[go: up one dir, main page]

RU2546978C2 - Аккумуляторная батарея и система управления аккумуляторной батареей - Google Patents

Аккумуляторная батарея и система управления аккумуляторной батареей Download PDF

Info

Publication number
RU2546978C2
RU2546978C2 RU2013129441/07A RU2013129441A RU2546978C2 RU 2546978 C2 RU2546978 C2 RU 2546978C2 RU 2013129441/07 A RU2013129441/07 A RU 2013129441/07A RU 2013129441 A RU2013129441 A RU 2013129441A RU 2546978 C2 RU2546978 C2 RU 2546978C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
battery
cell
cells
balancing
voltage
Prior art date
Application number
RU2013129441/07A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2013129441A (ru
Inventor
Андрей Владимирович Иванов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ЭнСол Технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ЭнСол Технологии" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ЭнСол Технологии"
Priority to RU2013129441/07A priority Critical patent/RU2546978C2/ru
Priority to CA2907794A priority patent/CA2907794C/en
Priority to PCT/RU2013/000635 priority patent/WO2014209161A1/en
Priority to JP2016523694A priority patent/JP2016535571A/ja
Priority to US14/778,901 priority patent/US9948115B2/en
Priority to EP13887626.3A priority patent/EP3014691A4/en
Priority to KR1020157025217A priority patent/KR20150142673A/ko
Publication of RU2013129441A publication Critical patent/RU2013129441A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2546978C2 publication Critical patent/RU2546978C2/ru
Priority to JP2018001638U priority patent/JP3217529U/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M10/4257—Smart batteries, e.g. electronic circuits inside the housing of the cells or batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/46—Accumulators structurally combined with charging apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0024—Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в зарядных устройствах литий-ионных батарей. Технический результат - сокращение времени заряда и увеличение времени разряда батареи. Система управления аккумуляторной батареей содержит блок общего управления и блоки управления каждой ячейкой из множества ячеек аккумуляторной батареи. Каждой ячейкой множества управляет собственный блок, содержащий микроконтроллер, выполненный с возможностью получения данных о состоянии ячейки, передачи полученной информации в блок общего управления и балансировки напряжения ячеек большими токами (при получении управлявшей команды от блока общего управления). Балансировка эффективно работает в любом режиме работы батареи (при заряде, при разряде и в состоянии покоя). Множество ячеек аккумуляторной батареи по постоянному току соединены последовательно, а по переменному току - параллельно через систему трансформаторной балансировки. Каждая ячейка снабжена преобразователем постоянного тока в переменный ток. Преобразователи синхронизированы общим управляющим сигналом от блока общего управления. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в зарядных устройствах литий-ионных батарей.
С появлением литиевых аккумуляторов остро встала проблема их правильного использования. Например, в электротранспорте при высоких емкостях и токах такие аккумуляторы оказались очень чувствительны к перезаряду и к переразряду, от этого они выходят из строя. Аккумуляторы также чувствительны к неправильной эксплуатации (эффект памяти, переполюсовка, сульфатация и пр.), но при малых емкостях и относительной дешевизне эта проблема не так актуальна. Система Управления Аккумуляторной батареей (СУАКБ) решает задачу поддержания аккумуляторной батареи в оптимальном состоянии на протяжении длительного времени без необходимости частого вмешательства специалистов для периодического обслуживания и диагностики. Также решается ряд второстепенных задач, связанных как с обслуживанием и диагностикой (в случае возникновения серьезных проблем), так и (в перспективе) с вводом дополнительного функционала, такого как отслеживание позиции транспортного средства.
В процессе функционирования аккумуляторных батарей (АКБ) на основе литий-ионной технологии возникает задача поддержания ячеек АКБ в сбалансированном состоянии, потому что ячейки сразу же после производства имеют чуть отличающиеся характеристики и эта разница с течением времени может усугубляться. Если не проводить постоянный мониторинг состояния ячеек, аккумуляторная батарея может выйти из строя достаточно быстро.
При заряде АКБ следует предотвращать перезаряд ячеек батареи, который приводит к тому, что одна перезаряженная ячейка вынуждает ЗУ останавливать процесс, и другие ячейки батареи могут остаться заряженными не полностью.
Традиционно данная задача решается использованием специальных устройств под названием BMS - Battery Management System, которые реализуют следующие функции:
- предотвращение переразряда ячеек (как только напряжение на любой ячейке становится ниже определенного порога, BMS принудительно отключает нагрузку до тех пор, пока батарею вновь не поставят на зарядку);
- предотвращение перезаряда ячеек (как только напряжение на любой ячейке становится выше определенного порога, BMS отключает ЗУ);
- балансировка ячеек (когда напряжение на любой ячейке становится выше определенного порога, который находится ниже порога отключения ЗУ, BMS начинает расходовать избыточный заряд из ячейки через специальный энергопотребляющий элемент).
При балансировке ячеек обычно выравнивают либо напряжение, либо заряд на ячейках. Существуют два способа реализации балансировки:
- пассивный,
- активный.
При пассивной схеме избыточный заряд некоторых ячеек расходуется вхолостую через резисторы, чтобы остальные ячейки могли продолжать заряжаться. Такая система проста, но выделяет много тепла, требует много времени и работает только при заряде. При разряде пассивная система может отключить только всю батарею, когда разрядится самая слабая ячейка. Таким образом, емкость всей батареи (в ампер-часах) будет равна емкости самой слабой ячейки.
