WO2014021735A1 - Иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии - Google Patents

Иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии Download PDF

Info

Publication number
WO2014021735A1
WO2014021735A1 PCT/RU2013/000530 RU2013000530W WO2014021735A1 WO 2014021735 A1 WO2014021735 A1 WO 2014021735A1 RU 2013000530 W RU2013000530 W RU 2013000530W WO 2014021735 A1 WO2014021735 A1 WO 2014021735A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery
drive
microcontroller
control
control unit
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000530
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Олег Иванович СИДОРЕНКО
Владимир Александрович ПОДЛИПАЛИН
Алексей Александрович ЕВСЕЙКИН
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 (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 "Системы управления хранением энергии" (ООО "СУХЭ") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Системы управления хранением энергии" (ООО "СУХЭ")
Priority to US14/362,854 priority Critical patent/US9478994B2/en
Priority to JP2014600079U priority patent/JP3196144U/ja
Priority to DE201321000040 priority patent/DE212013000040U1/de
Publication of WO2014021735A1 publication Critical patent/WO2014021735A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4207—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0018—Circuits for equalisation of charge between batteries using separate charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00302—Overcharge protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00304—Overcurrent protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00306—Overdischarge protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00309—Overheat or overtemperature protection
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the proposed technical solution relates to the field of electrical engineering and can be used to create batteries of electric energy storage devices of various nature: from lithium-ion batteries to ionistors and chemical current sources as part of autonomous power supply systems, including transport, uninterruptible power supplies, systems operational direct current and network drives of electricity.
  • a known battery of electrical energy storage containing many single elements or modules connected in a series electrical circuit, a battery monitoring and control system, as well as electronic units that provide voltage equalization on individual storage elements, the power of which is provided from an additional energy source [RF patent M> 2230418, IPC H02J7 / 00, H01M10 / 44].
  • a disadvantage of the known battery is the difficulty of its operation due to the presence of an external energy source that requires additional maintenance, and in the case of using a stationary energy source - loss of battery autonomy (mobility).
  • the hierarchical control system for the battery of electric energy storage devices powered by the battery itself is the closest to the claimed system [article “Features of the construction of control and protection equipment for high-voltage lithium-ion batteries for power supply systems of spacecraft” / Proceedings of NPP VNIIEM , 2011, v. 123, M 4, pp. 29-34 by M.F. Hansburg, A.I. Gruzdev, V.I. Trofimenko (JSC "AVEKS”)].
  • the known system at the lower control level contains modules of electric energy storage devices with temperature sensors, blocks for specifying the 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 controller serial channel at the middle control level, connected via a serial communication channel with the upper control battery control unit, connect connected to the on-board charger.
  • the device for active equalization at the lower control level is constructed using a transformer circuit that redistributes the energy inside the battery between the drives of the module [RF patent 37884, IPC H02J7 / 00].
  • the indicated active system Compared with passive bypass systems of the most charged drives, the indicated active system, selected as a prototype for the claimed technical solution, allows not only to compensate for the difference in self-discharge of drives, but also partially lose their capacity and balance the battery not only when it is charged, but also in other modes of its operation, including during discharge.
  • the well-known hierarchical system for controlling the battery of electric energy storage has the following disadvantages: 1) the difficulty of implementing the active alignment method using the transformer proposed in it circuits for a high-voltage battery with a large number of drives connected in series (up to 160 pcs.), intended for use in transport, since the transformer in the prototype must have working windings in the number of drives on one core.
  • the claimed technical solution was tasked with creating a hierarchical three-level system for controlling the battery of electric energy storage devices, devoid of the above disadvantages, that is, creating a hierarchical control system with an active transformer leveling circuit, covering any number of drives, allowing you to redistribute energy between them regardless of their location and integrated together with a monitoring and control device with each battery drive, and also provide thermoregulation of the battery at the level of modules of electric energy storage devices.
  • a hierarchical battery management system for electric energy storage devices powered by a battery and containing modules of electrical energy storage devices connected in series with temperature sensors, blocks for setting identification numbers of storage devices and modules and their status indicators and active alignment devices based on a transformer circuit, associated with an appropriate monitoring and control device connected via intramodular serial communication channel through the channel controller to the battery control unit connected to a current sensor connected in series with the drive modules, a fuse switch, and to the on-board charger.
  • the alignment device and the monitoring and control device are made for each battery drive in the form of a single structural control scheme of the lower level - the drive control unit, in which the alignment device is made in the form of a bi-directional energy transfer from a separate drive to the through storage DC battery trunk and vice versa, containing parallel-connected capacitors of drive control units, connected in parallel the secondary windings of the storage transformer, the transformer configured by the type of back-way voltage converter boosting a battery side accumulating line with shunt diodes electronic switches in the primary and secondary windings of the transformer.
  • the control and management device of the drive control unit is made on the basis of a microcontroller supplied from the drive via a voltage boost converter, connected to electronic keys in the primary and secondary windings of the transformer of the alignment device through the driver and galvanically isolated driver, respectively, powered from the voltage boost converter.
  • the primary winding of the storage transformer of the drive control unit is connected to the “+” terminal of the corresponding drive through a fuse and a current sensor and through an electronic key to the “-” terminal of the drive and the common wire of the step-up voltage converter, microcontroller and key management drivers of the drive control unit.
  • the outputs of the current sensor, temperature sensor and the “+” terminal of the drive are connected to the measuring bus of the microcontroller of the drive control unit, to the one-time command bus of which the drive identifier number setting unit, the drive status indicator and the upper and lower level comparators connected to the battery storage line are connected via resettable fuse.
  • the outputs of the serial interface of the microcontroller of the drive control units are connected through the galvanic isolation device to the intramodular serial communication channel connected to the control unit of the mid-level battery control module containing microcontroller powered from the module through a step-down voltage converter.
  • the “+” and “-” terminals of the drive module are connected to the measuring signal bus of the microcontroller of the module control module through the measuring circuit and the “+” and “-” terminals of the battery storage line are connected through the measuring circuit with galvanic isolation.
