Однопроводная передача энергии
РЕФЕРАТ
Изобретение относится к
зарядке или подзарядке аккумуляторных
батарей. Техническим результатом
изобретения является оптимизация
процесса зарядки аккумуляторной батареи.
Согласно изобретению способ сбалансированной
зарядки п последовательно
РИСУНКИ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
Настоящее изобретение относится
к зарядке или подзарядке аккумуляторных
батарей, и его объектом является
способ сбалансированной по времени
зарядки аккумуляторов литий-
Оптимизация электрической
зарядки батарей, содержащих несколько
аккумуляторов, представляет собой
сложную проблему, в частности, когда
число последовательно
В случае литий-ионных или
литий-полимерных батарей к этим
проблемам оптимизации зарядки
различных элементов или
С одной стороны, известно, что в батареях, содержащих последовательно соединенные литий-ионные или литий-полимерные элементы, параметры емкости каждого элемента или аккумулятора после зарядки не являются идентичными, и эти различия возрастают от цикла к циклу зарядки и разрядки вплоть до конца срока службы данной батареи.
С другой стороны, известно,
что литий-ионные или литий-полимерные
батареи не допускают как перегрузки
в процессе зарядки, так и неполной
зарядки в связи с
Известно также, что для
каждого из литий-ионных или литий-полимерных
элементов напряжение на контактах
элемента или аккумулятора отражает
емкость, накопленную в данном элементе
или аккумуляторе. Это указание напряжения
не дает представления о точном значении
емкости в ампер-часах или
На фиг.1 прилагаемых чертежей показана кривая, отражающая изменение напряжения на контактах литий-ионного элемента в зависимости от его емкости (речь идет о кривой разрядки для постоянного тока, при этом время пропорционально проценту емкости, накопленной в рассматриваемом литий-ионном элементе, при этом 0 секунд 95% (4,129 вольт), 6150 секунд 50% (3,760 вольт) и 12300 секунд 0% (3,600 вольт). Можно заметить, что на большей части этой кривой емкость является почти линейной, а затем резко снижается. Для контроля за операциями зарядки и разрядки литий-ионного элемента или аккумулятора используют эту почти линейную часть, что позволяет утверждать, что напряжение является отражением емкости.
С учетом положений трех
предыдущих пунктов можно удостовериться,
что в батарее, состоящей из более
чем трех-четырех
Такое явление разбалансировки
зарядки в основном вызвано различиями
емкости и внутреннего
Для оптимизации емкости батареи во времени, что имеет большое значение для рентабельности эксплуатации, необходимо решить указанную выше проблему путем коррекции балансировки всех элементов или всех аккумуляторов батареи. Эта балансировка должна обеспечивать 100%-ную зарядку всех элементов, независимо от их емкости.
В существующей практике такую балансировку производят в конце зарядки, отводя зарядный ток от элемента, заряженного на 100%, то есть когда он достигает напряжения в 4,20 вольт. Таким образом, зарядку элементов останавливают по мере того, как они достигают 4,20 вольт и, таким образом, получают 100%-ную зарядку всех элементов в конце операции зарядки.
Однако этот известный способ балансировки в конце зарядки имеет существенные недостатки.
Так, эти системы балансировки требуют наличия мощных сопротивлений для обеспечения отвода соответствующих токов, тем более что система балансировки вступает в действие, когда зарядные токи остаются еще достаточно большими, что происходит, когда элементы батареи очень разбалансированы.
Кроме того, такое сильное рассеяние мощности приводит к соответствующему повышению температуры, что создает проблемы в случае компактных батарей, содержащих токоотводящие резисторы.
Кроме того, несмотря на подачу больших зарядных токов ближе к концу операции зарядки, батарея может оказаться не сбалансированной после выполнения условий зарядки.
Кроме того, следует также
отметить, что литий-ионные или литий-полимерные
батареи могут оказаться
Действительно, применение зарядных токов большой силы на этой стадии и в данной ситуации с целью балансировки аккумуляторов с задержкой зарядки является причиной перегрева соответствующих элементов, что в некоторых чрезвычайных ситуациях может привести к их взрыву.
Наконец, применение большого зарядного тока ускоряет старение аккумуляторов батареи и, следовательно, снижает их эффективность.
