RU2461101C1

RU2461101C1 - Method for operation of lithium-ion accumulator battery in autonomous power supply system

Info

Publication number: RU2461101C1
Application number: RU2010153274/07A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Коротких (RU); Виктор Владимирович Коротких; Сергей Григорьевич Кочура (RU); Сергей Григорьевич Кочура; Михаил Владленович Нестеришин (RU); Михаил Владленович Нестеришин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2012-09-10
Also published as: RU2010153274A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: method for operation of a lithium-ion accumulator battery in an autonomous power supply system consists in conductance of charges, storage in charged condition, recharges, whenever required, discharges, accumulators voltage control and accumulators periodical voltage balancing by way of selecting the accumulators with the lowest voltage, connection of the other accumulators to individual balancing resistors with subsequent disconnection of the corresponding resistors when voltage on the corresponding accumulators reaches the initially selected accumulator voltage level. According to the invention, upon completion or in the course of balancing one additionally performs the accumulators anticipatory voltage disbalancing relative to the initially selected accumulator voltage level.

EFFECT: simplification of operation and increased efficiency of usage of a lithium-ion accumulator battery in an autonomous power supply system.

2 cl, 1 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей в автономной системе электропитания, преимущественно искусственного спутника Земли (ИСЗ).The claimed invention relates to the electrical industry and can be used in the development and operation of lithium-ion batteries in an autonomous power supply system, mainly an artificial Earth satellite (AES).

Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способ их эксплуатации, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанные в книге А.А.Таганова, Ю.И.Бубнов, С.Б.Орлов. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. Санкт-Петербург, Химиздат, 2005 г., глава 5, 7.Known lithium-ion batteries and the method of their operation, which consists in conducting charge-discharge cycles and monitoring the voltage of the batteries and described in the book by A.A. Taganov, Yu.I. Bubnov, S.B. Orlov. Sealed chemical current sources. Elements and batteries. Equipment for testing and operation. St. Petersburg, Khimizdat, 2005, chap. 5, 7.

Однако в данной работе не рассмотрены особенности технологии эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей.However, in this work, the features of the technology of operation of lithium-ion batteries are not considered.

Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способ их эксплуатации, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанный в книге Д.А.Хрусталев. Аккумуляторы. М., Изумруд, 2003 г., глава 4. В данной работе отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда только по текущим значениям напряжений аккумуляторов. При этом отмечается, что перезаряд и переразряд аккумуляторов категорически недопустим, и в аккумуляторных батареях должны быть предусмотрены средства защиты. Однако известная информация касается в основном наземного применения литий-ионных аккумуляторных батарей в мобильных телефонах и компьютерной технике и не решает вопросов надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.Known lithium-ion batteries and the method of their operation, which consists in conducting charge-discharge cycles and monitoring the voltage of the batteries and described in the book D.A. Khrustalev. Batteries M., Emerald, 2003, chapter 4. In this paper, a very low internal resistance of the batteries and the ability to control charge-discharge processes only by the current values of the battery voltage are noted. It is noted that overcharging and overdischarging of batteries is categorically unacceptable, and protective equipment should be provided in batteries. However, the known information relates mainly to the ground-based use of lithium-ion batteries in mobile phones and computer equipment and does not solve the issues of reliable operation over a long life in the satellite.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ. 563561. 002 ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар).The closest technical solution is a method of operating a lithium-ion battery, which consists of charge-discharge cycles, monitoring the voltage of the batteries and balancing the voltage of the batteries during operation by sub-discharging the batteries into resistors until the voltage reaches the voltage of the most discharged (least charged) voltage. a battery (“Battery 6LI-25, ZhTsPI. 563561. 002 PS”, developed and manufactured by the company Saturn OJSC, Krasnodar city).