  • a status indicator of the module and a unit for specifying the module identification number are connected to the bus of one-time commands of the microcontroller of the module control unit, and a thermoregulation unit with actuators in the form of fans, electric heaters, and dampers is connected to the outputs of the microcontroller control signals.
  • the outputs of the serial interface of the microcontroller of the control unit of the module are connected via an galvanic isolation device to the intermodular serial communication channel connected to the battery control unit of the upper control level, which contains a microcontroller with a higher performance and memory capacity, which is powered by a battery, and has a sensor connected to the measuring signal bus current of the battery, through the measuring circuit, the terminals “+” and “-” of the battery are connected, through the measuring circuit with galvanic isolation connects the “+” and “-” buses of the battery storage line, the battery status indicator, the control input of the switch and the on-board charger are connected to the bus of one-time commands, and the outputs of the serial interface are connected through the galvanic isolation to the serial communication channel with external systems and on-board charger.
  • the technical result of the claimed system consists in the fact that a hierarchical three-level control system for the battery of electric energy storage devices is proposed, in which the lower control level is fully integrated with each drive and contains a transformer leveling circuit that allows the energy to be transferred from any drive and back to the battery-through storage path in a controlled manner direct current and thereby selectively redistribute energy between drives regardless of their location under the control of control units of all three levels, while the control unit of the drive module of the average control level additionally solves the problem of thermoregulation of the battery, and the control unit of the battery of the upper control level solves the problem of accumulating statistical data and performing the functions of an electronic archive of events expert analysis for diagnosing battery cells, assessing residual life and optimizing the charge from the on-board charger depending on the state of the drives and environmental conditions, as well as ensuring tolerance to the type of electrical energy storage.
  • the figure shows a functional block diagram of the proposed solution, where 1 is a module of electrical energy storage; 2 - electric energy storage device; 3 - temperature sensor; 4 - charge balancing device; 5 - control and management device; 6, 7, 48 - serial communication channel; 8, 24, 40 - microcontroller; 9 - module control unit; 10 - battery control unit; 11, 28 - current sensor; 12 - switch; 13 - fuse; 14 - on-board charger; 15 - unit for setting identification numbers; 16, 46 - status indicator; 17 - drive control unit; 18 - storage line DC; 19 - capacitor; 20 - storage transformer; 21 - diode; 22 - electronic key; 23 - step-up voltage converter; 25 - driver; 26 - driver with galvanic isolation; 27 - fuse; 29, 35, 42 - bus measuring signals; 30, 38, 45 - the bus of one-time teams; 31 - top level comparator; 32 - lower level comparator; 33 resettable fuse; 34, 41 - step-down voltage converter; 36, 43
  • the claimed system comprises modules 1 of electrical energy storage devices 2 connected in series with temperature sensors 3 and charge equalization devices based on a transformer circuit 4, which redistributes energy between the storage devices 2 of module 1 and is connected to the corresponding control and control device 5 connected via an intramodular serial communication channel 6 with galvanic isolation (not shown in the drawing) and intermodular serial communication channel 7 with galvanic isolation (n not shown) through a channel controller built into the microcontroller 8 of the control unit 9 of module 1, to the battery control unit 10 connected to a current sensor 11 connected in series with the modules 1 of the drives 2, a switch 12 with a fuse 13 and an on-board charger 14.
  • Electrical modules energy storage devices 1 contain blocks 15 for specifying the identification numbers of the modules and the ones installed in them drives and indicators 16 status of modules 1 drives 2 batteries.
  • the alignment device 4 and the control and management device 5 are made for each battery drive 2 in the form of a single structural control circuit of the lower level-drive control unit 17, in which the alignment device 4 is made in the form of a bi-directional energy transfer from a separate drive 2 to a specially created storage line 18 DC and vice versa, containing parallel-connected capacitors 19 of all control units 17 drives 2, connected in parallel to the secondary windings on of an optional transformer 20, made as a transformer of a reverse-voltage converter, increasing the batteries towards the storage line 18, with electronic diodes 21 shunted by 21 diodes 22 in the primary and secondary circuits of the transformer 20.
  • the control and control device 5 of the control unit 17 of the drive 2 is based on powered from the drive 2 through a step-up voltage converter 23 of the microcontroller 24 connected to electronic keys 22 in the primary and secondary circuits of the storage trans the transformer 20 of the alignment device 4 through the driver 25 and the driver with galvanic isolation 26, powered from the step-up voltage converter 23.
  • the primary winding of the storage transformer 20 of the control unit 17 of the drive 2 is connected to the + terminal of the corresponding drive 2 through a fuse 27 and a current sensor 28 and through an electronic key 22 to the "-" terminal of drive 2 and the common wire of the voltage converter 23, the microcontroller 24 and the key management drivers 25, 26 22.
  • the outputs of the current sensor 28, temperature sensor 3 and output The “+” of drive 2 is connected to the bus 29 of the measuring signals of the microcontroller 24 of the control unit 17 of drive 2, to the one-time command bus 30 of which the task unit 15 of drive identification number 2, the status indicator 16 of drive 2 and the comparators of the upper 31 and lower 32 levels are connected to the accumulator line 18 of the battery through a resettable fuse 33.
  • the outputs of the serial interface of the microcontroller 24 of the drive control units 17 are connected through galvanic isolation devices (in the drawing they are not shown) to the intramodular serial communication channel 6 connected to the control unit 9 by the module 1 of the middle level battery control containing the microcontroller 8, powered from series-connected drives 2 module 1 through a step-down voltage converter 34.
  • the terminals “+” and “-” of module 1 are connected through the measuring circuit 36 and, through the measuring circuit with galvanic isolation 37, the conclusions “+” and “-” storage line 18 batteries.
  • the one-time command bus 38 of microcontroller 8 is connected to a status indicator 16 of drive module 2 and task unit 15 and module identification number 1, and the temperature control unit 39 with actuators in the form of fans, heating elements and dampers is connected to the control signal outputs of microcontroller 8 (in the drawing not shown).
  • the outputs of the serial interface of the microcontroller 8 of the control unit 9 of the drive unit 1 are connected via an galvanic isolation device (not shown in the drawing) to the intermodular serial communication channel 7 connected to the battery control unit 10 of the upper control level containing the microcontroller 40 with increased performance and memory capacity, powered by a battery through a step-down voltage converter 41.
  • the terminals “+” and “-” of the battery are connected through the measuring circuit 43, and through the measuring circuit 44 with galvanic isolation of the bus “+” and “-” of the direct current storage line 18, and to the bus of one-time commands 45 of the microcontroller 40 a battery status indicator 46 is connected, a control input of the switch 12 and an on-board charger 14 connected to an external three-phase AC network via terminals 47.
