RU153793U1 - BATTERY MANAGEMENT SYSTEM - Google Patents

BATTERY MANAGEMENT SYSTEM Download PDF

Info

Publication number
RU153793U1
RU153793U1 RU2013134678/07U RU2013134678U RU153793U1 RU 153793 U1 RU153793 U1 RU 153793U1 RU 2013134678/07 U RU2013134678/07 U RU 2013134678/07U RU 2013134678 U RU2013134678 U RU 2013134678U RU 153793 U1 RU153793 U1 RU 153793U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
battery
cells
cell
balancing
voltage
Prior art date
Application number
RU2013134678/07U
Other languages
Russian (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 RU2013134678/07U priority Critical patent/RU153793U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU153793U1 publication Critical patent/RU153793U1/en

Links

Images

Landscapes

  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

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. Аккумуляторная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что преобразователи синхронизированы общим управляющим сигналом от блока общего управления..1. A battery consisting of many cells, characterized in that the cells of the battery are connected in series by direct current, and by alternating current in parallel through a transformer balancing system. 2. The battery according to claim 1, characterized in that each cell is equipped with a DC-to-AC converter. 3. The battery according to claim 1, characterized in that the converters are synchronized by a common control signal from the common control unit.

Description

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использовано в зарядных устройствах литий-ионных батарей.The utility model relates to electrical engineering and can be used in chargers of lithium-ion batteries.

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 это 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.With the advent of lithium batteries, the problem of their proper use has become acute. For example, in electric vehicles at high capacities and currents, such batteries turned out to be very sensitive to overcharging and overdischarging, which makes them fail. Batteries are also sensitive to improper operation (memory effect, polarity reversal, sulfation, etc.), but with small capacities and relative cheapness this problem is not so urgent. The Battery Management System (SUAKB) solves the problem of maintaining the battery in optimal condition for a long time without the need for frequent intervention by specialists for periodic maintenance and diagnostics. It also solves a number of secondary tasks related both to maintenance and diagnostics (in case of serious problems), and (in the future) with the introduction of additional functionality, such as tracking the position of a vehicle.

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 стечением времени может усугубляться. Если не проводить постоянный мониторинг состояния ячеек, аккумуляторная батарея может выйти из строя достаточно быстро.In the process of functioning of rechargeable batteries (batteries) based on lithium-ion technology, the task arises of maintaining the cells of the batteries in a balanced state, because the cells immediately after production have slightly different characteristics, and this difference may be aggravated over time. If you do not constantly monitor the state of the cells, the battery may fail quickly enough.

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.When charging the battery, recharge of the battery cells should be prevented, which leads to the fact that one recharged cell forces the charger to stop the process, and other battery cells may not be fully charged.

Традиционно данная задача решается использованием специальных устройств под названием BTS - Battery Maagement System, которые реализуют следующие функции:Traditionally, this problem is solved using special devices called BTS - Battery Maagement System, which implement the following functions:

- 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);- prevention of overdischarge of cells (as soon as the voltage on any cell falls below a certain threshold, the BMS forcibly disconnects the load until the battery is recharged);

- предотвращение перезаряда ячеек (как только напряжение на любой ячейке становится выше определенного порога, BMS отключает ЗУ);- prevention of overcharging cells (as soon as the voltage on any cell becomes higher than a certain threshold, BMS disables the memory);

- 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).- cell balancing (when the voltage on any cell becomes higher than a certain threshold, which is below the threshold for switching off the memory, BMS starts to expend excess charge from the cell through a special energy-consuming element).

При балансировке ячеек обычно выравнивают либо напряжение, либо заряд на ячейках. Существуют два способа реализации балансировки:When balancing cells, they usually equalize either voltage or charge on the cells. There are two ways to implement balancing:

- пассивный,- passive

- активный.- active.

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.With a passive circuit, the excess charge of some cells is spent idle through resistors so that the remaining cells can continue to charge. Such a system is simple, but it generates a lot of heat, it takes a lot of time and only works when charged. When discharged, the passive system can only turn off the entire battery when the weakest cell is discharged. Thus, the capacity of the entire battery (in ampere-hours) will be equal to the capacity of the weakest cell.