Из уровня техники известна микросхема BQ77PL900 (Журнал по применению аналоговых компонентов. Первый квартал, 2009 г.), которая обеспечивает защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком. Сравнивая напряжение ячейки с пороговым, микросхема, при необходимости, включает режим балансировки для каждой из ячеек. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, включаются полевые транзисторы и подключают параллельно ячейке аккумулятора нагрузочный резистор, через который ток идет в обход ячейки и уже не заряжает ее. Остальные ячейки при этом продолжают заряжаться. При падении напряжения полевой транзистор закрывается, и зарядка может продолжаться. Таким образом, в конце зарядки на всех ячейках будет присутствовать одинаковое напряжение.
При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего сопротивления батарей, на котором падает часть напряжения, когда через аккумулятор протекает ток, что, в свою очередь, вносит дополнительную погрешность в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызван дисбаланс - разной емкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся заряженными на 100%.
В микросхеме BQ2084 (Журнал по применению аналоговых компонентов. Первый квартал, 2009 г.) используется улучшенная версия балансировки, также основанная на изменении напряжения, но, чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений, BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика.
В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Qneed, необходимый для полной ее зарядки, после чего находится разница между Qneed всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, которые разряжают все ячейки до уровня наименее заряженной, до тех пор, пока заряды не уравняются.
Вследствие того что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время как при зарядке, так и при разрядке аккумулятора. Основное преимущество этой технологии - более точная балансировка батарей по сравнению с другими пассивными методами.
Активные системы контроля делятся на емкостные (на конденсаторах) и индуктивные (на дросселях), все они характеризуются перераспределением заряда между ячейками, которое идет только между соседними ячейками или группами ячеек. Емкость и индуктивность могут накапливать и отдавать заряд. На этом принципе и строится балансировка. Накопительная ячейка (C или L) подключается к аккумулятору и запасает от него энергию, затем она подключается к соседнему аккумулятору и отдает запасенную энергию, если у подключенного аккумулятора напряжение ниже, чем у накопительной ячейки. Балансировка происходит за множество циклов передачи энергии между аккумуляторами и накопительными ячейками. Передача энергии осуществляется между двумя соседними ячейками аккумуляторной батареи. По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. осуществляет передачу энергии от более заряженной ячейки к менее заряженной с минимальными потерями энергии. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.
Из уровня техники для активной балансировки батарей известна микросхема BQ78PL114 компании TI (Журнал по применению аналоговых компонентов. Первый квартал, 2009 г.), произведенная по технологии PowerPump, которая использует индуктивный преобразователь для передачи энергии. PowerPump использует n-канальный p-канальный полевой транзисторы и дроссель, который расположен между парой батарей. Полевые транзисторы и дроссель составляют собой понижающий/повышающий преобразователь. Потери энергии при этом невелики и почти вся энергия перетекает из сильно заряженной в мало заряженную батарею. Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с рассеиванием энергии. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов, можно достичь эффективности балансировки в 12-20 раз лучше, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее 5%) можно достичь уже за один или два цикла.
Из уровня техники известна микросхема ICL7660/МАХ1044 (Журнал «Chip News» №3 2002 г.) или отечественный аналог КР1168ЕП1 (Журнал Радио, Измерения, номер 2, 2002 г.) перекачки заряда, в которой использован не индуктивный, а емкостной накопитель (преобразователи напряжения на коммутируемых конденсаторах). В основном микросхема используется для получения отрицательного напряжения, равного напряжению ее питания. Однако если отрицательное напряжение на ее выходе окажется по каким-то причинам больше по величине, чем положительное напряжение питания, то микросхема начнет качать заряд “в обратную сторону”, забирая из минуса и отдавая в плюс, т.е. она все время пытается уравнять эти два напряжения. Это свойство и использовано для балансировки двух аккумуляторных ячеек. Микросхема с высокой частотой подключает конденсатор либо к верхнему, либо к нижнему аккумулятору. Соответственно конденсатор будет заряжаться от более заряженного и разряжаться в более разряженный, каждый раз перенося какую-то порцию заряда. Со временем напряжения на аккумуляторах станут одинаковыми. Энергия в схеме практически не рассеивается, КПД схемы может достигать 95…98% в зависимости от напряжения на аккумуляторах и выходного тока, который зависит от частоты переключения и конденсатора. При этом потребление микросхемы составляет всего несколько десятков микроампер, т.е. находится ниже уровня саморазряда многих аккумуляторов, и поэтому микросхему можно не отключать от аккумулятора, и она будет выполнять работу по выравниванию напряжения на ячейках. Ток перекачки может достигать 30…40 мА, но КПД при этом снижается. Напряжение питания может быть от 1.5 до 10 В, а это значит, что микросхема может балансировать как обычные Ni-Mh пальчики, так и литиевые аккумуляторы.
Данное изобретение предназначено для защиты, мониторинга состояний, балансировки АКБ при заряде/разряде и относится к большому и разнообразному классу устройств, известных в мире как BMS (Battery Manager System). Изобретение может использоваться с эффективными накопителями энергии на базе литий-ионных аккумуляторов для э/транспорта, систем ИБП, off-grid накопителей, в стационарных устройствах бесперебойного (аварийного) питания.