  • the outputs of the serial interface of the microcontroller 40 of the battery control unit 10 are connected through a gal device anicheskoy isolator (not shown) for serial communication with external systems 48 and 14 on-board charger.
  • the claimed hierarchical battery management system of electric energy storage devices operates as follows.
  • a charging current of up to several hundred amperes passes through all drives 2 connected in series, structurally integrated into modules 1 from the “+” terminal to the “-” terminal of the modules and the entire battery, which is recognized the microcontroller 40 of the battery control unit 10, fed from the battery through a step-down voltage converter 41, using the current sensor 11.
  • the microcontroller 40 measures the current in the battery through the measuring signal bus 42 and the ADC integrated in it in magnitude and direction, while the microcontrollers 24 drive control units 17, powered from step-up voltage converters 23, simultaneously measure and constantly monitor the voltage value on each drive 2 of the modules 1 through the bus of the measuring signals 29 using The control and management device 5 of the drive control units 5 to the microcontroller 24 of the ADC control the 5 drive control units 17 and transmit the received information and their identification number specified by unit 15 via the one-time command bus 30, via serial communication channels 6 and 7 through the microcontroller of module 8 to the microcontroller 40 of the block battery management 10.
  • the equalizing device 4 under the control of microcontrollers 24, 8 and 40 can carry out selective internal voltage equalization by redistributing energy between drives 2 of module 1 according to the results of current measurements carried out by microcontroller 24 taking into account the accumulated the microcontroller has 40 statistics.
  • the alignment device 4 operates as follows.
  • the microcontroller 40 issues a command via the serial communication channel 7 to the corresponding control unit of module 9 , which is redirected by the microcontroller 8 of this block through the serial communication channel 6 to the corresponding control unit of the drive 17 in the microcontroller 24 of this block.
  • the microcontroller 24 through the driver 25 closes the key 22 with a PWM signal for a time corresponding to the imbalance, while simultaneously monitoring the current in the primary winding of the transformer 20 through the bus of the measuring signals 29 using the current sensor 28.
  • the selective energy transfer mechanism is launched in the opposite direction to ensure that the selected storage device is charged up to several tens of amperes.
  • the microcontroller 24 closes the key 22 through the driver 26 in the secondary circuit of the transformer 20, after opening which the EMF is induced in the primary winding of the transformer 20, the diode 21 opens and the energy stored in the storage transformer 20 is transferred to the selected drive 2, increasing the voltage on it. If it turned out that the storage line 18 is discharged, this will be detected by the microcontrollers 8 and 40 through the measuring circuits 37 and 44 and the measuring buses 35 and 42, respectively, as well as by the microcontrollers 24 of the control units of the drive 17 using the lower level comparators 32.
  • Alignment schemes 4 of the drive control units 17 2 will then transfer energy from the most charged drives 2 to the storage line 18 until the voltage is within it within acceptable limits, the values of which are stored as settings in the non-volatile memory of the microcontroller 40 of the battery control unit 10. If in during the balancing process, the voltage in the storage line 18 will exceed the upper threshold level, the comparators 31 in the drive control units will work
  • the microcontrollers 24 will stop executing the mode of transferring energy to the storage line 18, and having received a command from the microcontroller 40, they can switch to the mode of transferring energy to the drives 2, thereby discharging the line
  • both intra-module and inter-module voltage equalization can be performed on the battery drives using the described unified mechanism of selective active and bidirectional energy transfer taking into account the statistical data on the quality of its individual drives accumulated during battery operation.
  • the drive control units 17 measure the temperature of the respective drives 2 on one of its born using temperature sensors 3 via the bus of the measurement signals 29 and transmit the measured values via the serial communication channel 6 to the microcontroller 8 of the control unit 9, which maintains the temperature drives 2 of module 1 within the specified limits by turning on or off using the thermoregulation unit 39 actuators (dampers, electric heaters and fans).
  • the microcontrollers 24, 8 and 40 of the control units 17, 9 and 10 respectively provide the corresponding information via the serial communication channels 6, 7 and 48 to external systems.
  • This information also contains data on the number of drives in the modules and the number of modules in the battery, data on the state of the drives (degree of their charge), the voltage values on the modules and the battery, the presence of emergency situations in the battery (overheating, overcharging, overdischarge, failures of the microcontrollers of the control system) .
  • the voltages on the modules 1 are measured by the microcontroller 8 using the built-in ADC and the measuring circuit 36 via the measuring signal bus 35, and the voltage on the battery is measured by the microcontroller 40 by the battery control unit 10 using the built-in ADC and the measuring circuit 43 through the measuring signal bus 42.
  • Fuses 27 in the blocks drives 17 are installed in case of external short circuits of drives 2, self-resetting fuses 33 - in case of current overload of the storage line 18, fuse 13 provides current protection for the entire battery.
  • the battery control unit 10 when it is being charged from the on-board charger 14 generates a command for turning it on, for example, in the form of a “dry” contact closure.
  • Current sensors 11, 28 can be made based on the Hall effect.
  • the information from the current sensor 11 can be used by the microcontroller 40 to correct the voltage values measured at the lower level on the drives, to calculate the charge and discharge capacity of the drives, modules and battery, as well as to protect the battery from current overloads.
  • Thermoregulation block 39 is a set of respective power amplifiers in terms of the number and type of actuators.
  • the status indicators of drives 16, modules 16 and battery 46 in the simplest case can be implemented using LEDs using an intuitive “traffic light” color symbolism, indicating the state of the parameter (for example, voltage on the drive) in three gradations “normal”, “warning”, "crash".
  • the blocks for specifying identification numbers 15 can be made in the form of microswitches or jumpers on the corresponding printed circuit boards.
  • Measuring circuits 36, 43 are conventional circuits with operational amplifiers, and measuring circuits 37, 44 with galvanic isolation are circuits using sigma delta modulation.
  • the use of microcontrollers on each drive compared to the use of specialized microcircuits allows you to quickly change not only the settings, but also the algorithms of the system itself, use complex algorithms with predicting the state of battery cells and minimize the number of uncontrolled battery drives when the control microcontrollers of the lower control level fail .
  • the increased performance and memory capacity of the microcontroller 40 of the upper control level are necessary to ensure the software implementation of the functions of the electronic archive of events and the accumulation of statistical data, expert analysis for diagnosing battery cells, assessing the remaining life and optimizing the charge from the on-board charger 14 depending on the state of the drives 12 and external conditions, as well as ensuring tolerance to the type of electrical energy storage.
  • serial communication channels 6, 7, 48 channels with RS 485 or CAN interfaces can be used.