Из уровня техники известна микросхема BQ77PL900, 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.The prior art microcircuit BQ77PL900, which provides protection for battery packs with 5-10 series-connected batteries. The microcircuit is a functionally complete unit and can be used to work with the battery compartment. Comparing the cell voltage with the threshold, the chip, if necessary, turns on the balancing mode for each of the cells. If the voltage of any battery exceeds a predetermined threshold, field-effect transistors are turned on and a load resistor is connected in parallel with the battery cell, through which current goes around the cell and no longer charges it. The remaining cells while continuing to charge. When the voltage drops, the field effect transistor closes and charging can continue. Thus, at the end of charging, all cells will have the same voltage.

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%.When applying the balancing algorithm, which uses only the voltage deviation as a criterion, incomplete balancing is possible due to the difference in the internal resistance of the batteries, on which part of the voltage drops when current flows through the battery, which, in turn, introduces an additional error in the voltage spread during charging . The battery protection microchip cannot determine what caused the imbalance - by the different capacity of the batteries or by the difference in their internal resistances. Therefore, with this type of passive balancing, there is no guarantee that all batteries will be 100% charged.

В микросхеме BQ22084 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.The BQ22084 chip uses an improved version of the balancing, also based on a change in voltage, but in order to minimize the effect of the spread of internal resistances, the BQ2084 balances closer to the end of the charging process when the charge current is small.

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.In this technology, for each battery, the Qneed charge required to fully charge it is calculated, after which the difference between the Qneed of all batteries is found. Then, the microcircuit includes power switches, which discharge all cells to the level of the least charged, until the charges equalize.

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.Due to the fact that the difference in the internal resistances of the batteries does not affect this method, it can be used at any time, both when charging and when discharging the battery. The main advantage of this technology is more accurate battery balancing compared to other passive methods.

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.Active control systems are divided into capacitive (on capacitors) and inductive (on chokes), all of them are characterized by redistribution of charge between cells, which occurs only between adjacent cells or groups of cells. Capacitance and inductance can build up and give off charge. It is on this principle that balancing is built. The storage cell (C or L) connects to the battery and stores energy from it, then it connects to the neighboring battery and gives up the stored energy if the connected battery has a lower voltage than the storage cell. Balancing occurs over many cycles of energy transfer between batteries and storage cells. Energy is transferred between two adjacent cells in the battery. In terms of energy efficiency, this method is superior to passive balancing, as It transfers energy from a more charged cell to a less charged one with minimal energy loss. This method is preferable in cases when it is required to provide the maximum operating time without recharging.

Из уровня техники для активной балансировки батарей известна микросхема BQ78PL14 компании TI, 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.The prior art for active battery balancing is known to TI's BQ78PL14 chip, manufactured using PowerPump technology, which uses an inductive converter to transmit energy. PowerPump uses an n-channel p-channel field effect transistors and an inductor, which is located between a pair of batteries. Field effect transistors and a choke constitute a step-down / step-up converter. Energy losses are small and almost all of the energy flows from a heavily charged battery to a low charged one. Due to the high balancing currents, PowerPump technology is much more efficient than conventional passive balancing with energy dissipation. In the case of balancing the laptop battery pack, the balancing currents are 25 ... 50 mA. By choosing the value of the components, it is possible to achieve balancing efficiency 12-20 times better than with the passive method with internal keys. A typical unbalance value (less than 5%) can be achieved in one or two cycles.

Из уровня техники известна микросхема ICL7660 (MAX1044 или отечественный аналог КР1168ЕП1) 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.The prior art microcircuit ICL7660 (MAX1044 or domestic counterpart KR1168EP1) charge transfer, which uses not an inductive but a capacitive storage (voltage converters on switched capacitors). Basically, the microcircuit is used to obtain a negative voltage equal to its supply voltage. However, if the negative voltage at its output turns out to be larger for some reason than the positive supply voltage, then the microcircuit will begin to pump the charge “in the opposite direction”, taking it from the minus, and giving it to the plus, i.e. she is constantly trying to balance these two tensions. This property was used to balance two battery cells. The microcircuit with a high frequency connects the capacitor to either the upper or lower battery. Accordingly, the capacitor will be charged from a more charged one and discharged to a more discharged one, each time transferring some portion of the charge. Over time, the voltage on the batteries will become the same. The energy in the circuit practically does not dissipate, the efficiency of the circuit can reach 95 ... 98% depending on the voltage on the batteries and the output current, which depends on the switching frequency and capacitor. At the same time, the consumption of the microcircuit is only a few tens of microamps, i.e. is below the self-discharge level of many batteries, and therefore the chip can not be disconnected from the battery, and it will do the work of equalizing the voltage on the cells. The pumping current can reach 30 ... 40 mA, but the efficiency is reduced. The supply voltage can be from 1.5 to 10 V, which means that the microcircuit can balance both normal Ni-Mh fingers and lithium batteries.