К основным преимуществам при использовании данного изобретения относятся: сокращение времени заряда и увеличение времени разряда батареи. При разряде менее емкие ячейки будут получать энергию от более емких, а при заряде менее емкие ячейки будут отдавать лишний заряд более емким ячейкам. При этом емкость всей батареи (в ампер-часах) будет примерно соответствовать средней емкости всех ячеек, а в ватт-часах - сумме ватт-часов всех ячеек.
При зарядке АКБ учитывается не только напряжение ячейки, но и ее внутреннее сопротивление. Это позволяет ускорить процесс заряда ячейки, т.к. избегает слишком ранних отключений ЗУ по причине того, что суммарное напряжение на ячейке (которое состоит из внутреннего напряжения ячейки плюс внутреннего сопротивления, умноженного на ток зарядки) превышает пороговое. При балансировке АКБ используется новое техническое решение, позволяющее перераспределять энергию из более емких ячеек в менее емкие. Используемое техническое решение позволяет достигать токов балансировки на три порядка выше токов балансировки традиционных BMS (десятки, сотни ампер против десятков и сотен миллиампер). Также используемое техническое решение дает выигрыш в энергопотреблении, т.к. избыточный заряд ячейки не рассеивается в нагревательном элементе, а перераспределяется в другие ячейки с высоким КПД (90% и выше).
Для достижения указанного результата была создана аккумуляторная батарея, состоящая из множества ячеек, отличающаяся тем, что ячейки аккумуляторной батареи по постоянному току соединены последовательно, а по переменному току - параллельно через систему трансформаторной балансировки. Причем каждая ячейка может быть снабжена преобразователем постоянного тока в переменный ток.
Для эффективной работы аккумуляторной батареи предлагается использовать систему управления, которая содержит блок общего управления и блоки управления каждой из множества ячеек аккумуляторной батареи. Причем каждой ячейкой множества управляет собственный блок, который может содержать микроконтроллер, выполненный с возможностью получения данных о состоянии ячейки, передачи полученной информации в блок общего управления и балансировки напряжения ячеек большими токами (при получении управлявшей команды от блока общего управления). Режим балансировки может работать при заряде, при разряде батареи, а также в состоянии покоя.
Предполагается, что преобразователи аккумуляторной батареи могут быть синхронизированы общим управляющим сигналом от блока общего управления или в зависимости от состояния ячейки по сигналу системы управления осуществляют синхронное преобразование постоянного тока в переменный и обратно из переменного в постоянный.
Ниже приведено детальное описание аккумуляторной батареи.
Аккумуляторная батарея представляет собой цепочку последовательно соединенных ячеек или групп из параллельно соединенных ячеек (такие группы далее рассматриваются как одна ячейка увеличенной емкости). Ток батареи один для всех ячеек как при заряде, так и при разряде, но так как в общем случае емкость ячеек различна (из-за технологического разброса или в результате старения), то к полному разряду (заряду) ячейки придут в разное время. Для того чтобы все ячейки пришли к этой точке одновременно, необходимо чтобы ток в каждой ячейке зависел от ее емкости, а это возможно только при параллельном соединении ячеек.
Предлагаемое решение позволяет соединить ячейки одновременно и последовательно, и параллельно. По постоянному току все ячейки соединены последовательно, а по переменному - параллельно, через трансформаторы. Для этого каждая ячейка снабжается индивидуальным преобразователем постоянного тока в переменный, который поступает на трансформатор и через него в общую шину балансировки. Вторичные обмотки трансформаторов со всех ячеек объединены параллельно. Все преобразователи синхронизированы общим управляющим сигналом. Пока есть синхросигнал, ячейки обмениваются энергией между собой по принципу сообщающихся сосудов, те ячейки, что имеют повышенный потенциал, сливают энергию в шину балансировки, а остальные подпитываются от нее. Процесс идет до полного выравнивания потенциалов ячеек или до отключения синхросигнала.
Устройство в базовой конфигурации состоит из двух типов блоков: платы общего управления и платы управления отдельными ячейками. Количество последних зависит от количества ячеек в батарее.
Плата общего управления выполняет общие функции по координации всех действий, выполняемых над аккумуляторной батареей. Именно она следит за функционированием индивидуальных ячеек (эту информацию она получает от плат управления отдельными ячейками) и решает, какие действия следует предпринимать. Краткий список того, что она делает:
- разрешает или запрещает режим заряда, общается с ЗУ и выбирает правильный ток зарядки (при наличии такой возможности в ЗУ);
- выключает нагрузку при переразряде батареи;
- осуществляет функции защиты батареи от аварийных перегрузок и короткого замыкания;
- в случае обнаружения разбалансированности батареи включает режим балансировки и управляет всеми индивидуальными платами управления ячейками, синхронизируя их работу;
- предоставляет при необходимости инженеру доступ к полной информации о состоянии батареи. Доступ осуществляется подключением компьютера к СУАКБ через специальную программу;
- реализует световую и звуковую сигнализацию в случае нештатных ситуаций.
Плата управления отдельными ячейками выполняет команды платы общего управления. На ней же находятся силовые элементы, обеспечивающие балансировку батареи большими токами; этими элементами также управляет плата общего управления. Плата управления отдельными ячейками отвечает за следующие функции:
- измерение напряжения ячейки;
- измерение тока балансировки;
- вычисление заряда ячейки, утекшего через балансировочную цепь (необходима плате общего управления для вычисления уровня заряда отдельных ячеек);
