RU135190U1

RU135190U1 - LEVELING DEVICE FOR HIERARCHICAL SYSTEM OF CONTROL OF BATTERY OF ELECTRIC ENERGY STORES WITH ENERGY EXCHANGED DC CONNECTED MAINTENANCE AND STORAGE CONTROL UNITS

Info

Publication number: RU135190U1
Application number: RU2013125619/07U
Authority: RU
Inventors: Олег Иванович Сидоренко; Владимир Александрович Подлипалин; Всеволод Георгиевич Губин; Светлана Владимировна Бузаджи; Наталия Андреевна Полулях; Константин Сергеевич Дистранов; Эдуард Евгеньевич Данилов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Системы управления хранением энергии" (ООО "СУХЭ")
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-11-27

Abstract

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.Equalizing device for a hierarchical control system of a battery of electric energy storage devices with an energy-exchange isolated DC line and storage control units, powered by a battery and containing a step-up flyback DC / DC voltage converter connected at the input to the corresponding battery storage device through a microcontroller monitoring and control unit of the storage control unit , at the output to the energy-exchange isolated DC line and at the control input to the first control output of the microcontroller monitoring and control device of the storage control unit, the output of the serial interface of which is connected to the serial communication channel of the hierarchical battery management system, characterized in that the equalizing device contains a forward DC / DC unregulated step-down voltage converter with a rigid transfer characteristic, connected at the input to an energy-exchange isolated mag direct current lines, through the output to the corresponding battery storage through the microcontroller control and management unit of the storage control unit and through the control input to the second control output of the microcontroller control and control unit of the storage control unit of the hierarchical battery management system.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании высоковольтных батарей электрических накопителей энергии для нужд транспорта и энергетики.The proposed utility model relates to the field of electrical engineering and can be used to create high-voltage batteries of electric energy storage devices for the needs of transport and energy.

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.]The problem of ensuring the long service life of high-voltage and high-energy-consuming batteries, consisting of a large number of series-connected batteries, is urgent, since even small differences in the characteristics of individual batteries that occur during battery assembly, during operation lead to a significant imbalance in the degree of charge of individual batteries. The consequence of this is a decrease in the level of capacity given by the battery to the load, recharge and overdischarge of individual elements with the possibility of their polarity reversal, depressurization and other irreversible and undesirable phenomena, which ultimately leads to a reduction in battery life. One of the solutions to this problem is to balance the imbalance between the individual battery cells (electrical energy storage devices) by selectively shunting the individual battery cells using resistors in a passive-balanced battery control system [RF patent No. 2323426, publ. January 27, 2008]

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.However, this technical solution is not energetically effective, as it leads to unproductive energy losses, and also causes undesirable overheating of the entire battery, since the equalizing electric circuit is usually localized in the battery case.

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»)].A well-known hierarchical control system for a battery of electric energy storage devices, powered by the battery itself [article "Features of the construction of control equipment and protection of high-voltage lithium-ion batteries for power supply systems of spacecraft" / Transactions of NPP VNIIEM, 2011, No. 123, p. .29-34 authors M.F. Hansburg, A.I., Gruzdev, V.I. Trofimenko (JSC "AVEKS")].

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.].The known system at the lower control level contains modules of electric energy storage devices with temperature sensors, blocks for setting identification numbers of storage devices and modules and indicators of their status, as well as alignment, switching, monitoring and control devices connected via a serial communication channel to the current measurement module and the serial controller channel at the middle control level, connected via a serial communication channel with the battery control unit of the upper control level, connect ennym to the on-board charger. The active leveling device at the lower control level is built using a transformer circuit that redistributes the energy inside the battery between the module drives [RF patent for utility model No. 37884, publ. May 10, 2004].

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.However, the well-known hierarchical system for controlling the battery of electric energy storage devices has the following main drawback, which is the difficulty of implementing the active alignment method using the transformer circuit proposed in it as applied to a high-voltage battery with a large number of series-connected drives (up to 160 pcs.) Intended for use in transport , since the transformer in the prototype must have working windings according to the number of drives on one core. It is really possible to cover with such a transformer no more than 8-10 drives in the module (in the prototype 8 pcs.), And therefore the problem of inter-module alignment remains unresolved.