В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ. 563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения отличия в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ.In the well-known lithium-ion rechargeable battery 6LI-25, according to ZHSPI. 563561.002 substations, periodically monitor the voltage of the batteries and, if the difference in the cell-by-cell voltages of the most charged and least charged batteries exceeds 25 mV, they align the batteries by capacity by discharging more charged batteries to the balancing resistors to reduce the difference in battery voltage of not more than 10 mV.

Этот способ принят за прототип заявляемого изобретения.This method is adopted as a prototype of the claimed invention.

Недостатком известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости (путем балансировки аккумуляторов по напряжению), реализованного известной аккумуляторной батареей, является то, что процесс выравнивания может проводиться достаточно часто, особенно если один из аккумуляторов имеет повышенный саморазряд. При этом разряд будет ограничиваться именно по этому аккумулятору, а ограничение заряда будет осуществляться всегда по другим аккумуляторам, имеющим напряжение выше аккумулятора с повышенным саморазрядом. Это снижает эффективность использования литий-ионной аккумуляторной батареи и усложняет процесс ее эксплуатации.A disadvantage of the known method of aligning the batteries by capacity (by balancing the batteries by voltage) implemented by the known battery is that the alignment process can be carried out quite often, especially if one of the batteries has a high self-discharge. In this case, the discharge will be limited to this particular battery, and the charge will always be limited to other batteries having a voltage higher than the battery with increased self-discharge. This reduces the efficiency of using a lithium-ion battery and complicates the process of its operation.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение эксплуатации и повышение эффективности использования литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания.The task of the invention is to simplify operation and increase the efficiency of using a lithium-ion battery in an autonomous power supply system.

Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии, подзарядов, при необходимости, разрядов, контроле напряжения аккумуляторов и периодической балансировке аккумуляторов по напряжению путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением, подключения к оставшимся аккумуляторам индивидуальных разрядных резисторов, с последующим отключением соответствующих резисторов при достижении напряжения на соответствующих аккумуляторах уровня напряжения первоначально выбранного аккумулятора, по завершении балансировки или в процессе ее проведения дополнительно проводят упреждающую разбалансировку аккумуляторов по напряжению относительно напряжения первоначально выбранного аккумулятора путем подключения или блокировки предшествующего отключения индивидуальных разрядных резисторов, с последующим отключением соответствующих резисторов через время, равное или пропорциональное времени нахождения их в подключенном состоянии на предшествующей балансировке.The problem is solved in that when carrying out charges, storing in a charged state, recharging, if necessary, discharging, monitoring the voltage of the batteries and periodically balancing the batteries by voltage by selecting the battery with the lowest voltage, connecting individual discharge resistors to the remaining batteries, and then disconnecting the corresponding resistors when the voltage on the respective batteries reaches the voltage level of the originally selected battery, according to During balancing, or in the process of balancing, they additionally proactively unbalance the batteries in terms of voltage relative to the voltage of the initially selected battery by connecting or blocking the previous disconnection of individual discharge resistors, followed by disconnecting the corresponding resistors after a time equal to or proportional to the time they were in the connected state on the previous balancing.

Действительно, введение упреждающей разбалансировки не выводит за рамки требований по допустимой разбалансировке аккумуляторов по емкости (напряжению), но до 2 раз увеличивает период времени до проведения следующей балансировки аккумуляторов по напряжению, что упрощает эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи. Кроме того, в течение времени до следующей балансировки эффективная емкость аккумуляторной батареи будет меняться (по синусоиде) с максимумом в средине межбалансировочного периода, что позволяет планировать более эффективное использование литий-ионной аккумуляторной батареи в определенные периоды времени.Indeed, the introduction of proactive imbalance does not go beyond the requirements for permissible unbalancing of batteries in terms of capacity (voltage), but up to 2 times increases the period of time until the next battery balancing in voltage, which simplifies the operation of a lithium-ion battery. In addition, during the time until the next balancing, the effective battery capacity will change (in a sinusoid) with a maximum in the middle of the inter-balancing period, which allows us to plan a more efficient use of the lithium-ion battery in certain periods of time.