- передача измеренной и вычисленной информации по запросу плате общего управления;
- передача сигнала плате общего управления в случае, если напряжение ячейки выходит за максимально допустимые значения;
- балансировка напряжения ячеек по команде платы общего управления.
На фиг.1 изображена структурная схема модуля трансформаторной балансировки для каждой ячейки. Модуль каждой ячейки состоит из самой ячейки и схемы преобразователя, который состоит из ключей К1 (поз.1) и К2 (поз.2), соединенных с ячейкой (поз.3) через обмотки L1 (поз.4) и L2 (поз.5) трансформатора. При замыкании ключа К1 начинает течь ток через обмотку L1, при этом в обмотке L3 (поз.6) наводится ЭДС, пропорциональная напряжению ячейки. При замыкании ключа К2 ток течет через обмотку L2, в обмотке L3 также наводится ЭДС, пропорциональная напряжению ячейки, но противоположной полярности. Ключи К1 и К2 работают попеременно под управлением внешнего синхросигнала (поз.7 на фиг.2), таким образом, на выводах обмотки L3 присутствует переменное напряжение, пропорциональное напряжению ячейки. Коэффициент пропорциональности задается коэффициентом трансформации трансформатора. Если в системе присутствует более одного модуля и выводы обмоток L3 модулей объединены шиной балансировки (на фиг.2 изображена структурная схема батареи, снабженной системой трансформаторной балансировки), то на этой шине будет присутствовать напряжение, пропорциональное напряжению ячеек с самым высоким потенциалом, эти ячейки станут донорами, а остальные - реципиентами. У доноров обмотки L1 и L2 будут первичными, а обмотка L3 - вторичной. У реципиентов наоборот L3 - первичная, а L1 и L2 - вторичные, ключи К1 и К2 будут выполнять роль синхронных выпрямителей для питания ячейки-реципиента.
Через шину балансировки все ячейки соединены параллельно и равноправно, то есть энергия может перетекать от любой ячейки в любую другую, направление зависит от разницы потенциалов ячеек.
СУАКБ в отличие от известных в мире методов балансировки строится на методе трансформаторной автобалансировки, который заключается в следующем. К каждой из аккумуляторных ячеек батареи первичной обмоткой подключается трансформатор и синхронный выпрямитель, тактируемый от Модуля Контроля Батареи, а вторичные обмотки трансформаторов подключены между собой, объединяя Модули Контроля Ячеек в общую систему. Это позволяет виртуально подключить параллельно все ячейки АКБ друг к другу через переменный ток. Что, в свою очередь, позволяет производить балансировку постоянно в любом режиме работы АКБ. Принцип работы основан на том, что генерируемые переменные напряжения на выходе вторичных обмоток трансформаторов будут различаться в зависимости от напряжения ячейки, к которой подключен трансформатор. И, соответственно, токи балансировки будут вытекать из тех трансформаторов, напряжение на вторичных обмотках которых выше, и втекать в те, у которых напряжения на вторичных обмотках ниже, за счет чего и будет осуществляться балансировка аккумуляторных ячеек батареи.
Главной отличительной особенностью предлагаемого решения является то, что система позволяет перекачивать энергию ячейки из любой в любую, и неважно на каком потенциале батареи находятся ячейки донора и реципиента. Также стоит выделить способность системы развивать балансировочные токи порядка 20-50 А на данном этапе разработки. Токи балансировки зависят от уровня разбалансировки батареи (чем разбалансировка выше, тем выше ток балансировки). Что позволяет использовать балансировку в любом режиме работы батареи, учитывая расчетные нагрузочные токи батареи и требуемую скорость балансировки.
Потребляемая мощность самой системой минимальна и сопоставима с токами утечки аккумуляторных батарей, что позволяет говорить о КПД системы не менее 90%.
По вышеизложенной классификации БМС, СУАКБ на данном этапе разработки, относится к БМС с активной балансировкой и алгоритмом балансировки по напряжению.
Через шину балансировки можно производить заряд батареи, для этого достаточно подать соответствующее питающее напряжение на шину балансировки, согласованное по частоте и фазе с работой ключей. Это будет эквивалентно подключению к балансировочной шине еще одной ячейки, но с бесконечной емкостью и напряжением, соответствующим полностью заряженной ячейке. Токи каждой ячейки будут различны и зависеть от их состояния, при этом все ячейки зарядятся за одно время.
Возможен и разряд батареи через шину балансировки. Так как напряжение на шине балансировки не зависит от количества ячеек в батарее, то одним нагрузочным устройством можно будет разряжать батареи с различным общим напряжением, что может быть удобным для проведения КТЦ (контрольно-тренировочных циклов).
При достаточной мощности трансформаторов и ключей система трансформаторной балансировки может заменить одну или несколько ячеек, отсутствующих в батарее по каким-то причинам, если нагрузочные токи будут сопоставимы с токами балансировки.
На экспериментальной установке, состоящей из двух ячеек по 200 А·ч, соединенных только по балансировочной шине, при разнице потенциалов ячеек 0,5 В ток перекачки из одной ячейки в другую составлял 20-25 А.
Разряжая одну ячейку током 20 А, был зафиксирован ток разряда второй ячейки, не подключенной к нагрузке. Ток рос до 20 А по мере разряда первой ячейки, и при достижении разницы потенциалов ячеек 0.5 В разряд первой ячейки практически прекратился, так как ток разряда сравнялся с током заряда, поступающего со второй ячейки.
При заряде одной ячейки стабильным током 20 А был зафиксирован ток заряда второй ячейки, не подключенной к зарядному устройству. Ток перекачки рос вместе с ростом разницы потенциалов ячеек, и при достижении 0.5 В первая ячейка практически перестала заряжаться, так как весь поступающий ток перекачивался через шину балансировки во вторую ячейку.
На фиг.3 изображен общий вид модуля трансформаторной автобалансировки.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретные варианты его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Claims (8)