Abstract

Решение относится к области электротехники и может быть использована при создании высоковольтных батарей электрических накопителей энергии для нужд транспорта и энергетики. Предложена иерархическая трехуровневая система управления батареей электрических накопителей энергии, в которой нижний уровень управления полностью интегрирован с каждым накопителем и содержит трансформаторную схему выравнивания, позволяющую контролируемо передавать энергию с любого накопителя и обратно в сквозную для батареи накопительную магистраль постоянного тока и тем самым селективно перераспределять энергию между накопителями независимо от их месторасположения под управлением блоков управления всех трех уровней, при этом блок управления модулем накопителей среднего уровня управления дополнительно решает задачу терморегуляции батареи, а блок управления батареей верхнего уровня управления решает задачи накопления статистических данных и выполнения функций электронного архива событий, экспертного анализа для диагностирования элементов батареи, оценки остаточного ресурса и оптимизации заряда от бортового зарядного устройства в зависимости от состояния накопителей и внешних условий, а также обеспечения толерантности к типу электрических накопителей энергии.

Description

ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
БАТАРЕЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
Область техники
Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано при создании батарей электрических накопителей энергии различной природы: от литий-ионных аккумуляторов до ионисторов и химических источников тока в составе автономных систем электроснабжения, в том числе на транспорте, в устройствах бесперебойного питания, в системах оперативного постоянного тока и сетевых накопителях электроэнергии.
Предшествующий уровень техники
Проблема обеспечения длительного срока службы высоковольтных и высокоэнергоёмких 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 являются снижение уровня отдаваемой ёмкости 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 напряжений между отдельными элементами батареи (электрическими накопителями энергии) путем селективного шунтирования избыточного напряжения отдельных элементов с помощью резисторов в системе управления батареей с пассивной балансировкой [патент РФ JN°2324263, МПК НОШ 10/48, H02J7/02].
Однако данное техническое решение энергетически не эффективно, так как приводит к непроизводительным потерям энергии, а также вызывает нежелательный перегрев всей батареи, так как выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батареи.
Известна батарея электрических накопителей энергии, содержащая множество единичных элементов или модулей, соединенных в последовательную электрическую цепь, систему контроля и управления батареей, а также электронные блоки, обеспечивающие выравнивание напряжений на отдельных накопительных элементах, питание которых обеспечивается от дополнительного источника энергии [патент РФ М>2230418, МПК H02J7/00, Н01М10/44].
Недостатком известной батареи является сложность её эксплуатации из-за наличия внешнего источника энергии, требующего дополнительного обслуживания, а в случае использования стационарного источника энергии - потеря автономности (мобильности) батареи.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к заявляемой системе является 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, M 4, с.29-34 авторов М.Ф. Ганзбург, А.И. Груздев, В.И. Трофименко (ОАО «АВЭКС»)].
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 с 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 37884, МПК H02J7/00].
По сравнению с системами пассивного шунтирования наиболее заряженных накопителей указанная активная система, выбранная в качестве прототипа к заявляемому техническому решению, позволяет скомпенсировать не только разницу в саморазряде накопителей, но и частично потерю их емкости и балансировать батарею не только при её заряде, но и в других режимах её работы, в том числе и при разряде.
Однако известная иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии имеет следующие недостатки: 1) сложность 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; 2) недостаточная степень интеграции системы управления с самой батареей, не позволяющая реализовать на уровне единичных накопителей энергии не только устройство выравнивания, устанавливаемое непосредственно на борнах каждого накопителя, но и устройство контроля и управления для каждого накопителя, установленное в прототипе на боковой поверхности модулей; 3) на среднем уровне управления в прототипе решается только задача обеспечения обмена информацией между блоками нижнего уровня управления и блоком управления батареей верхнего уровня (шлюзовая задача обработки и ретрансляции данных) и с точки зрения задач управления иерархическая система в прототипе является скорее двухуровневой, чем трехуровневой, в том время как задача обеспечения терморегуляции в батарее остается не охваченной.
Раскрытие технического решения.
Перед заявляемым техническим решение была поставлена задача создания иерархической трехуровневой системы управления батареей электрических накопителей энергии, лишенной перечисленных недостатков, то есть создания иерархической системы управления с активной трансформаторной схемой выравнивания, охватывающей любое количество накопителей, позволяющей перераспределять энергию между ними независимо от их месторасположения и интегрированной вместе с устройством контроля и управления с каждым накопителем батареи, а также обеспечивающей терморегуляцию батареи на уровне модулей электрических накопителей энергии.
Поставленная задача решается тем, что предложена иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая модули последовательно соединенных электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния и устройствами активного выравнивания на основе трансформаторной схемы, связанной с соответствующим устройством контроля и управления, подключенным с помощью внутримодульного последовательного канала связи через контроллер канала к блоку управления батареей, подключенному к соединенным последовательно с модулями накопителей датчику тока, коммутатору с предохранителем и к бортовому зарядному устройству.
Новым в предложенной системе является то, что устройство выравнивания и устройство контроля и управления выполнены для каждого накопителя батареи в виде единой конструктивной схемы управления нижнего уровня - блока управления накопителем, в котором устройство выравнивания выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя в сквозную накопительную магистраль батареи постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы блоков управления накопителями, подключенные параллельно вторичным обмоткам накопительного трансформатора, выполненного по типу трансформатора обратно-ходового преобразователя напряжения, повышающего в сторону накопительной магистрали батареи, с зашунтированными диодами электронными ключами в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Устройство контроля и управления блока управления накопителем выполнено на основе запитанного от накопителя через повышающий преобразователь напряжения микроконтроллера, подключенного к электронным ключам в первичной и вторичной обмотках трансформатора устройства выравнивания через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, запитанные от повышающего преобразователя напряжения. Первичная обмотка накопительного трансформатора блока управления накопителем соединена с выводом «+» соответствующего накопителя через плавкий предохранитель и датчик тока и через электронный ключ к выводу «-» накопителя и общему проводу повышающего преобразователя напряжения, микроконтроллера и драйверов управления ключами блока управления накопителем. Выходы датчика тока, датчика температуры и вывод «+» накопителя подключены к шине измерительных сигналов микроконтроллера блока управления накопителем, к шине разовых команд которого подключены блок задания идентификационного номера накопителя, индикатор состояния накопителя и компараторы верхнего и нижнего уровней, подключенные к накопительной магистрали батареи через самовосстанавливающийся предохранитель. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блоков управления накопителями подключены через устройство гальванической развязки к внутримодульному последовательному каналу связи, подключенному к блоку управления модулем среднего уровня управления батареей, содержащего микроконтроллер, запитанный от модуля через понижающий преобразователь напряжения. К шине измерительных сигналов микроконтроллера блока управления модулем через измерительную схему подключены выводы «+» и «-» модуля накопителей и через измерительную схему с гальванической развязкой выводы «+» и «-» накопительной магистрали батареи. К шине разовых команд микроконтроллера блока управления модулем подключен индикатор состояния модуля и блок задания идентификационного номера модуля, а к выходам сигналов управления микроконтроллера подключен блок терморегуляции с исполнительными органами в виде вентиляторов, электронагревателей и заслонок. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блока управления модулем подключены через устройство гальванической развязки к межмодульному последовательному каналу связи, подключенному к блоку управления батареей верхнего уровня управления, содержащего запитанный от батареи через понижающий преобразователь напряжения микроконтроллер с повышенными производительностью и объемом памяти, к шине измерительных сигналов которого подключен датчик тока батареи, через измерительную схему подключены выводы «+» и «-» батареи, через измерительную схему с гальванической развязкой подключены шины «+» и «-» накопительной магистрали батареи, к шине разовых команд подключен индикатор состояния батареи, управляющий вход коммутатора и бортовое зарядное устройство, а выходы последовательного интерфейса подключены через устройство гальванической развязки к последовательному каналу связи с внешними системами и бортовому зарядному устройству.