Кроме того, в батареях большой
мощности периоды зарядки батареи,
в частности периоды полной зарядки,
являются продолжительными и даже очень
продолжительными. Поэтому часто
случается, что реального времени
зарядки между двумя фазами разрядки
не хватает для завершения операции
зарядки, и зарядка прерывается,
тогда как разбалансировка
Настоящее изобретение призвано
предложить решение оптимальной
зарядки, характеризующееся
В этой связи объектом настоящего изобретения является способ сбалансированной зарядки n аккумуляторов, где n 2, входящих в состав литий-ионной или литий-полимерной батареи и соединенных последовательно, при этом каждый аккумулятор состоит из одного или нескольких элементов, соединенных параллельно, отличающийся тем, что для каждой операции зарядки, начиная от момента t1, последующего за началом рассматриваемой операции зарядки и до нормального завершения или преждевременной остановки этой операции, включает в себя постоянный или цикличный контроль за уровнями зарядки различных аккумуляторов и осуществление, в зависимости от предварительной оценки указанных уровней зарядки, либо равномерной подачи тока на все аккумуляторы, либо балансировки указанных уровней зарядки указанных аккумуляторов путем дифференцированной подачи на них тока в зависимости от их текущих уровней зарядки.
Момент t1, с которого начинается контролируемая зарядка различных аккумуляторов батареи, может быть установлен либо во время изготовления, либо в результате единовременного регулирования после изготовления или, в случае необходимости, может быть установлен пользователем или специалистом (специалистом по обслуживанию).
Очевидно, что чем ближе момент t1 к моменту t0 начала операции зарядки, тем быстрее будут сбалансированы и выровнены уровни зарядки различных аккумуляторов и, следовательно, устранена возможность существенной разбалансировки, в частности, в случае прерывания зарядки до нормального завершения (сбой при зарядке, неисправность, преднамеренная остановка зарядки пользователем и т.д.).
Таким образом, учитывая вышеизложенное, момент t1 может быть зафиксирован сразу же после определенного числа тестов на средствах зарядки и на аккумуляторах, произведенных после начала операции зарядки.
Вместе с тем, если различные аккумуляторы имеют очень близкие характеристики и/или если не предвидится никакого ограничения по времени зарядки, можно также предусмотреть, чтобы момент t1 был смещен во времени относительно момента t0 на долю теоретического максимального времени зарядки аккумуляторов, ограничивая, таким образом, фазу контролируемого питания с возможной балансировкой различных аккумуляторов, а также число циклов различных последовательных операций измерения, оценки и дифференцированного питания.
Наконец, можно также предусмотреть, чтобы t1 менялся в ходе срока службы батареи, будучи относительно удаленным от момента t0 начала зарядки или перезарядки, если батарея является новой, и будучи более приближенным к этому моменту t0 в конце срока службы указанной батареи (как правило, после нескольких сотен циклов зарядки/разрядки).
Действительно, для новой батареи хорошего качества входящие в ее состав различные аккумуляторы обычно характеризуются, по существу, сходным состоянием свойств и характеристик.
Следовательно, их зарядка происходит почти сбалансированно, и в конце зарядки требуется лишь легкая балансировка при помощи дифференцированного питания.
Однако стареющие батареи, даже те, аккумуляторы которых были почти одинаковыми в новом состоянии, имеют разные характеристики и свойства аккумуляторов, что в конце зарядки приводит к большим разбросам их уровней зарядки при отсутствии компенсирования или балансировки во время зарядки. В этом случае сбалансированную зарядку в соответствии с настоящим изобретением следует производить уже на ранней стадии зарядки и даже практически сразу после начала операции зарядки или перезарядки.
Таким образом, в случае необходимости,
можно предусмотреть
Можно также предусмотреть в начале эксплуатации новой батареи или перед ее отправкой после изготовления тест, устанавливающий или фиксирующий первоначальное значение t1 или параметр, позволяющий определить это значение.
Таким образом, интервал t1 -t0 может колебаться, например, практически от нескольких секунд до нескольких десятков процентов от общего теоретического времени зарядки батареи.
Указанные выше этапы можно
выполнять двумя разными
Так, при применении решения, главным образом основанного на аналоговой технологии, контроль за уровнями зарядки выполняют непрерывно и дифференцированную подачу питания осуществляют после момента t1, как только и до тех пор пока разность уровней зарядки между максимально заряженным(и) аккумулятором(ами) и минимально заряженным(и) аккумулятором(ами) превышает заранее определенное пороговое значение.
В варианте, при применении
предпочтительного решения, в котором
используют цифровую обработку сигналов
и управление процессом при помощи
цифрового блока обработки, контроль
за уровнями зарядки осуществляют путем
повторяющихся измерений и
Это второе решение позволяет одновременно упростить материальное и программное обеспечение, необходимое для осуществления способа.
В рамках этого второго
решения способ предпочтительно
состоит в поочередном
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения указанный способ содержит, по меньшей мере, выполнение следующих операций под управлением цифрового блока обработки, причем начиная с момента t1:
- оценка, предпочтительно
через равномерные интервалы,
количества энергии,
- сравнительный анализ
определенных оценкой разных
количеств энергии или разных
значений измеряемого
- определение аккумулятора,
наиболее отстающего по
- подача питания на
разные последовательно
- последовательное повторение
вышеуказанных операций до
Произведенные заявителем испытания
и работы показали, что такой способ
последовательной балансировки позволяет
достичь одинакового
Точно так же в случае остановки операции зарядки до ее нормального завершения гарантируется, по существу, идентичный уровень зарядки для всех аккумуляторов.