1. Аккумуляторная батарея, состоящая из множества ячеек, отличающаяся тем, что ячейки аккумуляторной батареи по постоянному току соединены последовательно, а по переменному току параллельно через систему трансформаторной балансировки.
2. Аккумуляторная батарея по п.1, отличающаяся тем, что каждая ячейка снабжена преобразователем постоянного тока в переменный ток.
3. Система управления аккумуляторной батареей по п.1, отличающаяся тем, что содержит блок общего управления и блоки управления каждой из множества ячеек аккумуляторной батареи.
4. Система по п.3, отличающаяся тем, что каждой ячейкой множества управляет собственный блок, содержащий микроконтроллер, выполненный с возможностью получения данных о состоянии ячейки, передачи полученной информации в блок общего управления и балансировки напряжения ячеек большими токами (при получении управлявшей команды от блока общего управления).
5. Система по п.3, отличающаяся тем, что режим балансировки работает при заряде, при разряде батареи, а также в состоянии покоя.
6. Аккумуляторная батарея по п.2, отличающаяся тем, что управляется системой по п.5.
7. Аккумуляторная батарея по п.6, отличающаяся тем, что преобразователи синхронизированы общим управляющим сигналом от блока общего управления.
8. Аккумуляторная батарея по п.6, отличающаяся тем, что преобразователь в зависимости от состояния ячейки по сигналу системы по п.5 осуществляет синхронное преобразование постоянного тока в переменный и обратно из переменного в постоянный.
RU2013129441/07A 2013-06-27 2013-06-27 Аккумуляторная батарея и система управления аккумуляторной батареей RU2546978C2 (ru)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013129441/07A RU2546978C2 (ru) 2013-06-27 2013-06-27 Аккумуляторная батарея и система управления аккумуляторной батареей
CA2907794A CA2907794C (en) 2013-06-27 2013-07-24 Accumulator battery management system
PCT/RU2013/000635 WO2014209161A1 (en) 2013-06-27 2013-07-24 Accumulator battery management system
JP2016523694A JP2016535571A (ja) 2013-06-27 2013-07-24 蓄電池管理システム
US14/778,901 US9948115B2 (en) 2013-06-27 2013-07-24 Accumulator battery management system
EP13887626.3A EP3014691A4 (en) 2013-06-27 2013-07-24 Accumulator battery management system
KR1020157025217A KR20150142673A (ko) 2013-06-27 2013-07-24 축전지 관리 시스템
JP2018001638U JP3217529U (ja) 2013-06-27 2018-05-08 蓄電池および蓄電池管理システム

