Зарядное устройство для источников питания с батарейной поддержкой

Использование – в области электротехники. Технический результат – повышение точности балансировки токов батарейных участков, исключение быстрого дисбаланса отдельных батарейных участков, повышение быстродействия. Согласно изобретению зарядное устройство (100) содержит: датчик (10), который выполнен с возможностью измерения дифференциального тока (DELTA_I) в виде разности между первым током (I_POS) через первый батарейный участок (210) аккумуляторной батареи (200) и вторым током (I_NEG) через второй батарейный участок (220) аккумуляторной батареи (200) и который выполнен с возможностью обеспечения сигнала (ΔI_meas) разности токов на основе измеренного дифференциального тока (DELTA_I); компенсатор (20), который выполнен с возможностью вычисления первой уставки (I_SP_POS) тока, используемой для первого батарейного участка (210), и второй уставки (I_SP_NEG) тока, используемой для второго батарейного участка (220), на основе обеспеченного сигнала (DELTA_I) разности токов и уставки (I_SP) тока аккумуляторной батареи; и регулятор (30), который выполнен с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка (210) на основе первой уставки (I_SP_POS) тока и второго батарейного участка (220) на основе второй уставки (I_SP_NEG) тока. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области компенсаторов заряда для источников питания с батарейной поддержкой, в частности, в медицинском оборудовании, соединенных с потенциалом защитного заземления. В частности, настоящее изобретение относится к зарядному устройству, системе питания и способу управления зарядкой и разрядкой аккумуляторной батареи согласно независимым пунктам формулы изобретения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Потребители, которым необходим высокий уровень напряжения питания постоянного тока, могут быть соединены с питающей аккумуляторной батареей. Для обеспечения высоких уровней выходного напряжения, аккумуляторные батареи состоят из многих элементов, которые соединены последовательно. Может быть необходимым соединение одного потенциала аккумуляторной батареи с потенциалом защитного заземления, например, из соображений безопасности. Разделение аккумуляторной батареи на два последовательных участка и соединение созданной таким образом центральной точки с защитным заземлением может быть полезным для уменьшения объема работ по изоляции или градиента напряжения, который возникает между любыми из выводов аккумуляторной батареи и любыми частями, которые соединены с потенциалом защитного заземления.

Для приведения аккумуляторных батарей в необходимое состояние заряда, могут быть использованы доступные для приобретения устройства для зарядки аккумуляторных батарей, также называемые зарядными устройствами. Соединение одного зарядного устройства с аккумуляторной батареей, которая состоит из двух последовательных участков, которые имеют центральное заземление, может привести к нежелательному высокому напряжению в случае одиночного повреждения изоляции, например, пробоя изоляции между одним из выводов аккумуляторной батареи и частью, которая соединена с потенциалом защитного заземления. Этого можно избежать, если отдельное зарядное устройство используется для любого из участков аккумуляторной батареи.

Несимметричная зарядка участков аккумуляторных батарей может привести к разным состояниям заряда каждого из участков аккумуляторной батареи, что является нежелательным и приводит к несбалансированному старению и потере емкости. Предотвращение таких разных состояний заряда требует очень высокой точности измерений тока зарядки и измерений состояний заряда, например, посредством сложного и комплексного управления зарядом. Доступные зарядные устройства контролируют и балансируют части или участки аккумуляторной батареи посредством, например, так называемого режима регулирования тока или посредством режима регулирования напряжения.

Однако, современные литий-ионные аккумуляторные батареи имеют довольно пологую кривую зарядки. Это означает, что напряжение аккумуляторной батареи почти не зависит от состояния заряда в широком диапазоне состояний заряда. Следовательно, режим регулирования напряжения не работает правильно в пологой области кривой зарядки, поскольку состояние заряда не может быть определено посредством простого измерения напряжения. Следовательно, режим регулирования тока является предпочтительно применимым в пологой области кривой зарядки.

Международная публикация заявки на патент WO 2009145709 A1 описывает схему управления для ослабления дисбаланса аккумуляторной батареи.

Публикация заявки на патент Японии JP2004194410A описывает устройство питания для транспортного средства.

Заявка на патент США US6271645B1 описывает способ и схему для балансировки уровней энергии среди первой и второй групп аккумуляторных батарей в пределах батарейной сборки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Существует потребность в улучшении зарядных устройств для аккумуляторных батарей.

Эти потребности удовлетворяются посредством предмета независимых пунктов формулы изобретения. Дополнительные иллюстративные варианты осуществления явствуют из зависимых пунктов формулы изобретения и нижеследующего описания.