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления, приведенного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых представлено:
фиг.2 - блок-схема устройства, предназначенного для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 - более подробная схема устройства, показанного на фиг.2, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 - структурная схема различных этапов способа согласно варианту осуществления изобретения (на этой схеме под термином «элемент» следует понимать отдельный элемент или аккумулятор с параллельно соединенными элементами);
фиг.5 - временные диаграммы, приведенные в качестве неограничительного примера и показывающие для батареи из двенадцати аккумуляторов операции, осуществляемые в течение цикла зарядки с балансировкой при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением.
Объектом настоящего изобретения является способ зарядки или сбалансированной зарядки n аккумуляторов 1, где n 2, входящих в состав литий-ионной или литий-полимерной батареи 2 и соединенных последовательно, при этом каждый аккумулятор 1 состоит из одного или нескольких элементов, установленных параллельно.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения для каждой операции зарядки указанный способ содержит, по меньшей мере, выполнение следующих операций под управлением цифрового блока обработки, причем начиная с момента t1, последующего за началом зарядки:
- оценка, предпочтительно
через равномерные интервалы,
количества энергии,
- сравнительный анализ
определенных оценкой разных
количеств энергии или разных
значений измеряемого
- определение аккумулятора
1, наиболее отстающего по
- подача питания на
разные последовательно
- последовательное повторение
вышеуказанных операций до
Предпочтительно параметром, измеряемым на уровне каждого аккумулятора 1 и используемым для оценки количества накопленной в нем энергии, является напряжение на контактах рассматриваемого аккумулятора 1.
Как уже было указано выше, ограничения зарядного тока могут касаться всех аккумуляторов, опережающих по зарядке наименее заряженный аккумулятор, причем, в случае необходимости, с разной степенью ограничения питания.
Вместе с тем, чтобы
еще больше расширить активные фазы
балансировки согласно изобретению, предпочтительно
только аккумулятор, или аккумуляторы,
уровень зарядки которого(ых) наиболее
опережает уровень зарядки
Различение между
Кроме того, принимая стратегию ограничения зарядного тока наиболее заряженных аккумуляторов в течение всего процесса зарядки батареи, начиная с момента t1, не дожидаясь конца указанной зарядки, изобретение позволяет избежать любой возможности перегрева батареи 2 из-за поздней балансировки и обеспечить сбалансированное напряжение на уровне аккумуляторов 1 в конце зарядки.
Кроме того, начиная балансировку с момента t1 и продолжая ее в течение всей последующей фазы операции зарядки, можно гарантировать поддержание батареи, по существу, в сбалансированном состоянии спустя короткое время после момента t1 и в течение всей последующей фазы зарядки, то есть даже в случае остановки зарядки до ее нормального завершения.
Согласно предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения отвод тока на уровне наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) 1 осуществляют при помощи параллельных цепей 4, каждая из которых путем параллельного монтажа соединена с одним из указанных аккумуляторов 1 (одна цепь 4 на каждый аккумулятор 1), при этом каждая из указанных цепей 4 содержит коммутационный механизм 5 и, в случае необходимости, по меньшей мере, один, возможно регулируемый, компонент 6 рассеяния электрической энергии, такой, например, как электрический резистор (фиг.2 и 3).
Коммутационный механизм 5 можно выбирать, например, из группы, в которую входят электромеханические или электронные реле, биполярные или полевые транзисторы, или аналогичные устройства.
Кроме того, поскольку отвод
энергии, связанный с балансировкой
зарядки различных
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения для зарядки с последовательной балансировкой осуществляют, в частности, следующие операции, начиная с момента t1 и возобновляя их в течение всего процесса зарядки батареи 2:
а) за каждым отдельным аккумулятором
1 батареи 2 ведут наблюдение, измеряя
напряжение на их контактах, не подключая
при этом токоотводящие или
б) определяют аккумулятор 1, наиболее отстающий по зарядке;
в) определяют аккумуляторы 1, которые, по отношению к наименее заряженному или наиболее отстающему по зарядке аккумулятору 1, имеют превышение зарядки сверх заранее определенного порогового значения отклонения емкости, например, соответствующего разности напряжения (dVs) в 10 мВ;
г) каждый обнаруженный аккумулятор
1 с превышением зарядки сверх
порогового значения индивидуально
подключают к соответствующему балансировочному
резистору 6 таким образом, чтобы
понизить зарядный ток для каждого
из рассматриваемых аккумуляторов
1, например, на 10% в течение заранее
определенного
д) по истечении указанного
заранее определенного
е) по истечении периода стабилизации напряжения аккумуляторов 1 повторяют этапы а) - д).