Данная полезная модель предназначена 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). Полезная модель 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.This utility model is designed to protect, monitor conditions, balance the battery during charge / discharge and belongs to a large and diverse class of devices known in the world as BMS (Battery Manager System). The utility model can be used with efficient energy storage devices based on lithium-ion batteries for electric vehicles, UPS systems, off-grid storage devices, in stationary uninterruptible (emergency) power supply devices.

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.The main advantages when using this invention include: reduced charge time and increased battery discharge time. When discharged, less capacious cells will receive energy from more capacious ones, and when charged, less capacious cells will give off excess charge to more capacious cells. In this case, the capacity of the entire battery (in ampere-hours) will approximately correspond to the average capacity of all cells, and in watt-hours - the sum of watt-hours of all cells.

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 порядкка 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).When charging the battery, not only the voltage of the cell, but also its internal resistance is taken into account. This allows you to speed up the process of charging the cell since avoids too early shutdowns of the memory due to the fact that the total voltage on the cell (which consists of the internal voltage of the cell plus internal resistance multiplied by the charging current) exceeds the threshold. When balancing batteries, a new technical solution is used that allows you to redistribute energy from more capacious cells to less capacious ones. The technical solution used allows achieving balancing currents three orders of magnitude higher than the balancing currents of traditional BMS (tens, hundreds of amperes versus tens and hundreds of milliamps). Also used technical solution gives a gain in energy consumption since the excess charge of the cell is not dissipated in the heating element, but is redistributed to other cells with high efficiency (90% and higher).

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.To achieve this result, a rechargeable battery was created, consisting of many cells, characterized in that the cells of the battery are connected in series by direct current, and by alternating current in parallel through a transformer balancing system. Moreover, each cell can be equipped with a DC to AC converter.

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.For the efficient operation of the battery, it is proposed to use a control system that comprises a general control unit and control units of each of a plurality of battery cells. Moreover, each cell of the set is controlled by its own unit, which may contain a microcontroller, configured to receive data on the state of the cell, transmit the received information to the general control unit, and balance the cell voltage with high currents (upon receipt of a control command from the general control unit). The balancing mode can work when charging, when the battery is low, and also in idle state.

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.It is assumed that the battery converters can be synchronized by a common control signal from the common control unit, or, depending on the state of the cell, the synchronous conversion of direct current to alternating current and vice versa from alternating to direct is carried out by a signal from the control system.

Ниже приведено детальное описание аккумуляторной батареи.Below is a detailed description of the battery.

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.A rechargeable battery is a chain of series-connected cells or groups of parallel-connected cells (such groups are hereinafter referred to as a single cell of increased capacity). The battery current is the same for all cells, both during charging and during discharge, but since in the general case the capacity of the cells is different (due to technological variation or as a result of aging), the cells will come to full discharge (charge) at different times. In order for all cells to come to this point at the same time, it is necessary that the current in each cell depends on its capacity, and this is only possible with parallel connection of the cells.

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.The proposed solution allows you to connect cells simultaneously and in series and in parallel. By direct current, all cells are connected in series, and by alternating current - in parallel, through transformers. For this, each cell is equipped with an individual DC-to-AC converter, which enters the transformer and through it into the common balancing bus. The secondary windings of transformers from all cells are combined in parallel. All converters are synchronized by a common control signal. As long as there is a clock signal, the cells exchange energy with each other according to the principle of communicating vessels, those cells that have an increased potential, drain energy into the balancing bus, and the rest are fed from it. The process goes to the full potential equalization of the cells or to turn off the clock.

Устройство, в базовой конфигурации, состоит из двух типов блоков: платы общего управления и плат управления отдельными ячейками. Количество последних зависит от количества ячеек в батарее.The device, in its basic configuration, consists of two types of blocks: general control cards and individual cell control cards. The number of the latter depends on the number of cells in the battery.