Технический результат заявляемой системы состоит в том, что предложена иерархическая трехуровневая система управления батареей электрических накопителей энергии, в которой нижний уровень управления полностью интегрирован с каждым накопителем и содержит трансформаторную схему выравнивания, позволяющую контролируемо передавать энергию с любого накопителя и обратно в сквозную для батареи накопительную магистраль постоянного тока и тем самым селективно перераспределять энергию между накопителями независимо от их месторасположения под управлением блоков управления всех трех уровней, при этом блок управления модулем накопителей среднего уровня управления дополнительно решает задачу терморегуляции батареи, а блок управления батареей верхнего уровня управления решает задачи накопления статистических данных и выполнения функций электронного архива событий, экспертного анализа для диагностирования элементов батареи, оценки остаточного ресурса и оптимизации заряда от бортового зарядного устройства в зависимости от состояния накопителей и внешних условий, а также обеспечения толерантности к типу электрических накопителей энергии.
На фигуре представлена функциональная блок-схема заявляемого решения, где 1 - модуль электрических накопителей энергии; 2 - электрический накопитель энергии; 3 - датчик температуры; 4 - устройство выравнивания заряда; 5 - устройство контроля и управления; 6, 7, 48 - последовательный канал связи; 8, 24, 40 - микроконтроллер; 9 - блок управления модулем; 10 - блок управления батареей; 11, 28 - датчик тока; 12 - коммутатор; 13 - предохранитель; 14 - бортовое зарядное устройство; 15 - блок задания идентификационных номеров; 16, 46 - индикатор состояния; 17 - блок управления накопителем; 18 - накопительная магистраль постоянного тока; 19 - конденсатор; 20 - накопительный трансформатор; 21 - диод; 22 - электронный ключ; 23 - повышающий преобразователь напряжения; 25 - драйвер; 26 - драйвер с гальванической развязкой; 27 - плавкий предохранитель; 29, 35, 42 - шина измерительных сигналов; 30, 38, 45 - шина разовых команд; 31 - компаратор верхнего уровня; 32 - компаратор нижнего уровня; 33 самовосстанавливающийся предохранитель; 34, 41 - понижающий преобразователь напряжения; 36, 43 - измерительная схема; 37, 44 - измерительная схема с гальванической развязкой; 39 - блок терморегуляции с исполнительными органами; 47 - выводы для подключения внешней трехфазной сети переменного тока.
Заявленная система содержит модули 1 последовательно соединенных электрических накопителей энергии 2 с датчиками температуры 3 и устройствами выравнивания заряда на основе трансформаторной схемы 4, осуществляющей перераспределение энергии между накопителями 2 модуля 1 и связанной с соответствующим устройством контроля и управления 5, подключенным с помощью внутримодульного последовательного канала связи 6 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) и межмодульного последовательного канала связи 7 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) через контроллер канала, встроенный в микроконтроллер 8 блока управления 9 модулем 1 , к блоку управления батареей 10, подключенному к соединенным последовательно с модулями 1 накопителей 2 датчику тока 11, коммутатору 12 с предохранителем 13 и бортовому зарядному устройству 14. Модули электрических накопителей энергии 1 содержат блоки 15 задания идентификационных номеров модулей и установленных в них накопителей и индикаторы 16 состояния модулей 1 накопителей 2 батареи. Устройство выравнивания 4 и устройство контроля и управления 5 выполнены для каждого накопителя 2 батареи в виде единой конструктивной схемы управления нижнего уровня-блока управления накопителем 17, в котором устройство выравнивания 4 выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя 2 в специально созданную накопительную магистраль 18 постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы 19 всех блоков управления 17 накопителями 2, подключенные параллельно вторичным обмоткам накопительного трансформатора 20, выполненного по типу трансформатора обратно-ходового преобразователя напряжения, повышающего в сторону накопительной магистрали 18 батареи, с зашунтированными диодами 21 электронными ключами 22 в первичной и вторичной цепях трансформатора 20. Устройство контроля и управления 5 блока управления 17 накопителем 2 выполнено на основе запитанного от накопителя 2 через повышающий преобразователь напряжения 23 микроконтроллера 24, подключенного к электронным ключам 22 в первичной и вторичной цепях накопительного трансформатора 20 устройства выравнивания 4 через драйвер 25 и драйвер с гальванической развязкой 26, запитанные от повышающего преобразователя напряжения 23. Первичная обмотка накопительного трансформатора 20 блока управления 17 накопителем 2 соединена с выводом «+» соответствующего накопителя 2 через плавкий предохранитель 27 и датчик тока 28 и через электронный ключ 22 к выводу «-» накопителя 2 и общему проводу преобразователя напряжения 23, микроконтроллера 24 и драйверов 25, 26 управления ключами 22. Выходы датчика тока 28, датчика температуры 3 и вывод «+» накопителя 2 подключены к шине 29 измерительных сигналов микроконтроллера 24 блока управления 17 накопителем 2, к шине разовых команд 30 которого подключены блок задания 15 идентификационного номера накопителя 2, индикатор состояния 16 накопителя 2 и компараторы верхнего 31 и нижнего 32 уровня, подключенные к накопительной магистрали 18 батареи через самовосстанавливающийся предохранитель 33. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера 24 блоков управления накопителями 17 подключены через устройства гальванической развязки (на чертеже не показаны) к внутримодульному последовательному каналу связи 6, подключенному к блоку управления 9 модулем 1 среднего уровня управления батареей, содержащего микроконтроллер 8, запитанный от последовательно соединенных накопителей 2 модуля 1 через понижающий преобразователь напряжения 34. К шине измерительных сигналов 35 микроконтроллера 8 блока управления модулем 9 через измерительную схему 36 подключены выводы «+» и «-» модуля 1 и через измерительную схему с гальванической развязкой 37 выводы «+» и «-» накопительной магистрали 18 батареи. К шине разовых команд 38 микроконтроллера 8 подключен индикатор состояния 16 модуля 1 накопителя 2 и блок задания 15 и идентификационного номера модуля 1, а к выходам сигналов управления микроконтроллера 8 подключен блок терморегуляции 39 с исполнительными органами в виде вентиляторов, нагревательных элементов и заслонок (на чертеже не показаны). Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера 8 блока управления 9 модулем 1 накопителей 2 подключены через устройство гальванической развязки (на чертеже не показано) к межмодульному последовательному каналу связи 7, подключенному к блоку управления батареей 10 верхнего уровня управления, содержащего микроконтроллер 40 с повышенными производительностью и объемом памяти, запитанный от батареи через понижающий преобразователь напряжения 41. К шине измерительных сигналов 42 микроконтроллера 40 блока управления батареей 10 подключен датчик тока батареи 11, через измерительную схему 43 подключены выводы «+» и «-» батареи, и через измерительную схему 44 с гальванической развязкой шины «+» и «-» накопительной магистрали 18 постоянного тока, а к шине разовых команд 45 микроконтроллера 40 подключен индикатор состояния батареи 46, управляющий вход коммутатора 12 и бортовое зарядное устройство 14, подключенное к внешней трехфазной сети переменного тока через выводы 47. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера 40 блока управления батареей 10 подключены через устройство гальванической развязки (на чертеже не показано) к последовательному каналу связи 48 с внешними системами и бортовому зарядному устройству 14.
Заявленная иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии работает следующим образом.
