены первичные трансформаторов, число которых равных числу модулей аккумуляторной батареи, вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, дополнительные обмотки всех трансформаторов соединены параллельно синфазно. Во втором варианте устройство снабжено преобразователями постоянного напряжения в переменное по числу модулей аккумуляторной батареи, каждый из которых подключен к выводам соответствующего модуля. При этом, с целью уменьшения времени межмодульной балансировки, увеличения ее точности и уменьшении потерь в сбалансированной батарее, устройство по второму варианту выполнения может быть снабжено контроллером, а преобразователи постоянного напряжения в переменное 3 в каждом модуле могут быть снабжены входом включения-выключения 8, соединенным с соответствующим выходом упомянутого контроллера. 2 независим, п-та ф-лы, 1 зависим, п-т ф-лы, 2 илл.
Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована при разработке и эксплуатации больших литий-ионных аккумуляторных батарей.
Техническим результатом полезной модели является упрощение схемы реализации, повышение общей надежности системы за счет повышения надежности отдельных компонентов.
Известно устройство нивелирования разбаланса напряжений на соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или батареях (RU 2156533 C1 7 H02J 7/00, H02J 7/34), в котором предлагается пассивное выравнивание напряжения отдельных аккумуляторных ячеек аккумуляторной батареи. Однако данное техническое решение энергетически неэффективно, т.к. приводит к непроизводительным потерям энергии. Кроме того, скорость и энергия выравнивания ограничены количеством рассеиваемой при этом энергии.
Известен способ балансировки напряжения отдельных ячеек аккумуляторной батареи (US 2011/0309795 A1), при котором каждая аккумуляторная ячейка снабжена отдельным трансформатором, входная обмотка которого для ячейки с низким потенциалом периодически циклично подключается к источнику постоянного напряжения, а напряжение вторичной обмотки через выпрямительный диод подается на заданную аккумуляторную ячейку. Недостатком данной системы является сложность ее реализации при большом количестве (например, более 15-20) аккумуляторных ячеек в составе батареи.
Наиболее близким к заявленному является «Батарея химических источников тока» (RU2230418C1, H02J 7/00). Суть изобретения заключается в питании трансформатора с числом вторичных обмоток, равном числу аккумуляторных ячеек в батарее, преобразовании их выходного напряжения в постоянное и, при необходимости, подаче этого напряжения на аккумуляторную ячейку, требующую подзаряда. Недостатком данной системы является, в случае применения в больших аккумуляторных батареях, сложность реализации трансформатора с большим количеством вторичных обмоток, при первичной обмотке, работающей при высоких амплитудах питающего напряжения.
Техническим результатом заявленной группы полезных моделей является упрощение конструкции трансформатора, уменьшение потерь в системе балансировки.
Поставленная цель в первом варианте достигается за счет того, что устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батареи, состоящей из последовательно соединенных модулей 1, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один аккумулятор 2, содержит преобразователь постоянного напряжения в переменное 3, предназначенный для подключения к выводам аккумуляторной батареи, к выходу которого последовательно синфазно подключены первичные трансформаторы 5, число которых равно числу модулей 1 аккумуляторной батареи, вторичные обмотки каждого трансформатора 5, число которых равно числу аккумуляторов 2 в модуле 1, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля 4, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой 6, дополнительные обмотки 6 всех трансформаторов 5 соединены параллельно синфазно.
Во втором варианте устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батареи, состоящей из последовательно соединенных модулей 1, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один аккумулятор, синхронизированные между собой преобразователи постоянного напряжения в переменное 3 по числу модулей аккумуляторной батареи 1, к выходу каждого преобразователя подключена первичная обмотка трансформатора 5, вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения 4 модуля 1, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой 6, дополнительные обмотки 6 всех трансформаторов 5 соединены параллельно синфазно.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен первый вариант полезной модели, на фиг.2 - второй вариант полезной модели.
