UA155218U

UA155218U - BALANCED CHARGER FOR LITHIUM-ION BATTERIES

Info

Publication number: UA155218U
Application number: UAU202302281U
Authority: UA
Inventors: Олександр Андрійович Дзюбенко; Володимир Якович Двадненко
Original assignee: Харківський Національний Автомобільно-Дорожній Університет
Priority date: 2023-05-15
Filing date: 2023-05-15
Publication date: 2024-01-31

Abstract

Балансуючий зарядний пристрій для літій-іонних акумуляторних батарей складається з послідовно з'єднаних комірок або груп паралельно з'єднаних комірок. Містить потужне спільне джерело постійного струму з обмеженням струму через батарею на рівні номінального зарядного струму акумуляторної батареї, а також блоки контролю та балансування напруги комірки або групи комірок акумуляторної батареї. Блоки контролю та балансування напруги для кожної комірки або групи комірок виконані у вигляді малопотужних зарядних пристроїв з обмеженням зарядного струму та стабілізацією вихідної напруги, вихід кожного з блоків контролю та балансування підключений до своєї комірки або групи паралельно з'єднаних комірок і кожен блок контролю та балансування має функцію контролю граничних значень максимальної та мінімальної напруги комірки або групи паралельно з'єднаних комірок, також має гальванічно розв'язаний замикач для передачі цієї інформації до загальної шини керування, підключеної до блока керування з функцією відключення потужного спільного джерела постійного струму або корисного навантаження акумуляторної батареї. Входи всіх малопотужних зарядних пристроїв з'єднані паралельно і підключені, при зарядці, до джерела електричної енергії.A balancing charger for lithium-ion batteries consists of cells connected in series or groups of cells connected in parallel. Contains a powerful common DC source with current limitation through the battery at the level of the nominal charging current of the battery, as well as units for controlling and balancing the voltage of a cell or group of cells of a battery. Voltage control and balancing units for each cell or group of cells are made in the form of low-power chargers with charging current limitation and output voltage stabilization, the output of each of the control and balancing units is connected to its own cell or group of parallel-connected cells and each control and balancing unit has the function of controlling the limit values of the maximum and minimum voltage of a cell or a group of cells connected in parallel, and also has a galvanically isolated breaker for transmitting this information to the common control bus connected to the control unit with the function of disconnecting a powerful common source of direct current or the payload of the battery batteries The inputs of all low-power chargers are connected in parallel and connected, when charging, to a source of electrical energy.

Description

Корисна модель належить до пристроїв для підвищення ефективності зарядного пристрою та зниження його нагріву, а саме до балансуючого зарядного пристрою для літій-іонних акумуляторних батарей.A useful model belongs to the devices for increasing the efficiency of the charger and reducing its heating, namely the balancing charger for lithium-ion batteries.

Різні типи акумуляторів мають особливості експлуатації. Розглянемо літій-іонні акумулятори, що найбільш широко застосовують для електромобілів. Завдяки високому електрохімічному потенціалу літію вони мають найвищу напругу одного елемента (однієї банки), отже, і високу питому енергію. Однак, через високу хімічну активність літію, необхідно уникати хімічних реакцій, що ведуть до появи металевого літію в акумуляторі. Для цього робота літієвих акумуляторів заснована на процесах інтеркаляції та деінтеркаляції іонів у матеріали анода та катода.Different types of batteries have operational features. Consider lithium-ion batteries, which are most widely used for electric vehicles. Due to the high electrochemical potential of lithium, they have the highest voltage of one cell (one bank), therefore, and a high specific energy. However, due to the high chemical activity of lithium, it is necessary to avoid chemical reactions leading to the appearance of lithium metal in the battery. For this purpose, the operation of lithium batteries is based on the processes of intercalation and deintercalation of ions in the anode and cathode materials.