Один аспект настоящего изобретения относится к зарядному устройству, содержащему: датчик, который выполнен с возможностью измерения дифференциального (разностного) тока в виде разности между первым током через первый батарейный участок аккумуляторной батареи и вторым током через второй батарейный участок аккумуляторной батареи, и который выполнен с возможностью обеспечения сигнала разности токов на основе измеренного дифференциального тока, причем первый батарейный участок и второй батарейный участок имеют центральное заземление; компенсатор, который выполнен с возможностью вычисления первой уставки тока, используемой для первого батарейного участка, и второй уставки тока, используемой для второго батарейного участка, на основе обеспеченного сигнала разности токов и уставки тока аккумуляторной батареи; и регулятор, который выполнен с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка на основе первой уставки тока и второго батарейного участка на основе второй уставки тока, причем регулятор содержит устройство зарядки первого участка, которое выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка на основе первой уставки тока; и устройство зарядки второго участка, которое выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой второго батарейного участка на основе второй уставки тока. Другими словами, идея настоящего изобретения может состоять во введении функциональных блоков для отдельного управления участками аккумуляторной батареи с использованием совмещенного регулирования с обратной связью. Функциональный блок используется для измерения разности токов между двумя батарейными участками, например, между положительной и отрицательной половинами батареи. Функциональный блок измерений производит выходной сигнал, который представляет разность токов.

Дополнительный, второй аспект настоящего изобретения относится к системе питания, содержащей: аккумуляторную батарею, содержащую первый батарейный участок и второй батарейный участок; и зарядное устройство согласно первому аспекту настоящего изобретения или согласно любой форме реализации первого аспекта настоящего изобретения, причем зарядное устройство выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой аккумуляторной батареи.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, обеспечен способ для управления зарядкой и разрядкой аккумуляторной батареи, причем способ содержит этапы:

a) измерения дифференциального тока в виде разности между первым током через первый батарейный участок аккумуляторной батареи и вторым током через второй батарейный участок аккумуляторной батареи, и обеспечения сигнала разности токов на основе дифференциального тока, и причем первый батарейный участок и второй батарейный участок имеют центральное заземление;

b) вычисления первой уставки тока, используемой для первого батарейного участка, и второй уставки тока, используемой для второго батарейного участка, на основе сигнала разности токов и на основе уставки тока аккумуляторной батареи, посредством компенсатора; и

c) управления зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка, посредством регулятора, на основе первой уставки тока, управления зарядкой и/или разрядкой второго батарейного участка, посредством регулятора, на основе второй уставки тока; причем регулятор содержит устройство зарядки первого участка, которое выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка на основе первой уставки тока; и устройство зарядки второго участка, которое выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой второго батарейного участка на основе второй уставки тока.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, компенсатор содержит усилитель, выполненный с возможностью усиления сигнала разности токов для вычисления первой уставки тока и второй уставки тока. Это является преимуществом, которое позволяет улучшить точность балансировки токов батарейных участков.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, компенсатор содержит интегратор, выполненный с возможностью интегрирования сигнала разности токов для вычисления первой уставки тока и второй уставки тока. Это является преимуществом, которое позволяет избежать быстрого разбаланса (дисбаланса) отдельных батарейных участков.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, компенсатор выполнен с возможностью работы в качестве пропорционально-интегрального регулятора или в качестве пропорционального регулятора, пропорционально-интегрального регулятора, пропорционально-дифференциального регулятора или в качестве пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора или в качестве апериодического регулятора. Это является преимуществом, которое позволяет компенсировать ошибки и обеспечивает высокое быстродействие.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, зарядное устройство выполнено с возможностью управления состоянием заряда аккумуляторной батареи в пределах заданного диапазона состояний заряда аккумуляторной батареи.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, датчик выполнен с возможностью измерения дифференциального тока в диапазоне токов между 0 и 1 А, предпочтительно, между 0 и 100 мА, наиболее предпочтительно, между 0 и 10 мА.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, датчик выполнен с возможностью измерения дифференциального тока первого тока и второго тока в диапазоне одноразрядного процента от первого и/или второго тока, предпочтительно, в диапазоне токов, равных одноразрядному числу тысячных долей первого и/или второго тока.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, компенсатор выполнен с возможностью вычисления первой уставки тока и второй уставки тока посредством контура управления для минимизации сигнала разности токов.

Согласно настоящему изобретению, первый батарейный участок и второй батарейный участок имеют центральное заземление. Это является преимуществом, которое позволяет уменьшить максимальные возникающие в системе уровни напряжений, что позволяет, таким образом, минимизировать требования и объем работ по изоляции напряжения.

