Выравнивающее устройство для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями
Выравнивающее устройство для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями 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 узел балансировки каждого накопителя состоит из двух отдельных специализированных DC/DC преобразователей: маломощного обратноходового, работающего в режиме ограничения мощности для передачи энергии из накопителя в энергообменную магистраль постоянного тока и мощного прямоходового преобразователя напряжения с фиксированным жестким коэффициентом передачи напряжения (трансформации) для передачи энергии из магистрали в накопитель. Технический результат заявленной полезной модели состоит в том, что благодаря использованию более мощного прямоходового преобразователя имеется возможность направлять большой поддерживающий ток в нуждающийся накопитель из энергообменной изолированной магистрали постоянного тока, энергия в которую подается от большого числа «донорских» накопителей с помощью менее мощных обратноходовых преобразователей, что позволяет за ограниченное время разряда компенсировать не только утечки, но и дефицит заряда в нескольких «наихудших» накопителях.
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 высокоэнергоемких аккумуляторных 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 является 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 между отдельными элементами батареи (электрическими накопителями энергии) путем селективного шунтирования отдельных элементов батареи с помощью резисторов в системе управления батареей с пассивной балансировкой [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, поскольку выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батареи.
Известна иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии, запитанная от самой батареи [статья «Особенности построения аппаратуры контроля и защиты высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей для систем электроснабжения космических аппаратов» / Труды НПП «ВНИИЭМ», 2011, т.123 4, с.29-34 авторы М.Ф. Ганзбург, А.И, Груздев, В.И. Трофименко (ОАО «АВЭКС»)].
Известная система на нижнем уровне управления содержит модули электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния, а также устройствами выравнивания, коммутации, контроля и управления, связанными по последовательному каналу связи с модулем измерения тока и контроллером последовательного канала на среднем уровне управления, подключенным по последовательному каналу связи с блоком управления батареей верхнего уровня управления, подключенным к бортовому зарядному устройству. Устройство активного выравнивания на нижнем уровне управления построено с использованием трансформаторной схемы, осуществляющей перераспределение энергии внутри батареи между накопителями модуля [патент РФ на полезную модель 37884, опубл. 10.05.2004 г.].
Однако известная иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии имеет следующий основной недостаток, заключающийся в сложности реализации активного метода выравнивания с помощью предложенной в ней трансформаторной схемы применительно к высоковольтной батарее с большим числом последовательно соединенных накопителей (до 160 шт.), предназначенной для использования на транспорте, поскольку трансформатор в прототипе должен иметь рабочие обмотки по числу накопителей на одном сердечнике. Реально удается охватить таким трансформатором не более 8-10 накопителей в модуле (в прототипе 8 шт.), в связи с чем остается не решенной проблема межмодульного выравнивания.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данной модели является иерархическая система управления батарей электрических накопителей энергии, в которой каждый из последовательно соединенных электрических накопителей энергии имеет на нижнем уровне управления блок управления единичным накопителем, запитанный от накопителя и связанный на среднем уровне управления через внутримодульный гальванически развязанный последовательный канал связи с соответствующим блоком управления модулем электрических накопителей, запитанный от модуля и подключенный на верхнем уровне управления через межмодульный гальванически развязанный последовательный канал связи с запитанным от батареи боком управления батареей [патент РФ на полезную модель 123251, опубл. 20.12.2012 г.]. Блок управления накопителем в известной системе, принятой за прототип, состоит из устройства контроля и управления на основе микроконтроллера и активного выравнивающего устройства на основе трансформаторной схемы, выполненного в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя батареи в сквозную для батареи накопительную линию постоянного тока и обратно по типу обратно-ходового преобразователя напряжения.
Известная трехуровневая система управления батареей электрических накопителей энергии с активной схемой выравнивания и накопительной линией охватывает любое количество накопителей и позволяет перераспределять энергию между ними независимо от их месторасположения.