Обычно зарядку батареи останавливают, когда сила общего зарядного тока всех аккумуляторов этой батареи опускается ниже заранее определенного порогового значения, например 50 мА.
В примере практического применения настоящего изобретения значения мощности различных параллельных цепей 4 выбирают близкими к значениям, получаемым при помощи следующей формулы:
где
Psd max = максимальная оптимизированная рассеиваемая мощность, выраженная в Вт;
Vmax акк. = максимальное напряжение, измеренное в ходе зарядки на контактах аккумулятора, выраженное в В;
% = соотношение, выраженное
в процентах, соответствующее
максимальному отклонению
АН = номинальная емкость батареи, выраженная в А·ч (ампер-час).
Кроме того, чтобы достичь
точного и постепенного регулирования
зарядки каждого аккумулятора 1,
напряжение на контактах каждого
аккумулятора 1 точно измеряют при
помощи соответствующего комплекса 7 измерительных
модулей 7', выходные сигналы которых,
предпочтительно после
Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг.4 и 5, операции повторяют, начиная с момента t1 и в течение всей операции зарядки, последующей за этим моментом, в виде замкнутого цикла, состоящего из двух рабочих полуциклов, выполняемых последовательно при каждом завершении цикла, при этом первый полуцикл содержит последовательное выполнение следующих операций: последовательное считывание значений напряжения различных аккумуляторов 1 и подключение со смещением во времени балансировочного резистора 6 для каждого аккумулятора 1, разность напряжения (dV) которого с наиболее отстающим по зарядке аккумулятором 1 превышает пороговое значение (dVs), а второй полуцикл содержит следующие операции: последовательное отключение балансировочных резисторов 6 различных аккумуляторов 1 и выжидание стабилизации напряжений различных аккумуляторов 1 перед следующим считыванием во время первого полуцикла следующего цикла, при этом оба полуцикла предпочтительно имеют примерно одинаковую продолжительность, например, приблизительно 2 с.
Благодаря циклическому возобновлению операций двух полуциклов (при продолжительности цикла, например, 4 с) в течение всего процесса зарядки батареи 2, начиная с момента t1 , то есть до наступления завершения зарядки или появления предупреждающей информации на индикаторе, все аккумуляторы 1 (и элемент или элементы каждого из этих аккумуляторов) в любой момент характеризуются незначительным разбросом емкости (за счет постоянных соединений нагрузки между аккумуляторами) и самым оптимальным образом максимально восстанавливают свои характеристики.
Кроме того, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет допускать в начале зарядки большие перепады уровней зарядки между аккумуляторами 1, при этом «нивелирование» или балансировка распределяется по времени, истекшем с момента t1 до конца процесса зарядки батареи 2.
Согласно первому варианту можно предусмотреть, чтобы пороговое значение разности напряжения dVs представляло собой первое заранее определенное фиксированное значение V1, например 10 мВ, если разность напряжения dV между напряжением аккумулятора 1, имеющего самое высокое напряжение, и напряжением аккумулятора 1, имеющего самое низкое напряжение, меньше второго заранее определенного фиксированного значения V2, превышающего первое заранее определенное пороговое значение V1, например 100 мВ.
Кроме того, можно также предусмотреть, чтобы, если разность напряжения dV между напряжением аккумулятора 1, имеющего самое высокое напряжение, и напряжением аккумулятора 1, имеющего самое низкое напряжение, превышает второе заранее определенное фиксированное значение V2, например 100 мВ, пороговое значение разности напряжения dVs представляло собой третье заранее определенное фиксированное значение V3, меньшее указанного второго значения V2, например 30 мВ.
Предпочтительно третье заранее определенное фиксированное значение V3 превышает указанное первое заранее определенное фиксированное значение V1.
Согласно второму варианту
альтернативно можно
Предпочтительно в каждом
из двух указанных вариантов и, как
уже было указано ранее, измерения
напряжений на уровне различных аккумуляторов
1 каждый паз осуществляют только по
истечении заданного промежутка
времени, например 2 с, после отмены
отвода токов таким образом, чтобы
обеспечить стабилизацию напряжений на
контактах указанных

- Одноремешковый вытяжной прибор
- Однородное социалистическое правительство
- Однородные и неоднородные определения
- Одностадийный способ производства пеностекла с применением форм
- Односторонние акты государства
- Одноступенчатая и двухступенчатая модели коммуникации
- Одноступенчатый горизонтальный цилиндрический косозубый редуктор
- Одноковшовый эксковатор ЭО-2621
- Однокомпонентні системи. Діаграма стану чистої речовини
- Однокорпусное содержание пчелиных семей
- Одномерные двумерные массивы
- Одномерный массив
- Одномерный случай
- Однопартийная система