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:The general control board performs general functions to coordinate all actions performed on the battery. It is she who monitors the functioning of individual cells (she receives this information from control boards of individual cells) and decides what actions should be taken. A short list of what she does:

- разрешает или запрещает режим заряда, общается с ЗУ и выбирает правильный ток зарядки (при наличии такой возможности в ЗУ);- allows or disables the charge mode, communicates with the charger and selects the correct charging current (if available in the charger);

- выключает нагрузку при переразряде батареи;- turns off the load when the battery is overdischarged;

- осуществляет функции защиты батареи от аварийных перегрузок и короткого замыкания;- performs the functions of protecting the battery from emergency overloads and short circuits;

- в случае обнаружения разбалансированности батареи, включает режим балансировки и управляет всеми индивидуальными платами управления ячейками, синхронизируя их работу;- in case of imbalance in the battery, it turns on the balancing mode and controls all individual cell management boards, synchronizing their work;

- предоставляет при необходимости инженеру доступ к полной информации о состоянии батареи. Доступ осуществляется подключением компьютера к СУАКБ через специальную программу;- If necessary, gives the engineer access to complete information about the state of the battery. Access is provided by connecting a computer to the SIAKB through a special program;

- реализует световую и звуковую сигнализацию в случае нештатных ситуаций.- implements light and sound alarms in case of emergency situations.

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:Single-cell control board executes the commands of the general control board. On it are the power elements that provide balancing the battery with high currents; these elements are also controlled by the general management board. The individual cell control board is responsible for the following functions:

- измерение напряжения ячейки;- measurement of cell voltage;

- измерение тока балансировки;- measurement of balancing current;

- вычисление заряда ячейки, утекшего через балансировочную цепь (необходима плате общего управления для вычисления уровня заряда отдельных ячеек);- Calculation of the charge of a cell leaked through the balancing circuit (required by the general control board to calculate the charge level of individual cells);

- передача измеренной и вычисленной информации по запросу плате общего управления;- transmission of measured and calculated information upon request to the general management board;

- передача сигнала плате общего управления в случае, если напряжение ячейки выходит за максимально допустимые значения.- signal transmission to the general control board in case the cell voltage exceeds the maximum permissible values.

- балансировка напряжения ячеек по команде платы общего управления.- balancing the voltage of the cells at the command of the general control board.

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 K1 и K2, соединенных с ячейкой Cell1 через обмотки L1 и L2 трансформатора T1. При замыкании ключа K1 начинает течь ток через обмотку L1, при этом в обмотке L3 наводится ЭДС, пропорциональная напряжению ячейки. При замыкании ключа K2 ток течет через обмотку L2, в обмотке L3 также наводится ЭДС, пропорциональная напряжению ячейки, но противоположной полярности. Ключи K1 и K2 работают попеременно под управлением внешнего синхросигнала, таким образом, на выводах обмотки L3 присутствует переменное напряжение пропорциональное напряжению ячейки. Коэффициент пропорциональности задается коэффициентом трансформации трансформатора T1. 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 K1 и K2 будут выполнять роль синхронных выпрямителей для питания ячейки-реципиента.In FIG. 1 shows a block diagram of a transformer balancing module for each cell. The module of each cell consists of the cell itself and the converter circuit, which consists of the keys K1 and K2 connected to the cell Cell1 through the windings L1 and L2 of the transformer T1. When the key K1 is closed, current begins to flow through the winding L1, while an EMF proportional to the cell voltage is induced in the winding L3. When the key K2 is closed, current flows through the winding L2, in the winding L3 an EMF is also induced, proportional to the cell voltage, but of opposite polarity. The keys K1 and K2 operate alternately under the control of an external clock signal, thus, at the terminals of the winding L3 there is an alternating voltage proportional to the cell voltage. The proportionality coefficient is set by the transformation coefficient of the transformer T1. If there is more than one module in the system and the terminals of the L3 windings of the modules are connected by a balancing bus (Fig. 2 shows a block diagram of a battery equipped with a transformer balancing system), then this bus will have a voltage proportional to the voltage of the cells with the highest potential, these cells will become donors, and the rest are recipients. For donors, the windings L1 and L2 will be primary, and the winding L3 will be secondary. In recipients, on the contrary, L3 is primary, and L1 and L2 are secondary, the keys K1 and K2 will act as synchronous rectifiers to power the recipient cell.