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013129441/07A RU2546978C2 (ru) 2013-06-27 2013-06-27 Аккумуляторная батарея и система управления аккумуляторной батареей

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013129441A RU2013129441A (ru) 2015-01-10
RU2546978C2 true RU2546978C2 (ru) 2015-04-10

Family

ID=52142355

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013129441/07A RU2546978C2 (ru) 2013-06-27 2013-06-27 Аккумуляторная батарея и система управления аккумуляторной батареей

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9948115B2 (ru)
EP (1) EP3014691A4 (ru)
JP (2) JP2016535571A (ru)
KR (1) KR20150142673A (ru)
CA (1) CA2907794C (ru)
RU (1) RU2546978C2 (ru)
WO (1) WO2014209161A1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647128C2 (ru) * 2015-12-04 2018-03-14 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи
RU195900U1 (ru) * 2019-08-29 2020-02-10 Закрытое акционерное общество "БТМ" Аккумулятор
RU2744011C2 (ru) * 2018-12-17 2021-03-02 Борис Абрамович Каганский Способ утилизации энергии разряда аккумуляторных батарей
RU2779934C1 (ru) * 2021-07-13 2022-09-15 Общество с ограниченной ответственностью "ДРОНСТРОЙСК" Система управления питанием беспилотного летательного аппарата

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160134120A (ko) * 2015-05-14 2016-11-23 삼성에스디아이 주식회사 자동차 배터리 시스템
GB201511279D0 (en) * 2015-06-26 2015-08-12 Lyra Electronics Ltd Battery
CN107294145A (zh) * 2016-03-30 2017-10-24 通用电气公司 充电装置、系统和方法
JP6989620B2 (ja) * 2017-02-08 2022-01-05 リレクトリファイ ホールディングス プロプライエタリー リミテッド 電池システム
EP3373407B1 (de) * 2017-03-10 2020-02-12 VARTA Microbattery GmbH Verfahren zum betreiben eines modularen batteriespeichersystems, modulares batteriespeichersystem und batteriemanagementsystem hierfür
US10444295B2 (en) * 2017-12-20 2019-10-15 National Chung Shan Institute Of Science And Technology Battery balance management circuit
WO2021208044A1 (zh) 2020-04-16 2021-10-21 华为技术有限公司 一种电源系统
EP3940914B1 (en) 2020-04-29 2024-09-04 Huawei Digital Power Technologies Co., Ltd. Energy storage system
JP7011358B1 (ja) 2020-12-01 2022-01-26 ベース フィールド パワー リミテッド 誘導子に基づく電磁デバイスのためのパルス制御デバイス