В основі безпечної та ефективної експлуатації літій-іонних батарей лежить безперервний контроль за основними параметрами акумулятора, а також моніторинг історії заряду/розряду та фактичної ємності. При формуванні багатоелементної послідовно з'єднаної лиітій-іонної акумуляторної батареї виникає проблема розкидання напруги та рівнів заряду окремих акумуляторних комірок (банок) ("розбаланс банок"). Після досягнення хоча б на одній з комірок мінімальної критичної напруги, при розряді, необхідно відключити батареї від навантаження, оскільки подальший розряд спричинить порушення вимог експлуатації. Відповідно, при заряді, після досягнення хоча б на одній з комірок максимальної критичної напруги, необхідно відключити батарею від зарядки. У цьому випадку ємність батареї визначатимуть ємністю найслабшої комірки.The basis of safe and efficient operation of lithium-ion batteries is the continuous control of the main parameters of the battery, as well as the monitoring of charge/discharge history and actual capacity. When forming a multi-element serially connected lithium-ion battery, there is a problem of spreading voltage and charge levels of individual battery cells (cans) ("unbalance of cans"). After reaching the minimum critical voltage on at least one of the cells, during discharge, it is necessary to disconnect the batteries from the load, since further discharge will cause a violation of operational requirements. Accordingly, during charging, after reaching at least one of the cells the maximum critical voltage, it is necessary to disconnect the battery from charging. In this case, the capacity of the battery will be determined by the capacity of the weakest cell.

Таким чином, щоб підвищити експлуатаційні характеристики акумуляторних батарей, необхідно керувати розрядним та зарядним процесом акумуляторної батареї, а також забезпечити балансування комірок акумуляторів. Отже, актуальною задачею є розробка системи управління режимами батареї, тобто, розробка алгоритму заряду батареї, що складають з п акумуляторних комірок, що забезпечують оптимальне співвідношення накопиченої енергії та часових витрат на процес заряджання та балансування. У таких батареях, залежно від хімічного складу електродів і електроліту в акумуляторі, можуть бути різні межі зарядних і розрядних напруг і струмів.Thus, in order to improve the operational characteristics of storage batteries, it is necessary to control the discharge and charging process of the storage battery, as well as to ensure the balancing of the storage cells. Therefore, an urgent task is the development of a system for managing battery modes, that is, the development of an algorithm for charging a battery consisting of n battery cells that provide an optimal ratio of stored energy and time spent on the charging and balancing process. In such batteries, depending on the chemical composition of the electrodes and electrolyte in the battery, there may be different limits of charging and discharging voltages and currents.

Відомо пристрій балансування літій-іонних акумуляторних батарей, який розглянуто в роботіA device for balancing lithium-ion batteries is known, which is considered in the work

Зо ІРькованов А.С. Системь! баланса І і-іоп аккумуляторньх батарей // Силовая злектроника. 2009.From Irkovanov A.S. System! of the balance of I and iop accumulator batteries // Power Electronics. 2009.

Мо 1), в якому, при зарядці, після досягнення на якій-небудь комірці акумуляторної батареї граничної зарядної напруги, паралельно до неї підключають навантажувальний резистор. Через цей резистор проходить зарядний струм та деякий розрядний струм цієї банки. Через деякий час напруга на цій комірці зменшується до номінального рівня, при якому цей резистор відключають. Так відбувається вирівнювання напруг на всіх елементах батареї. Недоліком такого способу балансування є велика потужність, що розсіюється на навантажувальних резисторах, і зменшення ККД зарядки.Mo 1), in which, during charging, after reaching the limit charging voltage on any battery cell, a load resistor is connected in parallel to it. The charging current and some discharge current of this bank pass through this resistor. After some time, the voltage on this cell decreases to the nominal level, at which this resistor is turned off. This is how the voltages on all battery elements are equalized. The disadvantage of this method of balancing is the large power dissipated on the load resistors and the reduction of charging efficiency.

Найбільш близьким до корисної моделі, що заявляється, є пристрій балансування літій- іонних акумуляторних батарей, який розглянуто в роботі (Разработка устройства для контроля режимов работьі тяговой аккумуляторной батарей / В.Я. Двадненко., Г.С. Сериков, О.Б.The closest to the proposed useful model is the device for balancing lithium-ion batteries, which is considered in the work (Development of a device for controlling the operation modes of a traction battery / V.Ya. Dvadnenko., G.S. Serikov, O.B.