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.Through the balancing bus, all cells are connected in parallel and on an equal footing, that is, energy can flow from any cell to any other, the direction depends on the potential difference of the cells.

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.Unlike the world-famous balancing methods, the SIAKB is based on the transformer auto-balancing method, which consists in the following: a transformer and a synchronous rectifier connected to each of the battery cells of the battery, clocked from the Battery Control Module, and the secondary windings of the transformers are interconnected, combining the Modules Control Cells in a common system. This allows you to virtually connect in parallel all the cells of the battery to each other through alternating current. Which, in turn, allows balancing constantly in any operating mode of the battery. The principle of operation is based on the fact that the generated alternating voltages at the output of the secondary windings of the transformers will vary depending on the voltage of the cell to which the transformer is connected. And, accordingly, the balancing currents will flow from those transformers, the voltage on the secondary windings, which is higher, and flow into those whose voltages on the secondary windings are lower, due to which the battery cells will be balanced.

Главной отличительной особенностью предлагаемого решения является то, что система позволяет перекачивать энергию ячейки из любой в любую, и неважно на каком потенциале батареи находиться ячейки донора и реципиента. Так же стоит выделить способность системы развивать балансировочные токи порядка 20-50 Ампер 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.The main distinguishing feature of the proposed solution is that the system allows you to transfer the energy of the cell from any to any, and no matter what potential of the battery the cells of the donor and recipient are located. It is also worth highlighting the ability of the system to develop balancing currents of the order of 20-50 Amps at this stage of development. The balancing currents depend on the level of battery unbalance (the higher the unbalance, the higher the balancing current). That allows you to use balancing in any mode of battery operation, taking into account the estimated load currents of the battery and the required speed of balancing.

Потребляемая мощность самой системой минимальна и сопоставима с токами утечки аккумуляторных батарей, что позволяет говорить о КПД системы не менее 90%.The power consumption of the system itself is minimal and comparable with the leakage currents of the batteries, which allows us to talk about the system efficiency of at least 90%.

По вышеизложенной классификации БМС, СУАКБ на данном этапе разработки, относится к БМС с активной балансировкой и алгоритмом балансировки по напряжению.According to the above classification of BMS, SUAKB at this stage of development, refers to the BMS with active balancing and voltage balancing algorithm.

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.The battery can be charged through the balancing bus, for this it is enough to apply the corresponding supply voltage to the balancing bus, coordinated in frequency and phase with the operation of the keys. This will be equivalent to connecting another cell to the balancing bus, but with infinite capacity and voltage corresponding to a fully charged cell. The currents of each cell will be different and depend on their state, while all cells will be charged in one time.

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).Battery discharge through the balancing bus is also possible. Since the voltage on the balancing bus does not depend on the number of cells in the battery, using one load device it will be possible to discharge the batteries with different total voltages, which can be convenient for carrying out CTZ (control and training cycles).

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.With sufficient power for transformers and keys, a transformer balancing system can replace one or more cells that are not in the battery for some reason. If the load currents are comparable to the balancing currents.

На экспериментальной установке, состоящей из двух ячеек по 200Ач, соединенных только по балансировочной шине, при разнице потенциалов ячеек 0,5 вольта ток перекачки из одной ячейки в другую составлял 20-25 ампер.In an experimental setup consisting of two 200Ah cells connected only by a balancing bus, with a cell potential difference of 0.5 volts, the pumping current from one cell to another was 20-25 amperes.

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 вольта, разряд первой ячейки практически прекратился, так как ток разряда сравнялся с током заряда, поступающего со второй ячейки.By discharging one cell with a current of 20 A, the discharge current of the second cell, not connected to the load, was recorded. The current increased to 20 A as the first cell was discharged, and when the potential difference of the cells reached 0.5 volts, the discharge of the first cell almost stopped, since the discharge current was equal to the charge current coming from the second cell.

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 вольта, первая ячейка практически перестала заряжаться, так как весь поступающий ток перекачивался через шину балансировки во вторую ячейку.When charging one cell with a stable current of 20 A, the charge current of the second cell was not connected to the charger. The pumping current grew with the growth of the cell potential difference and when reaching 0.5 volts, the first cell almost stopped charging, since all the incoming current was pumped through the balancing bus to the second cell.