В режиме заряда батареи от внешнего высоковольтного зарядного источника постоянного тока, подключаемого к внешним клеммам батареи «+» и «-» или от бортового зарядного устройства 14, подключенного к внешней сети переменного тока через выводы 47, зарядный ток величиной до нескольких сотен ампер проходит через все последовательно соединенные накопители 2, конструктивно объединенные в модули 1 от клеммы «+» до клеммы «-» модулей и всей батареи, что распознается микроконтроллером 40 блока управления батареей 10, запитанным от батареи через понижающийся преобразователь напряжения 41, с помощью датчика тока 11. Микроконтроллер 40 измеряет ток в батарее через шину измерительных сигналов 42 и встроенный в него АЦП по величине и направлению, при этом микроконтроллеры 24 блоков управления накопителями 17, запитанные от повышающих преобразователей напряжения 23, одновременно измеряют и постоянно контролируют величину напряжения на каждом накопителе 2 модулей 1 через шину измерительных сигналов 29 с помощью встроенного в микро-контроллер 24 АЦП устройства контроля и управления 5 блоков управления накопителями 17 и передают полученную информацию и свой идентификационный номер, задаваемый блоком 15, через шину разовых команд 30, по последовательным каналам связи 6 и 7 через микроконтроллер модуля 8 в микроконтроллер 40 блока управления батареей 10. При выходе величины напряжения на любом единичном накопителе 2 за допустимые значения, хранящиеся в качестве уставок в памяти микроконтроллера 40 блока управления батареей 10, последний разрывает зарядную цепь батареи с помощью коммутатора 12 через шину разовых команд 45. При этом выравнивающие устройство 4 под управлением микроконтроллеров 24, 8 и 40 может осуществлять внутримодульное селективное выравнивание напряжения, перераспределяя энергию между накопителями 2 модуля 1 по результатам текущих измерений, осуществляемых микроконтроллером 24 с учетом накопленных в микроконтроллере 40 статистических данных. Более подробно выравнивающее устройство 4 работает следующим образом. В случае превышения напряжения на каком-либо накопителе 2 относительно среднего значения, подсчитанного в микроконтроллере 40 блока управления батареей 10 по данным, полученным от блоков управления накопителями 17 нижнего уровня управления, микроконтроллер 40 выдает команду по последовательному каналу связи 7 в соответствующий блок управления модулем 9, которая перетранслируется микроконтроллером 8 этого блока по последовательному каналу связи 6 в соответствующий блок управления накопителем 17 в микроконтроллер 24 этого блока. Микроконтроллер 24 через драйвер 25 замыкает ключ 22 ШИМ-сигналом на время, соответствующее величине разбаланса, одновременно контролируя ток в первичной обмотке трансформатора 20 через шину измерительных сигналов 29 с помощью датчика тока 28. При замыкании ключа 22 к первичной обмотке накопительного трансформатора 20 прикладывается напряжение данного накопителя 2 и в трансформаторе 20 начинает нарастать магнитный поток и, следовательно, накапливаться энергия. При запирании электронного ключа 22 и отключении первичной обмотки трансформатора 20 от соответствующего накопителя 2 ток через первичную обмотку трансформатора 20 резко уменьшается, наводя в его вторичной обмотке ЭДС, отпирающую диод 21. Во вторичной обмотке трансформатора 20 начинает протекать ток, который заряжает конденсаторы 19 накопительной магистрали 18 батареи. За счет изменения временных параметров ШИМ-сигнала в первичной цепи трансформатора 20 можно управлять величиной напряжения в накопительной магистрали 18. Таким образом осуществляется передача энергии от выбранного накопителя 2 батареи в накопительную магистраль 18. В случае снижения напряжения на каком-либо накопителе 2 относительно среднего значения механизм селективной передачи энергии запускается в обратном направлении для обеспечения дозаряда выбранного накопителя токами до нескольких десятков ампер. Микроконтроллер 24 замыкает ключ 22 через драйвер 26 во вторичной цепи трансформатора 20, после размыкания которого наводится ЭДС в первичной обмотке трансформатора 20, открывается диод 21 и запасенная в накопительном трансформаторе 20 энергия передается выбранному накопителю 2, повышая напряжение на нем. Если оказалось, что накопительная магистраль 18 разряжена, это будет обнаружено микроконтроллерами 8 и 40 через измерительные схемы 37 и 44 и измерительные шины 35 и 42 соответственно, а также микроконтроллерами 24 блоков управления накопителя 17 с помощью компараторов 32 нижнего уровня. Схемы выравнивания 4 блоков 17 управления накопителями 2 при этом будут передавать энергию от наиболее заряженных накопителей 2 в накопительную магистраль 18 до установления в ней напряжения в допустимых границах, величины которых хранятся в качестве уставок в энергонезависимой памяти микроконтроллера 40 блока управления батареей 10. Если же в процессе балансировки напряжение в накопительной магистрали 18 превысит верхний пороговый уровень, сработают компараторы 31 в блоках управления накопителями
17 и микроконтроллеры 24 прекратят выполнять режим передачи энергии в накопительную магистраль 18, а получив команду от микроконтроллера 40 могут перейти к режиму передачи энергии в накопители 2, разряжая тем самым магистраль
18 и уменьшая напряжение на ней. В режиме разряда батареи ток величиной до нескольких сотен ампер течет через батарею в противоположном заряду направлении, отдавая энергию батареи в нагрузку. При этом продолжает работать предложенный механизм селективного выравнивания напряжения на выбранных накопителях по результатам измерений на нижнем уровне управления и обработки этой информации на верхнем уровне. Если происходит переразряд какого-либо накопителя 2, то микроконтроллер 40, получив об этом информацию от соответствующего микроконтроллера 24 нижнего уровня управления, разрывает силовую цепь нагрузки с помощью коммутатора 12 через шину разовых команд 45, а соответствующее устройство выравнивания 4 под управлением микроконтроллера 24 будет вести контролируемую передачу энергии в данный накопитель из общей накопительной магистрали 18. В режиме хранения энергии ток в силовой цепи батареи отсутствует. При этом может производиться как внутримодульное, так и межмодульное выравнивание напряжений на накопителях батареи с помощью описанного единого механизма селективной активной и двунаправленной передачи энергии с учетом накопленных при эксплуатации батареи статистических данных о качестве отдельных её накопителей. В любом из режимов работы блоки управления накопителями 17 осуществляют измерение температуры соответствующих накопителей 2 на одном из его борнов с помощью датчиков температуры 3 по шине измерительных сигналов 29 и передают измеренные значения по последовательному каналу связи 6 в микроконтроллер 8 блока управления модулем 9, который поддерживает температуру накопителей 2 модуля 1 в заданных пределах путем включения или отключения с помощью блока терморегуляции 39 исполнительных органов (заслонок, электронагревателей и вентиляторов). В случае перегрева или переохлаждения накопителей 2 микроконтроллеры 24, 8 и 40 блоков управления 17, 9 и 10 соответственно выдают соответствующую информацию по последовательным каналам связи 6, 7 и 48 во внешние системы. Эта информация содержит также данные о числе накопителей в модулях и числе модулей в батарее, данные о состоянии накопителей (степени их заряженности), величинах напряжений на модулях и батарее, наличии аварийных ситуаций в батарее (перегрев, перезаряд, переразряд, отказы микроконтроллеров системы управления). Напряжения на модулях 1 измеряет микроконтроллер 8 с помощью встроенного АЦП и измерительной схемы 36 через шину измерительных сигналов 35, а напряжение на батарее измеряет микроконтроллер 40 блока управления батареей 10 с помощью встроенного АЦП и измерительной схемы 43 через шину измерительных сигналов 42. Предохранители 27 в блоках управления накопителями 17 установлены на случай внешних коротких замыканий накопителей 2, самовосстанавливающиеся предохранители 33 - на случай токовой перегрузки накопительной магистрали 18, предохранитель 13 обеспечивает токовую защиту всей батареи. Блок управления батареей 10 при её заряде от бортового зарядного устройства 14 формирует команду его включения, например, в виде замыкания «сухих» контактов. Датчики тока 11, 28 могут быть выполнены на основе эффекта Холла. Информация с датчика тока 11 может быть использована микроконтроллером 40 для коррекции измеренных на нижнем уровне величин напряжений на накопителях, для расчета зарядной и разрядной емкости накопителей, модулей и батареи, а также для защиты батареи от токовых перегрузок. Блок терморегул ции 39 представляет собой набор соответствующих усилителей мощности по числу и типу исполнительных органов. Индикаторы состояния накопителей 16, модулей 16 и батареи 46 в простейшем случае могут быть реализованы с помощью светодиодов с использованием интуитивно понятной «светофорной» цветовой символики, индицируя состояние параметра (например, напряжения на накопителе) в трех градациях «норма», «предупреждение», «авария». Блоки задания идентификационных номеров 15 могут быть выполнены в виде микропереключателей или перемычек на соответствующих печатных платах. Измерительные схемы 36, 43 предоставляют собой обычные схемы на операционных усилителях, а измерительные схемы 37, 44 с гальванической развязкой - схемы с использованием сигма- дельта модуляции. Применение микроконтроллеров на каждом накопителе по сравнению с использованием специализированных микросхем позволяет оперативно менять не только уставки, но и сами алгоритмы работы системы, использовать сложные алгоритмы с прогнозированием состояния элементов батареи и сократить до минимума число неподконтрольных накопителей батареи при выходе из строя управляющих микроконтроллеров нижнего уровня управления. Повышенные производительность и объем памяти микроконтроллера 40 верхнего уровня управления необходимы для обеспечения программной реализации функций электронного архива событий и накопления статистических данных, экспертного анализа для диагностирования элементов батареи, оценки остаточного ресурса и оптимизации заряда от бортового зарядного устройства 14 в зависимости от состояния накопителей 12 и внешних условий, а также обеспечения толерантности к типу электрических накопителей энергии. В качестве последовательных каналов связи 6, 7, 48 могут быть использованы каналы с интерфейсами RS 485 или CAN.