На чертеже, фиг.1, приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, поясняющая работу по предлагаемому способу.In the drawing, FIG. 1, a simplified functional diagram of an autonomous satellite power supply system is illustrated, explaining the work of the proposed method.

Устройство содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3.The device contains a solar battery 1 connected to the load 2 through a voltage converter 3, a battery 4 connected through a charging converter 5 to the solar battery 1, and through a discharge converter 6 to the input of the output filter of the voltage converter 3.

При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.At the same time, load 2 in its composition contains an on-board computer, a telemetry system and a command-measuring radio line.

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторов 7 (в частности, напряжения аккумуляторов) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).In parallel with the battery 4, a battery monitoring device 7 (in particular, battery voltage) of the battery is connected, connected to the input with the battery 4, and the output with a load of 2 (with the on-board computer).

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.A measuring shunt 8 is installed in the charge-discharge circuit of the battery.

Аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 4-1, параллельно которым подключены балансировочные резисторы 4-2 через замыкающиеся контакты 4-3 реле в блоке реле 4-4.The battery consists of series-connected batteries 4-1, in parallel with which balancing resistors 4-2 are connected through the closing contacts 4-3 of the relay in the relay block 4-4.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 15, транзисторах 16 и выпрямителя на диодах 17.The charging converter 5 consists of a control key 9, controlled by a control circuit 10, a boost assembly made on a transformer 15, transistors 16 and a rectifier on diodes 17.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.Bit Converter 6 consists of a control key 11, controlled by a control circuit 12.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра - конденсатор 18 и выходного фильтра на диоде 19, дросселе 20 и конденсаторе 21.The voltage Converter 3 consists of a control key 13, controlled by a control circuit 14, the input filter is a capacitor 18 and the output filter on the diode 19, the inductor 20 and the capacitor 21.

Схемы управления 10, зарядного преобразователя 5, 12, разрядного преобразователя 6 и 14, преобразователя напряжения 3 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с измерительным шунтом 8 и нагрузкой 2 в качестве обратных связей по величине зарядного тока и напряжения нагрузки соответственно.The control circuit 10, the charging converter 5, 12, the discharge converter 6 and 14, the voltage converter 3 are made in the form of pulse-width modulators, the input connected to the stabilized voltage buses. The control circuit 10 of the charging Converter 5 is additionally connected with the measuring shunt 8 and the load 2 as feedback on the magnitude of the charging current and load voltage, respectively.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности для прохождения штатных теневых участков орбиты или на случай потери ориентации солнечной батареи ИСЗ на Солнце.The device operates as follows. During operation, the battery 4 operates mainly in the storage mode and periodic recharges from the solar battery 1 through the charging converter 5. This operating mode allows you to keep it in constant readiness for the passage of regular shadow areas of the orbit or in case of loss of orientation of the solar satellite satellite in the sun.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.Power supply load 2 is provided from the solar battery 1 through the voltage Converter 3.

При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.When passing shadow portions of the orbit or in violation of the orientation, the load 2 is powered by the battery 4 through the discharge converter 6.

Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует напряжение аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2, в которой реализуются следующие технологические операции:The battery monitoring device 7 monitors the voltage of the batteries and transmits information about their condition to load 2, in which the following technological operations are implemented:

1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов, оценивается текущая емкость аккумуляторов и разница в текущей емкости аккумуляторов.1. Data on the current value of the battery voltage is processed, the current battery capacity and the difference in the current battery capacity are estimated.