На фиг. 3 изображен общий вид модуля трансформаторной автобалансировки.In FIG. 3 shows a general view of a transformer auto-balancing module.

Полезная модель была раскрыта выше со ссылкой на конкретные варианты его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления полезной модели, не меняющие ее сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, полезную модель следует считать ограниченной по объему только нижеследующей формулой полезной модели.A utility model has been disclosed above with reference to specific options for its implementation. For specialists, other embodiments of the utility model that do not change its essence, as disclosed in the present description, may be obvious. Accordingly, a utility model should be considered limited in scope only by the following utility model formula.

Claims (3)

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.1. The battery, consisting of many cells, characterized in that the cells of the battery in direct current are connected in series, and in alternating current in parallel through a transformer balancing system. 2. Аккумуляторная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что каждая ячейка снабжена преобразователем постоянного тока в переменный ток.2. The battery according to claim 1, characterized in that each cell is equipped with a DC to AC converter. 3. Аккумуляторная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что преобразователи синхронизированы общим управляющим сигналом от блока общего управления.3. The battery according to claim 1, characterized in that the converters are synchronized by a common control signal from the common control unit. .
Figure 00000001
.
Figure 00000001
RU2013134678/07U 2013-07-24 2013-07-24 BATTERY MANAGEMENT SYSTEM RU153793U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013134678/07U RU153793U1 (en) 2013-07-24 2013-07-24 BATTERY MANAGEMENT SYSTEM

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013134678/07U RU153793U1 (en) 2013-07-24 2013-07-24 BATTERY MANAGEMENT SYSTEM

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU153793U1 true RU153793U1 (en) 2015-08-10

Family

ID=53796532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013134678/07U RU153793U1 (en) 2013-07-24 2013-07-24 BATTERY MANAGEMENT SYSTEM

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU153793U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805971C1 (en) * 2020-04-28 2023-10-24 Энертек Интернэшнл, Инк. Control device for parallel-connected high-voltage batteries and its method of operation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805971C1 (en) * 2020-04-28 2023-10-24 Энертек Интернэшнл, Инк. Control device for parallel-connected high-voltage batteries and its method of operation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2546978C2 (en) Battery and battery control system
CN102422503B (en) Power management circuit for rechargeable battery stack
US9318910B2 (en) Cell balancing circuit and cell balancing method using the same
EP3238326B1 (en) Multisource power delivery system
US10193356B2 (en) Electrochemical energy accumulator and balancing method
US9537329B2 (en) Battery management circuit maintaining cell voltages between a minimum and a maximum during charging and discharging
CN103329390B (en) Chargeable cell system and rechargeable battery system operational
JP2014511095A (en) Rechargeable battery system and method of operating the same
CN103548234A (en) Battery device
US20090140693A1 (en) Flyback charge redistribution apparatus for serially connected energy storage devices using flyback-type converters
Yildirim et al. Evaluation and comparison of battery cell balancing methods
JP7276893B2 (en) Power supply system and management device
KR20130001234A (en) Charge equalization system for batteries
Cadar et al. Active balancing method for battery cell equalization
Ketzer et al. Evaluating circuit topologies for battery charge equalization
CN109274149B (en) Electrical energy exchange device, battery device and battery maintenance system
RU153793U1 (en) BATTERY MANAGEMENT SYSTEM
RU2743789C1 (en) Balancer of voltages of electric energy accumulators and a method of charge voltage alignment on series connected n electric energy accumulators
TWI667863B (en) High voltage battery dynamic balance method
TWI667862B (en) High voltage battery management and balancing circuit architecture
Jian et al. Charging scenario of serial battery power modules with buck-boost converters
Ramaprabha et al. An active battery equalizer for series connected battery applications
Liu et al. New type equalization circuit and management system of Li-ion battery
Tavakoli Modular Voltage Balancing Networks for Series Connected Battery Cells
Ko et al. The EV charging system using module balancing method in V2G system

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20160725

NF1K Reinstatement of utility model

Effective date: 20170920

PD1K Correction of name of utility model owner
QB9K Licence granted or registered (utility model)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180111

Effective date: 20180111

MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20190725