Claims

Формула
Иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая модули последовательно соединенных электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния и устройствами активного выравнивания заряда на основе трансформаторной схемы, связанной с соответствующим устройством контроля и управления, подключенным с помощью внутримодульного последовательного канала связи через контроллер канала к блоку управления батареей, подключенному к соединенным последовательно с модулями накопителей датчику тока, коммутатору с предохранителем и бортовому зарядному устройству, отличающаяся тем, что устройство выравнивания заряда и устройство контроля и управления выполнены для каждого накопителя батареи в виде единой конструктивной схемы управления нижнего уровня - блока управления накопителем, в котором устройство выравнивания выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя в сквозную накопительную магистраль батареи постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы блоков управления накопителями, подключенных параллельно вторичным обмоткам накопительного трансформатора, выполненного по типу трансформатора обратно- ходового преобразователя напряжения, повышающего в сторону накопительной магистрали батареи, с зашунтированными диодами электронными ключами в первичной и вторичной обмотках трансформатора, устройство контроля и управления блока управления накопителем выполнено на основе запитанного от накопителя через повышающий преобразователь напряжения микроконтроллера, подключенного к электронным ключам в первичной и вторичной обмотках трансформатора устройства выравнивания через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, запитанные от повышающего преобразователя напряжения, первичная обмотка накопительного трансформатора блока управления накопителем соединена с выводом «+» соответствующего накопителя через плавкий предохранитель и датчик тока и через электронный ключ в выводу «-» накопителя и общему проводу повышающего преобразователя напряжения, микроконтроллера и драйверов управления ключами блока управления накопителем, выходы датчика тока, датчика температуры, вывод «+» накопителя подключены к шине измерительных сигналов микроконтроллера блока управления накопителем, к шине разовых команд которого подключены блок задания идентификационного номера накопителя, индикатор состояния накопителя и компараторы верхнего и нижнего уровней, подключенные к накопительной магистрали батареи через самовосстанавливающийся предохранитель, выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блоков управления накопителями подключены через устройства гальванической развязки к внутримодульному последовательному каналу связи, подключенному к блоку управления модулем среднего уровня управления батареей, содержащего микроконтроллер, запитанный от модуля через понижающий преобразователь напряжения, к шине измерительных сигналов микроконтроллера блока управления модулем через измерительную схему подключены выводы «+» и «- » модуля накопителей и через измерительную схему с гальванической развязкой выводы «+» и «-» накопительной магистрали батареи, к шине разовых команд микроконтроллера блока управления модулем подключен блок задания идентификационного номера модуля и индикатор состояния модуля, а к выходам сигналов управления микроконтроллера подключен блок терморегуляции с исполнительными органами в виде вентиляторов, электронагревателей и заслонок, выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блока управления модулем подключены через устройство гальванической развязки к межмодульному последовательному каналу связи, подключенному к блоку управления батареей верхнего уровня управления, содержащего запитанный от батареи через понижающий преобразователь напряжения микроконтроллер с повышенными быстродействием и объемом памяти, к шине измерительных сигналов которого подключен датчик тока батареи, через измерительную схему подключены выводы «+» и «-» батареи, через измерительную схему с гальванической развязкой подключены шины «+» и «-» накопительной магистрали батареи, к шине разовых команд подключен индикатор состояния батареи, управляющий вход коммутатора и бортовое зарядное устройство, а выходы последовательного интерфейса подключены через устройство гальванической развязки к последовательному каналу связи с внешними системами и бортовому зарядному устройству.
PCT/RU2013/000530 2012-07-30 2013-06-24 Иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии WO2014021735A1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/362,854 US9478994B2 (en) 2012-07-30 2013-06-24 Hierarchical system for controlling a battery of electrical energy storage devices
JP2014600079U JP3196144U (ja) 2012-07-30 2013-06-24 電気エネルギーストレージバッテリの階層的制御システム
DE201321000040 DE212013000040U1 (de) 2012-07-30 2013-06-24 Rangsteuerungssystem für die Elektroengergiespeicherbatterien