Пушкарь // Автомобіль і електроніка. Сучасні технології. - 2020. - Ме18. - С. 85-90. - Режим доступу: ПОр:/меї.Кнаді.Кна/ком.ца/апісІє/лем/218834/218490)Ї, в якому при зарядці, після досягнення на якій-небудь комірці акумуляторної батареї граничної зарядної напруги, підключений до неї блок контролю та балансування перемикають в режим розряду, а зарядний струм акумуляторної батареї від потужного спільного джерела постійного струму відключають.Pushkar // Automobile and electronics. Modern technology. - 2020. - Me18. - P. 85-90. - Access mode: ПОр:/мей.Кнади.Кна/ком.ца/аписие/лем/218834/218490)І, in which during charging, after reaching the limit charging voltage on any battery cell, a control unit is connected to it and balancing are switched to discharge mode, and the charging current of the battery from a powerful common source of direct current is turned off.

Через цей блок контролю та балансування проходить розрядний струм тільки цієї комірки.The discharge current of only this cell passes through this control and balancing unit.

Через деякий час напруга на цій комірці зменшується до рівня, при якому режим розряду цього блока контролю та балансування відключають і знову вмикають зарядний струм акумуляторної батареї від потужного спільного джерела постійного струму. Так відбувається вирівнювання напруг на всіх елементах батареї. Недоліком такого способу балансування є зменшення ККД зарядки.After some time, the voltage on this cell decreases to a level at which the discharge mode of this control and balancing unit is turned off and on again the battery charging current from a powerful common DC source. This is how the voltages on all battery elements are equalized. The disadvantage of this method of balancing is a decrease in charging efficiency.

В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення ККД зарядки.The basis of the useful model is the task of increasing the charging efficiency.

Поставлена задача вирішується в балансуючому зарядному пристрої для літій-іонних акумуляторних батарей, які складають з послідовно з'єднаних комірок або груп паралельно з'єднаних комірок, що містить потужне спільне джерело постійного струму з обмеженням струму через батарею на рівні номінального зарядного струму акумуляторної батареї, а також блоки контролю та балансування для кожної комірки або групи комірок акумуляторної батареї, згідно з корисною моделлю, застосовують блоки контролю та балансування напруги для кожної банки або групи банок, що виконані у вигляді малопотужних зарядних пристроїв з обмеженням бо зарядного струму та стабілізацією вихідної напруги, вихід кожного з блоків контролю та балансування підключений до своєї комірки або групи паралельно з'єднаних комірок і кожен блок контролю та балансування має функцію контролю граничних значень максимальної та мінімальної напруги комірки або групи паралельно з'єднаних комірок, а також має гальванічно розв'язаний замикач для передачі цієї інформації до загальної шини керування, підключеної до блока керування з функцією відключення потужного зарядного пристрою або відключення корисного навантаження акумуляторної батареї, входи всіх малопотужних зарядних пристроїв з'єднані паралельно і підключені при зарядці до джерела електричної енергії.The task is solved in a balancing charger for lithium-ion batteries, which consist of cells connected in series or groups of cells connected in parallel, containing a powerful common source of direct current with a current limitation through the battery at the level of the nominal charging current of the battery, as well as control and balancing units for each cell or group of battery cells, according to a useful model, voltage control and balancing units are used for each bank or group of banks, made in the form of low-power chargers with charging current limitation and output voltage stabilization, the output of each of the control and balancing units is connected to its cell or a group of parallel-connected cells, and each control and balancing unit has the function of controlling the limit values of the maximum and minimum voltage of the cell or a group of parallel-connected cells, and also has a galvanically isolated breaker to transmit this information to the common control bus connected to the control unit with the function of disconnecting the powerful charger or disconnecting the payload of the battery, the inputs of all low-power chargers are connected in parallel and connected to the source of electrical energy during charging.