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1365243A1 (ru) * 1985-12-30 1988-01-07 Отделение Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики Устройство дл питани нагрузки посто нным током
GB2293060A (en) * 1994-09-09 1996-03-13 Ray O Vac Corp Equalization of charge on series connected cells or batteries
JPH09117072A (ja) * 1995-10-17 1997-05-02 Toshiba Battery Co Ltd 二次電池の保護回路
RU37884U1 (ru) * 2003-12-24 2004-05-10 Открытое акционерное общество "Авиационная электроника и коммуникационные системы" Устройство выравнивания напряжения в батарее
RU2230418C1 (ru) * 2002-12-24 2004-06-10 Груздев Александр Иванович Батарея химических источников тока
RU2248656C2 (ru) * 2002-12-06 2005-03-20 Груздев Александр Иванович Батарея электрических накопителей энергии
DE60027037T2 (de) * 1999-11-05 2006-08-31 Nec Tokin Corp., Sendai Elektrische energiespeichervorrichtung mit steuerung der zellenenergie und steuerungsverfahren dieser zellenenergie
WO2011070517A1 (en) * 2009-12-09 2011-06-16 Panacis Inc. System and method of integrated battery charging and balancing
EP2372865A2 (en) * 2010-03-29 2011-10-05 Sanyo Electric Co., Ltd. Power supply device capable of equalizing electrical properties of batteries
US8183870B1 (en) * 2009-02-12 2012-05-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Battery system and method for sensing and balancing the charge state of battery cells

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1607045A1 (ru) * 1988-12-20 1990-11-15 Московский энергетический институт Способ контрол @ -элементной аккумул торной батареи
DE4422409C2 (de) 1994-06-29 1996-07-11 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichern oder -wandlern
JP2000116140A (ja) * 1998-10-05 2000-04-21 Toshiba Corp 高周波電源装置及び超音波発生装置
JP2001339865A (ja) 2000-05-26 2001-12-07 Hitachi Ltd セル電圧均等化装置、セル電圧均等化方法、ハイブリッドカー、及び組電池の生産方法
JP3704051B2 (ja) * 2001-03-09 2005-10-05 株式会社千代田 入出力絶縁型電力回生装置
DE10138983A1 (de) * 2001-08-08 2003-02-20 Isad Electronic Sys Gmbh & Co Symmetrierschaltung, Verfahren zur Spannungssymmetrierung sowie Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug
US7061207B2 (en) 2002-08-09 2006-06-13 H2Eye (International ) Limited Cell equalizing circuit
JP2005129004A (ja) * 2003-10-03 2005-05-19 Sharp Corp 駆動システムおよび交流変換装置
JP4092580B2 (ja) * 2004-04-30 2008-05-28 新神戸電機株式会社 多直列電池制御システム
RU2314602C1 (ru) * 2006-06-21 2008-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи
JP5140470B2 (ja) 2008-03-25 2013-02-06 Ｆｄｋ株式会社 直列セルの電圧バランス補正回路
US8288992B2 (en) 2009-01-14 2012-10-16 Indy Power Systems, Llc Cell management system
WO2010081746A2 (en) 2009-01-19 2010-07-22 Hubert Berger Power control of serially connected cells
FR2956529B1 (fr) * 2010-02-17 2012-03-16 Inst Polytechnique Grenoble Systeme d'equilibrage par couplage magnetique d'une association serie d'elements de generation ou de stockage d'energie electrique
KR101249972B1 (ko) 2010-08-17 2013-04-03 정윤이 배터리 팩 그리고 배터리 팩의 액티브 셀 밸런싱 방법
US8773071B2 (en) * 2010-11-01 2014-07-08 The Boeing Company System and method for cell voltage balancing
KR101246145B1 (ko) 2011-02-22 2013-04-05 킴스테크날리지 주식회사 전기에너지 저장장치의 전압균등화회로
JP2012239300A (ja) 2011-05-11 2012-12-06 Shindengen Electric Mfg Co Ltd セルバランス回路およびセルバランス装置
US9153973B2 (en) 2011-06-13 2015-10-06 Mehmet Kadri Nalbant Active cell balancing
CN102916458B (zh) 2011-08-05 2015-06-17 凹凸电子（武汉）有限公司 电池均衡系统、电路及其方法
JP2013055800A (ja) 2011-09-05 2013-03-21 Toyota Industries Corp 電池監視協調充電システム及び電動車両
KR101865442B1 (ko) 2011-10-28 2018-06-07 르네사스 일렉트로닉스 가부시키가이샤 배터리 시스템
CN102969772B (zh) 2012-12-12 2015-08-05 山东省科学院自动化研究所 基于绝对可充放容量的全阶段动力锂电池均衡方法及装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1365243A1 (ru) * 1985-12-30 1988-01-07 Отделение Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики Устройство дл питани нагрузки посто нным током
GB2293060A (en) * 1994-09-09 1996-03-13 Ray O Vac Corp Equalization of charge on series connected cells or batteries
JPH09117072A (ja) * 1995-10-17 1997-05-02 Toshiba Battery Co Ltd 二次電池の保護回路
DE60027037T2 (de) * 1999-11-05 2006-08-31 Nec Tokin Corp., Sendai Elektrische energiespeichervorrichtung mit steuerung der zellenenergie und steuerungsverfahren dieser zellenenergie
RU2248656C2 (ru) * 2002-12-06 2005-03-20 Груздев Александр Иванович Батарея электрических накопителей энергии
RU2230418C1 (ru) * 2002-12-24 2004-06-10 Груздев Александр Иванович Батарея химических источников тока
RU37884U1 (ru) * 2003-12-24 2004-05-10 Открытое акционерное общество "Авиационная электроника и коммуникационные системы" Устройство выравнивания напряжения в батарее
US8183870B1 (en) * 2009-02-12 2012-05-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Battery system and method for sensing and balancing the charge state of battery cells
WO2011070517A1 (en) * 2009-12-09 2011-06-16 Panacis Inc. System and method of integrated battery charging and balancing
EP2372865A2 (en) * 2010-03-29 2011-10-05 Sanyo Electric Co., Ltd. Power supply device capable of equalizing electrical properties of batteries

