Устройство управления зарядом и разрядом литий-ионной аккумуляторной батареи

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам управления зарядом и разрядом (УУЗР) аккумуляторных батарей, в частности на основе литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Согласно полезной модели УУЗР ЛИАБ содержит зарядную и разрядную схемы, при этом зарядная схема включает: последовательно включенные высокочастотный инвертор с силовыми ключами, последовательный LC резонансный контур с энергозапасающим дросселем, выпрямитель, фильтр низкой частоты. Энергозапасающий дроссель может включать дополнительную обмотку L1, сигнал с которой используется в качестве опорного в системе фазовой автоподстройки частоты сигнала, управляющего процессом коммутации силовых ключей высокочастотного инвертора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам управления зарядом и разрядом батарей на основе литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).

Из известных устройств управления зарядом и разрядом ЛИАБ наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является УУЗР, содержащее зарядную и разрядную схемы (патент США 2011/0248680 A1, кл.. H02J 7/04, 2011). Недостатком известного устройства является избыточное тепловыделение в УУЗР и связанное с этим увеличение габаритных размеров.

Техническим результатом полезной модели является обеспечения надежности и безопасности эксплуатации за счет минимизации тепловыделения при обеспечении плотной компоновки.

Указанный технический результат достигается тем, что зарядная схема УУЗР включает: последовательно включенные высокочастотный инвертор с силовыми ключами, последовательный LC резонансный контур с энергозапасающим дросселем, выпрямитель, фильтр низкой частоты. Указанная зарядная схема обеспечивает минимальное тепловыделение за счет использования резонансного режима управления.

Целесообразно, чтобы УУЗР включало дополнительную обмотку L1, сигнал с которой используется в качестве опорного в системе фазовой автоподстройки частоты сигнала, управляющего процессом коммутации силовых ключей высокочастотного инвертора, при этом фаза сигнала подстраивается таким образом, что передний и задний фронты отпирающего импульса совпадают с моментом принятия нулевого значения тока энергозапасающего дросселя. Регулировка выходного напряжения инвертора при этом достигается изменением частоты следования отпирающих импульсов.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию новизна.

Сущность полезной модели поясняется функциональной схемой, описанием схемы и примером практической реализации.

На фиг. 1 представлена функциональная схема УУЗР.

УУЗР ЛИАБ 11, фиг. 1, содержит силовой ключ 10, датчик тока 9, цифровой контроллер управления 8, инвертор постоянного тока, включающий в себя силовой модулятор постоянного напряжения 5, резонансный контур, состоящий из энергозапасающего дросселя 1 и конденсатора 2, выпрямитель 3, фильтр низких частот 4, генератор импульсов с частотой управляемой микроконтроллером 7, синхронизируемый при помощи системы фазовой автоподстройки частоты сигнала 6.

Для снижения коммутационных потерь инвертора реализован резонансный режим управления. Его принцип состоит в следующем:

Переключение силовых транзисторов мостовой схемы инвертора осуществляется в моменты, когда величина тока в резонансном контуре близка к нулю (в идеале равна нулю). За счет этого переключение транзисторов осуществляется при минимальных потерях, что снижает их нагрев и, как следствие, общее тепловыделение в УУЗР ЛИАБ.

Пример практической реализации.

На основе вышеизложенного технического решения был разработан и изготовлен макетный образец УУЗР. УУЗР выполнен в виде корпуса, состоящего из двух крышек из литого алюминия и двух панелей для размещения разъемов, клемм и органов управления.

Степень защиты оболочки IP40. Габаритные размеры составляют 325×265×60 мм. Внутри корпуса размещается основная плата размером 288×238 мм, на которой размещаются контроллер с периферией для измерения параметров аккумуляторов, силовой инвертор зарядного устройства и разрядный коммутационный узел.

На фиг. 2 показан внешний вид макета УУЗР, в котором:

Силовой ключ 10 выполнен на четырех мощных полевых транзисторах IRFS3004-7P, соединенных параллельно;

Силовой модулятор постоянного напряжения 5 выполнен на мощных полевых транзисторах типа IRFS3004-7P;

Выпрямитель 3 выполнен на основе синхронно коммутируемых полевых транзисторов типа IRFS3036-7P;

Цифровой контроллер управления 8 реализован на плате микроконтроллера OLIMEXINO-STM32. Он осуществляет измерение напряжений аккумуляторов, тока заряда, температуры аккумуляторов и связь с внешними средствами программирования и контроля по интерфейсу RS232. Микроконтроллер формирует заданную циклограмму заряда аккумуляторной батареи, отключает зарядное устройство и цепи разряда в аварийных режимах;

Генератор импульсов 7 и система фазовой автоподстройки частоты сигнала 6 реализованы на ПЛИС Altera EPM3256ATC144-7.

Энергозапасающий дроссель 1 выполнен на сердечнике из феррита, на котором основная силовая обмотка выполнена литцендратом, а дополнительная тонким одножильным проводом;

Испытания макета показали, что при выходном напряжении УУЗР 29 В и выходном токе 30 А коэффициент полезного действия составил около 0,95.

При отсутствии синхронизации сигналов управления силового модулятора с моментами принятия током нулевых значения коэффициент полезного действия составил около 0,87.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленное в формуле полезной модели устройство может быть реализовано на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. оно соответствует критерию «промышленная применимость».

1. Устройство управления зарядом и разрядом литий-ионной аккумуляторной батареи (УУЗР ЛИАБ) с зарядной и разрядной схемами, отличающееся тем, что зарядная схема включает последовательно включенные высокочастотный инвертор с силовыми ключами, последовательный LC-резонансный контур с энергозапасающим дросселем, выпрямитель, фильтр низкой частоты.

2. Устройство управления зарядом и разрядом по п.1, отличающееся тем, что энергозапасающий дроссель включает дополнительную обмотку L1, сигнал с которой используется в качестве опорного в системе фазовой автоподстройки частоты сигнала, управляющего процессом коммутации силовых ключей высокочастотного инвертора.