Технічним результатом корисної моделі, який вирішується зазначеними вище відмінними ознаками, є підвищення ефективності зарядного пристрою та зниження його нагріву, оскільки потужність основного потужного зарядного пристрою та потужності всіх малопотужних балансуючих пристроїв підсумовують, і всю цю потужність з урахуванням їх ККД використовують для зарядки акумуляторної батареї.The technical result of a useful model, which is solved by the above-mentioned distinguishing features, is an increase in the efficiency of the charger and a decrease in its heating, since the power of the main powerful charger and the power of all low-power balancing devices are summed up, and all this power, taking into account their efficiency, is used to charge the battery.

На кресленні зображена функціональна схема запропонованого зарядного пристрою, де позначено: 1 - комірку акумулятора; 2 - потужне спільне джерело постійного струму з обмеженням струму через батарею на рівні зарядного номінального струму акумуляторної батареї (потужний зарядний пристрій, розрахований на повну напругу акумуляторної батареї); З - блок контролю та балансування для однієї комірки акумулятора; 4 - блок керування; 5 - корисне навантаження акумулятора; 6 - шина керування; 7 - гальванічно розв'язаний замикач.The drawing shows the functional scheme of the proposed charging device, where the following are marked: 1 - battery cell; 2 - a powerful common source of direct current with current limitation through the battery at the level of the charging nominal current of the battery (a powerful charger designed for the full voltage of the battery); C - control and balancing unit for one battery cell; 4 - control unit; 5 - battery payload; 6 - control bus; 7 - galvanically released switch.

Працює запропонований зарядний пристрій наступним чином.The proposed charger works as follows.

При розрядженій акумуляторній батареї після ввімкнення зарядного пристрою починають заряд акумуляторної батареї загальним струмом потужного спільного джерела постійного струму 2, до якого на кожній комірці додають ще й струм її малопотужного зарядного пристрою блока контролю і балансування 3. Такий заряд продовжують до тих пір, поки, на будь-якій комірці, напруга не досягне гранично-допустимої зарядної напруги, після чого блок керування відключає потужне спільне джерело постійного струму 2, за допомогою блока керування 4, але ті комірки, де ще не досягнуте граничне значення напруги заряду продовжують дозаряджатись від своїх малопотужних зарядних пристроїв. Таким чином зарядний пристрій переходить в режим балансування. Потужне спільне джерело постійного струму 2 відключають за допомогою блока керування 4 тому, що керуючу шину 6 закорочують на спільний мінус в одному з блоківWhen the battery is discharged, after turning on the charger, they start charging the battery with the total current of a powerful common direct current source 2, to which the current of its low-power charger of the control and balancing unit 3 is added on each cell. Such charging is continued until, on any cell, the voltage will not reach the maximum allowable charging voltage, after which the control unit turns off the powerful common source of direct current 2, with the help of the control unit 4, but those cells, where the limit value of the charge voltage has not yet been reached, continue to be recharged from their low-power chargers devices Thus, the charger goes into balancing mode. The powerful common DC source 2 is turned off by the control unit 4 because the control bus 6 is shorted to the common minus in one of the units

Зо контролю та балансування З за допомогою гальванічно розв'язаного з банком замикача 7. Після цього заряд кожної комірки продовжують малим струмом від блоків контролю та балансування З у такому режимі балансування. Балансування може тривати будь-який час, оскільки, як і в мобільних пристроях, зарядний струм малопотужних зарядних пристроїв Ізп дорівнює:From control and balancing З with the help of circuit breaker 7, galvanically isolated from the bank. After that, the charge of each cell is continued with a small current from the control and balancing blocks З in this balancing mode. Balancing can last any time, because, as in mobile devices, the charging current of low-power chargers Izp is equal to:

Івп - Озп -ОвБА в з де ШОзп - граничне стабілізоване значення напруги кожного малопотужного зарядного пристрою (блоків контролю та балансування), рівне гранично-допустимій зарядній напрузі комірки акумулятора Овд - напруга на комірці акумулятора, А - опір зарядного ланцюга. Отже, зарядний струм прагне до нуля по мірі наближення напруги на комірці до його гранично допустимого значення, тому балансування покращують щоразу, коли є час потримати достатньо довго акумуляторну батарею в режимі заряджання, наприклад при нічному заряді.Ивп - Озп -ОвBA в з ШОзп - the maximum stabilized value of the voltage of each low-power charger (control and balancing units), equal to the maximum allowable charging voltage of the battery cell Ovd - the voltage on the battery cell, A - the resistance of the charging circuit. Therefore, the charging current tends to zero as the voltage on the cell approaches its maximum permissible value, so balancing is improved whenever there is time to keep the battery in charging mode for a long enough time, for example during overnight charging.

