Резервированный блок электроники для литий-ионной аккумуляторной батареи

Предложен резервированный блок электроники для контроля параметров и поддержания в рабочем состоянии литий-ионной аккумуляторной батареи, в дальнейшем АБ, состоящий из N последовательно соединенных аккумуляторов, N балансировочных резисторов, N байпасных переключателей, двух и более термодатчиков. Блок рассчитан на применение в космических аппаратах и осуществляет контроль напряжения на каждом аккумуляторе, напряжения на АБ, тока протекающего через АБ и передачу этой информации по последовательному интерфейсу в бортовой комплекс управления, прием из бортового комплекса управления релейных команд на переключение резерва, кодовых команд управления и их исполнение по включению байпасных переключателей и балансировочных резисторов АБ. Блок также формирует команду на изменение режима работы зарядно-разрядного устройства при достижении каким-либо параметром АБ критического значения. Блок работоспособен при одной возможной неисправности электрорадиоэлемента.

Литий-ионные аккумуляторы, будучи одним из видов аккумуляторов с высокой удельной электрической емкостью, привлекают внимание разработчиков аппаратуры различного назначения, в том числе для электропитания аппаратуры космических аппаратов.

Особенность применения литий-ионной аккумуляторной батареи, состоящей из N последовательно соединенных аккумуляторов, заключается в том, что для получения максимальной емкости заряда и длительного ресурса необходимо при ее циклировании выравнивание напряжений на аккумуляторах, поддержание требуемого ею температурного режима и обеспечение оптимальной циклограммы заряда.

Выравнивание напряжений на аккумуляторах осуществляется подключением параллельно любому аккумулятору балансировочного резистора, входящего в состав батареи. При использовании батареи в аппаратуре, к которой предъявляется требование повышенной надежности, а ремонтно-восстановительные работы в процессе эксплуатации невозможны или чрезвычайно затруднены, в состав батареи вводятся байпасные переключатели одноразового действия, которые в случае отказа какого-либо аккумулятора выводят его из состава батареи путем отключения и образования обводящей электрической цепи. Для обслуживания батареи и поддержания ее в рабочем состоянии необходимы электронные блоки, осуществляющие контроль напряжения каждого аккумулятора батареи, ее тока, температуры и обеспечивающие управление байпасными переключателями и коммутацию балансировочных резисторов.

При применении в аппаратуре космических аппаратов необходима передача информации о состоянии батареи пользователю, в данном случае в бортовой комплекс управления, а через него и в центр управления полетом, для принятия решений по поддержанию батареи в рабочем состоянии, приема от пользователя

команд управления по подключению балансировочных резисторов и включению байпасных переключателей.

Кроме этого, эти блоки должны обладать некоторой автономностью, обеспечивающей изменение режима работы аккумуляторной батареи при достижении некоторых критических параметров путем подачи в устройство управления зарядом-разрядом команд, и они должны сохранять работоспособность при возникновении одной возможной неисправности.

Известны устройства в той или иной мере реализующие предъявляемые требования [1-6]. Но ни одно из них не обеспечивает выполнение всех требований.

Наиболее близко по технической сущности является устройство [6], для обслуживания и поддержания в рабочем состоянии литий-ионных аккумуляторов, содержащее средство контроля электрических параметров аккумуляторов, имеющее в модуле управление и отработки информации выходы для передачи данных пользователю и управления зарядом-разрядом. Данное устройство не позволяет осуществлять балансировку аккумуляторов, отключение отказавшего аккумулятора, не имеет резерва.

Предлагаемое устройство позволяет устранить указанные недостатки, и кроме того обеспечить высокую точность контроля параметров аккумуляторов, что повышает эффективность и надежность использования аккумуляторной батареи.

На фиг.1 - представлена структурная схема резервированного блока электроники, на фиг.2 - структурная схема устройства контроля блока электроники и на фиг.3 - структурная схема резервированного коммутатора.

На структурной схеме фиг.1 показаны литий-ионная аккумуляторная батарея 1, в дальнейшем батарея, датчик тока, например, шунт 2, модуль управления и обработки информации 3, имеющий в своем составе три устройства контроля 3.1-3.3, три устройства управления 3.4-3.6, два модуля обмена 3.7-3.8, устройство управления байпасными переключателями 4, устройство коммутации балансировочных резисторов 5, устройство управления зарядом -

разрядом аккумуляторной батареи 6, устройство приема релейных команд 7, аппаратура пользователя 8.

Устройства контроля, устройства управления и модули обмена связаны между собой тремя каналами внутреннего последовательного интерфейса 9, а модули обмена, связаны с аппаратурой пользователя 8 по мультиплексному каналу обмена 10.

На структурной схеме фиг.2 показаны источник опорного напряжения 11, мультиплексоры 12 и 13, аналого-цифровой преобразователь 14, в дальнейшем АЦП, устройство последовательного интерфейса 15, микроконтроллер 16.

На фиг.3 показана схема резервирования коммутаторов, состоящая из четырех ключей 19-22, управление на которые подается по трем каналам 23-25, причем два сигнала поступают на ключ 19 через схему ИЛИ 26.

Схема (фиг.1) работает следующим образом. Устройства контроля принимают напряжения с аккумуляторов и датчиков температуры и тока, преобразуют их в код и по внутриблочному интерфейсу 9 передают в модули обмена 3.7 или 3.8. В случае превышения каким-либо параметром батареи предельных значений, устройства контроля выдают соответствующие сигналы на изменение режима работы зарядно-разрядного устройства. В работе всегда находится один из модулей обмена 3.7 или 3.8. Переключение резерва осуществляется из аппаратуры пользователя 8 релейными командами, которые поступают в модули обмена через устройство приема релейных команд 7.