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.Based on the set of similar essential features, the hierarchical control system for batteries of electric energy storage devices, in which each of the series-connected electric energy storage devices has a single drive control unit, powered from the drive and connected at an average control level through intramodular galvanically, is closest to this model isolated serial communication channel with the corresponding control unit of the electric storage module it, powered by a module and connected at the upper control level through an inter-module galvanically isolated serial communication channel with a battery-operated battery control side [RF patent for utility model No. 123251, publ. December 20, 2012]. The drive control unit in the known system adopted as a prototype consists of a control and management device based on a microcontroller and an active equalizing device based on a transformer circuit made in the form of a bi-directional energy transfer device from a separate battery store to a battery storage DC line through and through to the battery as a reverse-voltage converter.

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.The well-known three-level battery management system for electric energy storage with an active equalization circuit and a storage line covers any number of storage devices and allows you to redistribute energy between them regardless of their location.

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.However, a disadvantage of the known equalization device on bidirectional flyback converters for a hierarchical system for controlling the battery of electric energy storage devices using the storage line as a DC energy exchange electric line is the limitation on the power received from the line due to the inefficiency of the flyback converter for transmitting high power. The low transmitted power limits the application of the system only to compensation for the imbalance of the battery drives due to self-discharge phenomena and does not allow to compensate for the variation in the capacity of the drives, leaving the discharge characteristic of the battery corresponding to the characteristic of the worst drive.

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.The claimed utility model is tasked with creating a leveling device for a hierarchical battery management system for electric energy storage devices with an isolated DC energy exchange trunk, which makes it possible to fully use the battery’s energy potential, preventing the most unfavorable situation when the load is interrupted due to discharge of the smallest capacity drive.

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.The problem is solved by the fact that a leveling device is proposed for each drive of the hierarchical control system of the battery of electric energy storage devices with an energy-exchange isolated DC bus and drive control units, battery powered and containing a step-up DC / DC voltage converter connected via an input to the corresponding drive via microcontroller device for monitoring and control of the drive control unit, by the output to the energy exchange and direct current, and at the control input to the first control output of the microcontroller control and management unit of the drive control hierarchical battery management system.

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.What is new in the proposed equalizing device is that the equalizing device contains a step-down DC / DC unregulated voltage converter with a rigid transfer characteristic, connected at the input to the DC energy exchange main, at the output to the corresponding drive through a microcontroller for monitoring and control and at the control input to the second control output of the microcontroller device for monitoring and control of the drive control unit of the hierarchical system at board battery.

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.The technical result of the claimed utility model consists in the fact that through the use of a more powerful forward-flow converter, it is possible to direct a large supporting current to a drive in need from an energy-exchange isolated DC bus, energy to which can be supplied from a large number of "donor" drives using less powerful flyback converters, which makes it possible to compensate for the deficit of charge in several "worst" drives for a limited discharge time.

На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленного выравнивающего устройства.The figure shows a functional block diagram of the claimed leveling device.

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.The claimed equalization device 1 for a hierarchical battery management system for electric energy storage 2 with an isolated energy exchange DC bus 3 and drive control units 4 contains a flyback DC / DC boost converter 5 and a direct-drive unregulated step-down DC / DC voltage converter 6. Flyback DC / DC converter voltage 5 at the input is connected through a microcontroller device for monitoring and control 7 drive control unit 4 hierarchical system battery control to the corresponding battery drive 2 and to the output of the direct-current DC / DC voltage converter 6, the input of which is connected to the DC energy exchange line 3 connected to the output of the reverse DC / DC voltage converter 5, the control input of which is connected to the first control output of the microcontroller device control and management 7 drive control unit 4 hierarchical battery management system. The second control output of the microcontroller monitoring and control device 7 is connected to the control input of the direct-current DC / DC voltage converter 6, and the output of the serial interface is connected to the serial communication channel 8 of the hierarchical battery management system.