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012132679 2012-07-30
RU2012132679 2012-07-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014021735A1 true WO2014021735A1 (ru) 2014-02-06

Family

ID=50028302

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000530 WO2014021735A1 (ru) 2012-07-30 2013-06-24 Иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9478994B2 (ru)
JP (1) JP3196144U (ru)
DE (1) DE212013000040U1 (ru)
WO (1) WO2014021735A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020107948A1 (zh) * 2018-11-27 2020-06-04 珠海格力电器股份有限公司 变流器和储能系统

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9251909B1 (en) 2014-09-29 2016-02-02 International Business Machines Corporation Background threshold voltage shifting using base and delta threshold voltage shift values in flash memory
ES2856875T3 (es) * 2016-04-08 2021-09-28 Toshiba Mitsubishi Elec Ind Convertidor de potencia multinivel
US20180089675A1 (en) * 2016-09-29 2018-03-29 Ncr Corporation Mobile device authentication
CN106877460A (zh) * 2017-04-14 2017-06-20 吉林龙璟科技有限公司 直流后备电源供电保障及蓄电池保护系统
DE202019102519U1 (de) * 2019-05-06 2020-08-14 Aradex Ag Vorrichtung mit wenigstens einer wiederaufladbaren Batterie
EP3970258A4 (en) * 2019-05-16 2023-01-25 Troes Corporation METHOD AND SYSTEM FOR A TM BATTERY WITH DUAL BALANCE AND POWER MANAGEMENT FOR A BATTERY PACK
JP7034560B2 (ja) * 2019-07-11 2022-03-14 矢崎総業株式会社 電源装置
RU2726164C1 (ru) * 2019-12-30 2020-07-09 Акционерное общество "Энергия" Аккумуляторный блок
CN112865155B (zh) * 2021-03-11 2024-03-15 黄俊星 分布式储能系统
CN113675929A (zh) * 2021-09-13 2021-11-19 阳光电源股份有限公司 电池模块控制电路、方法及储能系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5956241A (en) * 1996-02-26 1999-09-21 Micro Linear Corporation Battery cell equalization circuit
RU2230418C1 (ru) * 2002-12-24 2004-06-10 Груздев Александр Иванович Батарея химических источников тока

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU37884U1 (ru) 2003-12-24 2004-05-10 Открытое акционерное общество "Авиационная электроника и коммуникационные системы" Устройство выравнивания напряжения в батарее
RU2324263C2 (ru) 2006-07-13 2008-05-10 Открытое акционерное общество "Авиационная электроника и коммуникационные системы" (ОАО "АВЭКС") Аккумуляторная батарея
US9263968B2 (en) * 2011-06-22 2016-02-16 Eetrex, Inc. Bidirectional inverter-charger

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5956241A (en) * 1996-02-26 1999-09-21 Micro Linear Corporation Battery cell equalization circuit
RU2230418C1 (ru) * 2002-12-24 2004-06-10 Груздев Александр Иванович Батарея химических источников тока

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GANZBURG M.F. ET AL.: "Osobennosti postroeniia apparatury kontrolia i zashchity vysokovoltnykh lity-ionnykh akkumuliatornykh batarei dlia system elektrosnabzhenia kosmicheskikh apparatov.", TRUDY NPP VNIIEM. VOPROSY ELEKTROMEKHANIKI, vol. 123, no. 4, pages 29 - 34, Retrieved from the Internet <URL:http://jurnal.vniiem.ru/index.php?option=comcontent&view=article&id=59&ltemid=14> *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020107948A1 (zh) * 2018-11-27 2020-06-04 珠海格力电器股份有限公司 变流器和储能系统

Also Published As

Publication number Publication date
US9478994B2 (en) 2016-10-25
JP3196144U (ja) 2015-02-26
DE212013000040U1 (de) 2014-07-21
US20150008874A1 (en) 2015-01-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014021735A1 (ru) Иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии
EP3183791B1 (en) Electric storage system
US7075306B2 (en) Power control unit
US7282814B2 (en) Battery controller and method for controlling a battery
US8294421B2 (en) Cell balancing systems employing transformers
CN107251354B (zh) 电动车辆配电系统
JP5587421B2 (ja) 電源システム
JP2014512788A (ja) バッテリのための充電均等化システム
US20160049813A1 (en) Power storage device, power storage system, and control method of power storage device
EP2367261A2 (en) Direct-current power source apparatus
KR20140097286A (ko) 전력 배터리 소자의 충전 밸런싱 장치
EP3314718B1 (en) Battery balancing circuit
JP6427574B2 (ja) パワーバッテリーの素子の充電平衡化装置
Zhang et al. Hybrid balancing in a modular battery management system for electric-drive vehicles
WO2020080543A1 (ja) 蓄電システム
RU2518453C2 (ru) Иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии
RU123251U1 (ru) Иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии
JP5361594B2 (ja) リチウムイオン二次電池システムおよび管理装置への電力供給方法
WO2014003607A1 (ru) Батарея электрических накопителей энергии с распределенной аналитической системой управления
Ketzer et al. Evaluating circuit topologies for battery charge equalization
RU121970U1 (ru) Батарея электрических накопителей энергии с распределенной аналитической системой управления
RU124992U1 (ru) Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии
RU2743789C1 (ru) Балансир напряжений электрических накопителей энергии и способ выравнивания напряжения заряда на соединенных последовательно n электрических накопителях энергии
RU2561826C2 (ru) Батарея электрических накопителей энергии с распределенной аналитической системой управления
RU2510658C1 (ru) Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13825194

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14362854

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2014600079

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2120130000405

Country of ref document: DE

Ref document number: 212013000040

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13825194

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1