Аккумуляторная батарея состоит из модулей 1.1-1.m, где m - целое число больше или равно 2, а каждый модуль содержит аккумуляторные ячейки 2, представляющие собой единичный аккумулятор или их параллельное - последовательное соединение, обеспечивающее требуемую емкость и напряжение. Преобразователь постоянного напряжения в переменное 3 запитывается полным постоянным напряжением аккумуляторной батареи и преобразует его в переменное напряжение. К выходам преобразователя 3 последовательно синфазно подключены первичные обмотки трансформаторов 5.1-5.m, вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле 1, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля 4.1-4.m, который осуществляет балансировку напряжений аккумуляторных ячеек через ключи в узле мониторинга и балансировки 4 по командам, формируемым в этом узле. Учитывая симметричность первичных обмоток трансформаторов 5, на холостом ходу на этих обмотках будут равные падения напряжения. При неравномерной загрузке трансформаторов 5, падения напряжения на первичных обмотках изменяются обратно пропорционально нагрузкам. При этом балансирующие токи в наиболее нагруженном трансформаторе существенно уменьшаться, что крайне нежелательно. Чтобы этого избежать, каждый трансформатор 5.1-5.m снабжен дополнительной обмоткой 6.1-6.m. Все дополнительные обмотки 6.1-6.m параллельно синфазно, что обеспечивает выравнивание напряжений первичных обмоток трансформаторов 5.1-5.m при их несимметричной загрузке. Действительно, при уменьшении падения напряжения на первичной обмотке, оно уменьшится и на дополнительной. Тогда в контуре дополнительных обмоток формируется ток, забирающий энергию от трансформаторов с более высокими напряжениями первичных обмоток, и этот процесс приводит к выравниванию напряжений на первичных обмотках всех трансформаторов, обеспечивая расчетный ток балансировки по всем балансировочным каналам.
Во втором варианте, представленном на фиг.2, преобразователи постоянного напряжения в переменное 3.1-3.m подключаются к выводам каждого модуля 1.1-1.m аккумуляторной батареи, синхронизируются между собой, к выводам каждого преобразователя 3 подключается первичная обмотка соответствующего трансформатора 5.1-5.m, вторичные обмотки каждого трансформатора соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля 4.1-4.m, который осуществляет балансировку напряжений аккумуляторных ячеек через ключи в узле мониторинга и балансировки 4 по командам, формируемым в этом узле. Но напряжения на модулях 1.1-1.m могут иметь различную величину. Для осуществления энергетического обмена между модулями, имеющими разную степень заряда, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой 6.1-6.m, через параллельно синфазное включение которых осуществляется выравнивание напряжений первичных обмоток при дисбалансе напряжений каждого модуля. Т.е. процесс выравнивания напряжений на первичных обмотках трансформаторов протекает аналогично вышеописанному и напряжения на первичных обмотках всех трансформаторов будут равны напряжению первичной обмотки трансформатора модуля с наибольшим зарядом. При этом энергия модуля с более высоким зарядом будет обеспечивать балансировку аккумуляторных ячеек с пониженным зарядом. Полная энергия модуля с более высоким зарядом уменьшается, повышая уровень заряда менее заряженных модулей, что обеспечивает межмодульное выравнивание.
Кроме того, с целью уменьшения времени межмодульной балансировки, увеличения ее точности и уменьшении потерь в сбалансированной батарее, преобразователи постоянного напряжения в переменное 3 в каждом модуле снабжены входом включения-выключения 8, а контроллер 7 снабжен выходными каналами, соединенными с входами включения-выключения 8 соответствующих преобразователей постоянного напряжения в переменное 3, обеспечивая для балансировки потребление энергии только от преобразователей постоянного напряжения в переменное 3 модулей с уровнем заряда выше среднего, или выключая все преобразователи постоянного напряжения в переменное 3 в случае полной сбалансированности элементов аккумуляторной батареи с заданной точностью.
1. Устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батарее, состоящей из последовательно соединенных модулей, каждый из которых содержит по меньшей мере один аккумулятор, содержащее преобразователь постоянного напряжения в переменное, предназначенный для подключения к выводам аккумуляторной батареи, к выходу которого последовательно синфазно подключены первичные обмотки трансформаторов, число которых равно числу модулей аккумуляторной батареи, вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, дополнительные обмотки всех трансформаторов соединены параллельно синфазно.
2. Устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батарее, состоящей из последовательно соединенных модулей, каждый из которых содержит, по меньшей мере один аккумулятор, содержащее синхронизированные между собой преобразователи постоянного напряжения в переменное по числу модулей аккумуляторной батареи, каждый из которых подключен к выводам соответствующего модуля, к выходу каждого преобразователя подключена первичная обмотка трансформатора, а вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, дополнительные обмотки всех трансформаторов соединены параллельно синфазно.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено контроллером, рассчитывающим среднее значение уровня заряда модулей, выявляющим модули с наиболее высоким зарядом и включающим преобразователи постоянного напряжения в переменное этих выявленных модулей, при этом в каждом модуле преобразователь постоянного напряжения в переменное снабжен входом включения-выключения, соединенным с соответствующим выходом контроллера.