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647128C2 (ru) * 2015-12-04 2018-03-14 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи
RU2744011C2 (ru) * 2018-12-17 2021-03-02 Борис Абрамович Каганский Способ утилизации энергии разряда аккумуляторных батарей
RU195900U1 (ru) * 2019-08-29 2020-02-10 Закрытое акционерное общество "БТМ" Аккумулятор
RU2779934C1 (ru) * 2021-07-13 2022-09-15 Общество с ограниченной ответственностью "ДРОНСТРОЙСК" Система управления питанием беспилотного летательного аппарата
RU2799767C1 (ru) * 2022-09-28 2023-07-11 Общество с ограниченной ответственностью "ЭДВАНСТ ЭНЕРДЖИ" (ООО "ЭДВАНСТ ЭНЕРДЖИ") Система активной балансировки ячеек аккумуляторных батарей
RU2835383C1 (ru) * 2024-08-15 2025-02-25 Общество с ограниченной ответственностью "АМПЛИТУДА" Способ управления зарядкой и расходованием заряда батареи

Also Published As

Publication number Publication date
EP3014691A4 (en) 2017-02-22
JP3217529U (ja) 2018-08-16
RU2013129441A (ru) 2015-01-10
WO2014209161A1 (en) 2014-12-31
CA2907794C (en) 2019-10-22
JP2016535571A (ja) 2016-11-10
US20160049811A1 (en) 2016-02-18
EP3014691A1 (en) 2016-05-04
CA2907794A1 (en) 2014-12-31
US9948115B2 (en) 2018-04-17
KR20150142673A (ko) 2015-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2546978C2 (ru) Аккумуляторная батарея и система управления аккумуляторной батареей
US10305298B2 (en) Method and apparatus for creating a dynamically reconfigurable energy storage device
US9318910B2 (en) Cell balancing circuit and cell balancing method using the same
US10074997B2 (en) Method and apparatus for creating a dynamically reconfigurable energy storage device
CN102422503B (zh) 用于可充电电池组的电能管理电路
US20090140693A1 (en) Flyback charge redistribution apparatus for serially connected energy storage devices using flyback-type converters
US20220140641A1 (en) Method and system for an ac battery
CN111295813A (zh) 用于超级电容器充电和平衡的系统和方法
Yildirim et al. Evaluation and comparison of battery cell balancing methods
EP3238326A1 (en) Multisource power delivery system
JP7276893B2 (ja) 電源システム、及び管理装置
KR102151652B1 (ko) 척컨버터 토폴로지를 이용한 리튬이온 전지 셀밸런싱 장치
Ketzer et al. Evaluating circuit topologies for battery charge equalization
Cadar et al. Active balancing method for battery cell equalization
RU153793U1 (ru) Система управления аккумуляторной батареей
EP3772153B1 (en) Battery protection system
Jian et al. Charging scenario of serial battery power modules with buck-boost converters
US20250047110A1 (en) Methods and apparatus for battery cell management
TWI667863B (zh) High voltage battery dynamic balance method
Liu et al. New type equalization circuit and management system of Li-ion battery
WO2025029491A1 (en) Methods and apparatus for battery cell management
JP2024041010A (ja) 電池容量制御装置および蓄電システム
Ko et al. The EV charging system using module balancing method in V2G system

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180111

Effective date: 20180111