2. При снижении текущей емкости (напряжения) аккумуляторов до определенного, выбранного на этапе проектирования системы электропитания значения разблокируется заряд (подзаряд) аккумуляторной батареи, и при наличии избыточной мощности солнечной батареи 1 включается заряд аккумуляторной батареи 4, при этом факт включения заряда фиксируется бортовой ЭВМ по появлению тока заряда - сигнал с шунта 8. В случае достижения разницы в текущей емкости аккумуляторов 4-1 существенного значения, так же выбранного на этапе проектирования системы электропитания, запускается процесс балансировки аккумуляторов по напряжению. К аккумуляторам 4-1 подключаются индивидуальные разрядные резисторы 4-2 (соответствующие контакты 4-3 замыкаются), за исключением аккумулятора, имеющего самое низкое напряжение (самого разряженного аккумулятора). Фиксируется время подключения индивидуальных разрядных резисторов. После достижения напряжения балансируемых аккумуляторов текущего значения напряжения самого разряженного аккумулятора запускается программный таймер на отключение соответствующего индивидуального разрядного резистора 4-2 через время, равное (или пропорциональное) времени предшествующего разряда. По истечении этого времени соответствующий индивидуальный разрядный резистор отключается посредством размыкания соответствующего контакта 4-3 реле блока реле 4-4. Управление блоком реле 4-4 реализуется, по программе в бортовой ЭВМ, через устройство контроля аккумуляторов 7.2. When the current capacity (voltage) of the batteries decreases to a certain value selected at the stage of designing the power supply system, the charge (recharge) of the battery is unlocked, and if there is excessive power of the solar battery 1, the charge of the battery 4 is turned on, and the fact that the charge is turned on is recorded by the on-board computer by the appearance of the charge current - a signal from shunt 8. If the difference in the current capacity of the batteries 4-1 reaches a significant value, also selected at the design stage of the electrical system Ethan, starts the process of balancing the battery voltage. Individual discharge resistors 4-2 are connected to the batteries 4-1 (the corresponding contacts 4-3 are closed), with the exception of the battery having the lowest voltage (the most discharged battery). The time for connecting individual discharge resistors is fixed. After the voltage of the balanced batteries reaches the current voltage value of the discharged battery itself, a program timer starts to turn off the corresponding individual discharge resistor 4-2 after a time equal to (or proportional to) the time of the previous discharge. After this time, the corresponding individual discharge resistor is disconnected by opening the corresponding contact 4-3 of the relay block of the relay 4-4. The control of the relay block 4-4 is implemented, according to the program in the on-board computer, through the battery monitoring device 7.

3. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, по результатам анализа телеметрических данных о величине напряжений аккумуляторов на конец окончания заряда, периодически, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию корректируют при необходимости величину существенной разницы в напряжениях аккумуляторов и величину коэффициента пропорциональности для упреждающей разбалансировки аккумуляторов.3. During the operation of the battery, according to the results of the analysis of telemetric data on the voltage of the batteries at the end of the charge, periodically, according to commands from the Earth, the essential difference in the voltage of the batteries and the value of the proportionality coefficient for proactive battery unbalance are adjusted, if necessary, by the command and measurement radio line .

Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить процесс эксплуатации и повысить эффективность использования литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания.Thus, the proposed method allows to simplify the operation process and increase the efficiency of using a lithium-ion battery in an autonomous power supply system.

Claims

1. The method of operation of a lithium-ion battery in an autonomous power supply system, which consists in carrying out charges, storing in a charged state, recharging, if necessary, discharges, monitoring the voltage of the batteries and periodically balancing the batteries by voltage by selecting the battery with the lowest voltage, connecting to the remaining accumulators of individual discharge resistors, followed by disconnection of the corresponding resistors when voltage is reached on the respective batteries rah voltage level initially selected battery, characterized in that at the end of balancing or during addition of a proactive carried unbalance voltage battery with respect to battery voltage initially selected.

2. The method of operating a lithium-ion battery in an autonomous power supply system according to claim 1, characterized in that the pre-balancing the voltage of the batteries is carried out by connecting or blocking the previous disconnection of the individual discharge resistors, followed by disconnecting the corresponding resistors after a time equal to or proportional to time finding them in a connected state on the previous balancing.