Заявленное выравнивающее устройство для иерархической системы управления батареей электрических накопителей энергии с энергообменной изолированной магистралью постоянного тока и блоками управления накопителями работает следующим образом.The claimed leveling device for a hierarchical control system for a battery of electrical energy storage devices with an isolated energy exchange DC bus and drive control units operates as follows.

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.In the process of charging the battery from the charger, the charging current passes through all the series-connected electrical drives 2 batteries, charging them to a voltage value controlled by microcontroller devices. When this value on any unit drive 2 is reached to a predetermined maximum value stored as settings in the memory of the microcontroller of the battery control unit (not shown) of the upper control level, the latter breaks the battery charging circuit using the switch in the hierarchical battery management system (on not shown) and through a serial communication channel 8 and the corresponding control control device 7 starts flyback DC / DC voltage converters 5, respectively They are charged faster than other drives 2, transferring energy from them to other undercharged drives 2 through the corresponding linear converters 6. After which the battery charger is connected again. Thus, selective alignment with energy redistribution between the accumulators 2 of the battery is carried out with the accumulation of data from the process of charging balancing. The specified procedure for balancing the battery during charging allows you to achieve maximum charge in each drive 2 to the end of charging. During discharge, the receipt of all energy from the battery is limited primarily by the moment of discharge of the drive with the lowest capacity, known in the hierarchical battery management system due to the accumulation of statistical data. Preventing premature discharge of several drives 2 with the smallest capacity by adding a charge to them with a balancing current gives the greatest effect in winning the useful capacity of the battery. Support for such drives can be performed during the discharge time, and when discharging for a short time, a significant current of "support" is required. The necessary energy for the specified support current can be distributed on a large number of "good" and "medium" drives, also known to the hierarchical battery management system due to the accumulation of statistical data. When constructing a balancing system with a combining energy exchange DC bus 3, the charge equalization problem is solved by combining in the balancing nodes 1 of the drive control units 4 two specialized converters: flyback in the current mode (with fixed power) 5 for transferring energy to the energy exchange trunk 3 and a powerful forward-flow DC / DC converter 6 for transferring energy from the energy exchange line 3 to the drive 2. Due to the "soft" load characteristic of the power supply In the energy exchange line of current-operating flyback converters 5, a powerful unregulated forward-flow converter 6 from line 3 with a hard voltage conversion coefficient sets the voltage in the energy exchange line 3 to the voltage on the drive 2 times its conversion coefficient. Since, to support the drive, it is possible to include up to 80% of drives with excess and unused charge to transfer energy to the DC bus 3, it is possible to set the power ratio of DC / DC converters 5 and 6 from 1: 5 to 1:30. Compared with a system using balancing nodes on symmetric bi-directional flyback converters, the proposed equalizing device 1 allows one to achieve high transmitted power and a large balancing current by obtaining the required energy from a large number of drives and using a more efficient forward-pass converter, for example, a resonant or quasi-resonant type, as which modules IB050E120T32N1-00 4: 1: Up to 300 W Output or IB050E96T48N1-00 1: 5 500 W Output from Vicor Intermediate Buc can be selected Converter Module.

Claims

A leveling device for a hierarchical battery management system for electric energy storage devices with an isolated DC energy exchange and drive control units, battery-powered and containing a step-up DC / DC voltage converter, connected to the input of the corresponding battery storage device via a microcontroller device for monitoring and control of the storage control unit , on the output to the energy-exchange insulated DC bus and on the control input to the first control output of the microcontroller device for monitoring and controlling the drive control unit, the output of the serial interface of which is connected to the serial communication channel of the hierarchical battery management system, characterized in that the equalizing device contains a direct-current DC / DC unregulated step-down voltage converter with a hard transfer characteristic connected at the input to an energy-exchange isolated DC bus, by output to the corresponding drive The batteries through the control and drive control of the control unit and the control input of microcontroller device to the second control output of microcontroller and the control device controls the drive control unit hierarchical battery control system.