Однако недостатком известного выравнивающего устройства на двунаправленных обратноходовых преобразователях для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с использованием накопительной линии в качестве энергообменной электрической магистрали постоянного тока является ограничение на принимаемую из линии мощность из-за неэффективности обратноходового преобразователя для передачи большой мощности. Малая передаваемая мощность ограничивает применение системы только компенсацией разбаланса накопителей батареи из-за явлений саморазряда и не позволяет компенсировать разброс емкости накопителей, оставляя разрядную характеристику батареи соответствующей характеристике наихудшего накопителя.
Перед заявленной полезной моделью поставлена задача создания выравнивающего устройства для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока, позволяющего полностью использовать энергетический потенциал батареи, предотвращая наиболее неблагоприятную ситуацию, когда работа на нагрузку прекращается из-за разрядки накопителя наименьшей емкости.
Поставленная задача решается тем, что предложено выравнивающее устройство для каждого накопителя иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями, запитанное от батареи и содержащее повышающий обратноходовый DC/DC преобразователь напряжения, подключенный по входу к соответствующему накопителю через микроконтроллерное устройство контроля и управления блока управления накопителем, по выходу к энергообменной магистрали постоянного тока, а по входу управления к первому управляющему выходу микроконтроллерного устройства контроля и управления блока управления накопителем иерархический системы управления батареей.
Новым в предложенном выравнивающем устройстве является то, что выравнивающее устройство содержит понижающий прямоходовый DC/DC нерегулируемый преобразователь напряжения с жесткой передаточной характеристикой, подключенный по входу к энергообменной магистрали постоянного тока, по выходу - к соответствующему накопителю через микроконтролерное устройство контроля и управления и по входу управления ко второму управляющему выходу микроконтроллерного устройства контроля и управления блока управления накопителем иерархической системы управления батареей.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в том, что благодаря использованию более мощного прямоходового преобразователя имеется возможность направлять большой поддерживающий ток в нуждающийся накопитель из энергообменной изолированной магистрали постоянного тока, энергия в которую может быть подана от большого числа «донорских» накопителей с помощью менее мощных обратноходовых преобразователей, что позволяет компенсировать дефицит заряда в нескольких «наихудших» накопителях за ограниченное время разряда.
На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленного выравнивающего устройства.
Заявленное выравнивающее устройство 1 для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии 2 с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока 3 и блоками управления накопителями 4 содержит обратноходовый повышающий DC/DC преобразователь напряжения 5 и прямоходовый нерегулируемый понижающий DC/DC преобразователь напряжения 6. Обратноходовый DC/DC преобразователь напряжения 5 по входу подключен через микроконтроллерное устройство контроля и управления 7 блока управления накопителем 4 иерархической системы управления батареей к соответствующему накопителю 2 батареи и к выходу прямоходового DC/DC преобразователя напряжения 6, вход которого подключен к энергообменной магистрали постоянного тока 3, подключенной к выходу обратноходового DC/DC преобразователя напряжения 5, вход управления которого соединен с первым управляющим выходом микроконтроллерного устройства контроля и управления 7 блока управления накопителем 4 иерархической системы управления батареей. Второй управляющий выход микроконтроллерного устройства контроля и управления 7 подключен к входу управления прямоходового DC/DC преобразователя напряжения 6, а выход последовательного интерфейса соединен с последовательным каналом связи 8 иерархической система управления батареей.
Заявленное выравнивающее устройство для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями работает следующим образом.