Тому запропонований балансуючий зарядний пристрій для літій-іонних акумуляторних батарей вимагає застосування відносно недорогих балансуючих зарядних пристроїв малої потужності (блоків контролю та балансування), наприклад для акумуляторної батареї ємністю 100 А-год. значення потужності цих зарядних пристроїв достатньо близько 5-15 Вт на комірку. Такі пристрої можуть бути виконані аналогічно до схемотехніки зарядних пристроїв стільникових телефонів, на основі спеціалізованих для цього застосування недорогих мікросхем.Therefore, the proposed balancing charger for lithium-ion batteries requires the use of relatively inexpensive low-power balancing chargers (control and balancing units), for example, for a battery with a capacity of 100 Ah. the power value of these chargers is about 5-15 W per cell. Such devices can be made similar to the circuitry of cell phone chargers, based on inexpensive microcircuits specialized for this application.

При розряді акумулятора схеми контролю та балансування напруги для кожної комірки або групи комірок контролюють напругу на комірках і дають команду на відключення загального розрядного струму, як тільки напруга хоча б на одній комірці знизиться до мінімально допустимого значення. Ця команда реалізується гальванічно розв'язаними замикачами 7 через шину керування 6 і надходить на блок керування 4. Блок керування 4 працює по-різному в режимах заряду і розряду. При роботі в режимі заряду, як було сказано вище, при надходженні сигналу по шині б відбувається відключення потужного зарядного пристрою, тим самим запобігається недопустимий перезаряд комірок акумулятора. При роботі в режимі розряду, при надходженні сигналу по шині 6, блок керування 4 виконує відключення потужного корисного навантаження 5 і тим самим запобігає недопустимому перерозряду комірок акумулятора.When the battery is discharged, the voltage control and balancing circuits for each cell or group of cells monitor the voltage on the cells and give a command to turn off the general discharge current as soon as the voltage on at least one cell drops to the minimum permissible value. This command is implemented by galvanically isolated switches 7 through the control bus 6 and is sent to the control unit 4. The control unit 4 works differently in charge and discharge modes. When working in the charge mode, as mentioned above, when a signal arrives on the bus, the powerful charger will be turned off, thereby preventing unacceptable overcharging of the battery cells. When operating in the discharge mode, when a signal is received on bus 6, the control unit 4 disconnects the powerful payload 5 and thereby prevents unacceptable overdischarge of the battery cells.

Claims

UTILITY MODEL FORMULA A balancing charger for lithium-ion batteries consisting of cells connected in series or groups of cells connected in parallel, containing a high-power common DC source with current limitation through the battery at the level of the rated charging current of the battery, and as well as voltage control and balancing units of a battery cell or group of cells, which is characterized by the fact that the voltage control and balancing units for each cell or group of cells are made in the form of low-power chargers with charging current limitation and output voltage stabilization, the output of each of the control units and balancing is connected to its cell or group of cells connected in parallel and each control and balancing unit has the function of controlling the limit values of the maximum and minimum voltage of the cell or group of cells connected in parallel, and also has a galvanically isolated switch to transmit this information to the common control bus connected to the control unit with the function of disconnecting a powerful common source of direct current or the battery payload, the inputs of all low-power chargers are connected in parallel and connected, during charging, to the source of electrical energy. 1 1 |! GK tu tv 5 A A : A To Her Z 7 - t j t li t 3 3 Z poaiuv ni shSHY 0 Computer programming.

Matseloi 00000000 TO "Ukrainian National Office of Intellectual Property and Innovations", str.

Dmytra Godzenka, 1, m.

Kyiv - 42, 01601