Команды управления на включение балансировочных резисторов или байпасных переключателей поступают из аппаратуры пользователя через модуль обмена и внутриблочный интерфейс 9 в устройства управления 3.4-3.6. Устройства управления независимо друг от друга формируют команды на включение балансировочных резисторов или байпасных переключателей. Коммутаторы в устройствах 4 и 5 собраны по схеме мажоритарно-резервированных элементов, в которых реализован принцип работы два из трех, показанный на фиг.3.

Устройство контроля (фиг.2) работает следующим образом.

Микроконтроллер 16 формирует необходимые команды на управление работой мультиплексоров. При этом перед измерением параметров осуществляется калибровка АЦП по прецизионному источнику опорного напряжения (стабилитрон 2С117).

В качестве аналоговых ключей используются оптореле. Напряжения с термодатчиков и датчика тока поступают на вход 18 АЦП, который настраивается на работу с малыми напряжениями до 0,2 В, напряжения аккумуляторов поступают через мультиплексор на вход 17, который настраивается на работу с напряжениями до 5 В. В качестве АЦП используется микросхема 1273ПВ1Р. Микроконтроллер принимает от АЦП информацию и через устройство последовательного интерфейса 15 передает ее в модуль обмена. Кроме этого, при достижении предельных параметров батареи, микроконтроллер выдает в устройство управления зарядом-разрядом команды на изменение режима заряда-разряда батареи.

Литература

1. Заявка РФ на изобретение 2006121543 от 2003.11.20, МПК Н01М 10/44, опубл. 2008.01.10, автор ПЕЛЛЕНК Роже (FR).

2. Патент РФ на изобретение 2313168 от 03.04.2006 МПК H02J 7/02, опубл. 20.12.2007 бюл. 35, авторы АРАДАЧИ Такао (JP), ФУНАБАШИ Кадзухико (JP), ХАНАВА Хироюки (JP), ОГУРА Масаюки (JP).

3. Заявка РФ на изобретение 2006121550 от 2003.11.20 FR МПК H02J 7/00, опубл. 2007.12.27, автор ПЕЛЛЕНК Роже (FR).

4. Патент РФ на изобретение 2248656 от 2002.12.06 МПК 7 H02J 7/02, Н01М 10/44, Н01М 10/46 опубл. 2005.03.20, авторы Груздев А.И., Кузовков А.В.

5. Заявка РФ на изобретение 2006121544 от 2003.11.20 FR МПК H02J 7/00 опубл. 2008.01.10, автор ПЕЛЛЕНК Роже (FR).

6. Патент РФ на полезную модель 57970, МПК М 10/42, от 29.05.2006, Бюл. 30 от 27.10.2006.

1. Резервированный блок электроники для обслуживания и поддержания в рабочем состоянии литий-ионной аккумуляторной батареи, имеющей в своем составе N последовательно соединенных аккумуляторов, N байпасных переключателей, N балансировочных резисторов и два или более датчика температуры, содержащий датчик тока аккумуляторной батареи, модуль управления и обработки информации, состоящий из нескольких электрически связанных между собой узлов и имеющий входы для подключения датчика тока, датчиков температуры, цепей контроля напряжения каждого аккумулятора и два выхода, первый для подключения к аппаратуре пользователя, второй - к устройству управления зарядом-разрядом аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что для расширения функциональных возможностей, повышения надежности и эффективности использования аккумуляторной батареи в блок введены устройство управления байпасными переключателями, устройство коммутации балансировочных резисторов, устройство приема релейных команд, причем первые два устройства электрически связаны соответственно с байпасными переключателями и балансировочными резисторами аккумуляторной батареи, а третье устройство - с аппаратурой пользователя, при этом модуль управления и обработка информации содержит упомянутые выше электрически связанные между собой узлы в составе трех устройств контроля параметров аккумуляторной батареи, трех устройств управления и двух модулей обмена, причем модули обмена электрически связаны с устройством приема релейных команд и аппаратурой пользователя, устройства управления электрически связаны с устройствами управления байпасными переключателями, устройством коммутации балансировочных резисторов, а устройства контроля электрически соединены через упомянутые выше входы модуля управления и обработки информации с датчиками тока, температуры, каждым аккумулятором и устройством управления зарядом-разрядом аккумуляторной батареи.

2. Резервированный блок электроники по п.1, отличающийся тем, что каждое устройство контроля содержит два мультиплексора, источник опорного напряжения, аналого-цифровой преобразователь с двумя входами, микроконтроллер, устройство последовательного интерфейса с гальванически развязанным выходом и электрически связанным с обоими модулями обмена, при этом первый мультиплексор входами подключен к каждому аккумулятору, выходом к первому входу аналого-цифрового преобразователя, второй мультиплексор подключен входами к датчику тока, датчикам температуры, а выходом ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, источник опорного напряжения через мультиплексоры подключен к обоим входам аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллер электрически связан с аналого-цифровым преобразователем, устройством последовательного интерфейса и входами управления мультиплексоров.

3. Резервированный блок электроники по п.2, отличающийся тем, что мультиплексоры выполнены на аналоговых ключах с гальванической развязкой элементов коммутации и элементов их управления.

4. Резервированный блок электроники по п.3, отличающийся тем, что аналоговые ключи выполнены на оптореле.