В процессе зарядки батареи от зарядного устройства, зарядный ток проходит через все последовательно соединенные электрические накопители 2 батареи, заряжая их до контролируемой микроконтроллерными устройствами контроля и управления величины напряжения. При достижении этой величины на любом единичном накопителе 2 до заданного максимального значения, хранящегося в качестве уставок в памяти микроконтроллера блока управления батареей (на чертеже не показаны) верхнего уровня управления, последний разрывает зарядную цепь батареи с помощью имеющегося в иерархической системе управления батареей коммутатора (на чертеже не показан) и через последовательный канал связи 8 и соответствующее устройство контроля управления 7 запускает в работу обратноходовые DC/DC преобразователи напряжения 5, соответствующие заряженным быстрее других накопителям 2, передавая энергию из них в другие недозаряженные накопители 2 через соответствующие прямоходовые преобразователи 6. После чего зарядное устройство батареи подключается снова. Таким образом осуществляется селективное выравнивание с перераспределением энергии между накопителями 2 батареи с накопление данных процесса зарядной балансировки. Указанная процедура балансировки батареи в процессе ее зарядки позволяет достичь максимального заряда в каждом накопителе 2 к окончанию зарядки. При разрядке получение всей энергии из батареи ограничивается в первую очередь моментом разряда накопителя с наименьшей емкостью, известного в иерархической системе управления батареи за счет накопления статистических данных. Предотвращение преждевременного разряда нескольких накопителей 2 с наименьшей емкостью путем добавления в них заряда балансировочным током дает наибольший эффект в выигрыше полезной емкости батареи. Поддержка таких накопителей может производиться за время разрядки, при чем при разряде за непродолжительное время требуется значительный ток «поддержки». Необходимая энергия для указанного тока поддержки может быть распределена на большое количество «хороших» и «средних» накопителей, также известных иерархической системе управления батареей за счет накопления статистических данных. При построении балансировочной системы с объединяющей энергообмненной магистралью постоянного тока 3 задача выравнивания заряда решается сочетанием в балансировочных узлах 1 блоков управления накопителями 4 двух специализированных преобразователей: обратноходового в токовом режиме (с фиксированной мощностью) 5 для передачи энергии в энергообменную магистраль 3 и мощного прямоходового DC/DC преобразователя 6 для передачи энергии из энергообменной магистрали 3 в накопитель 2. Благодаря «мягкой» нагрузочной характеристике подающих энергию в энергообменную магистраль работающих в токовом режиме обратноходовых преобразователей 5 мощный нерегулируемый прямоходовой преобразователь 6 из магистрали 3 с жестким коэффициентом преобразования по напряжению устанавливает в энергообменной магистрали 3 напряжение равным напряжению на накопителе 2, умноженному на его коэффициент преобразования. Поскольку для поддержки накопителя имеется возможность включать на отдачу энергии в магистраль постоянного тока 3, предположительно, до 80% накопителей с избыточным и неиспользуемым зарядом, можно устанавливать соотношение мощностей DC/DC преобразователей 5 и 6 от 1:5 до 1:30. По сравнению с системой с применением балансировочных узлов на симметричных двунаправленных обратноходовых преобразователях предложенное выравнивающее устройство 1 позволяет достичь высокой передаваемой мощности и большого балансировочного тока за счет получения требуемой энергии из большого числа накопителей и применения более эффективного прямоходового преобразователя, например резонансного или квазирезонансного типа, в качестве которого могут быть выбраны модули IB050E120T32N1-00 4:1:Up to 300 W Output или IB050E96T48N1-00 1:5 500 W Output фирмы Vicor Intermediate Buc Converter Module.
Выравнивающее устройство для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями, запитанное от батареи и содержащее повышающий обратноходовый DC/DC преобразователь напряжения, подключенный по входу к соответствующему накопителю батареи через микроконтроллерное устройство контроля и управления блока управления накопителем, по выходу к энергообменной изолированной магистрали постоянного тока и по входу управления к первому управляющему выходу микроконтоллерного устройства контроля и управления блока управления накопителем, выход последовательного интерфейса которого соединен с последовательным каналом связи иерархической системы управления батареей, отличающееся тем, что выравнивающее устройство содержит прямоходовый DC/DC нерегулируемый понижающий преобразователь напряжения с жесткой передаточной характеристикой, подключенный по входу к энергообменной изолированной магистрали постоянного тока, по выходу к соответствующему накопителю батареи через микроконтроллерное устройство контроля и управления блока управления накопителем и по входу управления ко второму управляющему выходу микроконтроллерного устройства контроля и управления блока управления накопителем иерархической системы управления батареей.