Термин «центрально-заземленный», связанный с участками и используемый в настоящем изобретении, может относиться к компоновке батарейных участков и заземляющему соединению, причем заземляющее соединение с потенциалом земли связано с положением между двумя батарейными участками. Дифференциальные токи в пределах батарейных участков будут протекать к потенциалу защитного заземления, что является нежелательным для некоторых применяемых медицинских устройств.

Способы, системы и устройства, описанные здесь, могут быть реализованы в виде программного средства в цифровом сигнальном процессоре (Digital Signal Processor - DSP), в микроконтроллере или в любом другом побочном процессоре, или в виде аппаратной схемы в пределах специализированной интегральной схемы (application specific integrated circuit - ASIC) или в матрице программируемых логических вентилей, которая является интегральной схемой, выполненной с возможностью конфигурирования пользователем или разработчиком после изготовления.

Настоящее изобретение может быть реализовано в цифровых электронных схемах, или в компьютерном аппаратном средстве, аппаратно-программном средстве, программном средстве, или в их комбинации, например, в доступном аппаратном средстве общепринятых медицинских устройств или медицинского устройства визуализации, или в новом аппаратном средстве, предназначенном для обработки способов, описанных здесь.

Настоящее изобретение, конкретно, допускает применение в медицинских системах визуализации, либо мобильных (например, в мобильных системах диагностической радиологии), либо стационарных (например, в системах компьютерной томографии, магнитно-резонансных системах или системах интервенционной радиологии). Такие системы требуют бесперебойного питания, в том числе в случае аварии сетевого питания медицинского учреждения. Для этой цели, питание таких систем обычно поддерживается, более конкретно, буферизуется, посредством батарейных сборок. Такие батарейные сборки могут быть заряжены с использованием настоящего изобретения, что обеспечивает преимущество.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными и будут разъясняться со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже. Более полное понимание настоящего изобретения и сопутствующих ему преимуществ обеспечивается при рассмотрении нижеследующих схематичных чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полное понимание настоящего изобретения и сопутствующих ему преимуществ обеспечивается при рассмотрении нижеследующих схематичных чертежей, которые приведены не в масштабе, причем:

Фиг. 1 показывает схематичное изображение зарядного устройства согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 показывает схематичное изображение кривой зарядки аккумуляторной батареи для объяснения настоящего изобретения;

Фиг. 3 показывает зарядное устройство согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 4 показывает зарядное устройство согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 5 показывает схематичное изображение зарядного устройства согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 6 показывает блок-схему последовательности операций способа для управления зарядкой и разрядкой аккумуляторной батареи согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения; и

Фиг. 7 показывает схематичное изображение системы питания согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Иллюстрации на чертежах являются исключительно схематичными и не предназначены для обеспечения масштабных соотношений или информации о размерах. На разных чертежах или фигурах, подобные или идентичные элементы снабжены одинаковыми ссылочными позициями. В общем, идентичные части, блоки, объекты или этапы снабжены одинаковыми ссылочными символами в данном описании.

Фиг. 1 показывает зарядное устройство 100 согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения. Зарядное устройство 100 может быть соединено с аккумуляторной батареей 200. Аккумуляторная батарея 200 может содержать первый батарейный участок 210 и второй батарейный участок 220. Например, первый батарейный участок 210 и второй батарейный участок 220 являются половинами или любыми другими эквивалентными долями - третями или четвертями - или неэквивалентными долями аккумуляторной батареи 200.

Батарейные участки 210, 220 могут иметь центральное заземление, например, если батарейные участки 210, 220 являются эквивалентными долями аккумуляторной батареи 200.

Батарейные участки 210, 220, также называемые положительной стороной и отрицательной стороной на фиг. 1, т.е., положительной стороной и отрицательной стороной аккумуляторной батареи 200, могут быть отдельно электрически переключаемыми с использованием контакторов S1+ и S1-. Первый ток I_POS может протекать через первый батарейный участок 210 аккумуляторной батареи 200, а второй ток I_NEG может протекать через второй батарейный участок 220 аккумуляторной батареи 200.

Если батарейные участки 210, 220, например, соединены последовательно, то аккумуляторная батарея 200 обеспечивает выходное напряжение Vout. Напряжения Vp и Vn являются напряжениями на двух батарейных участках 210, 220, соответственно. Другими словами, выходное напряжение Vout является суммой Vp и Vn.

Выходное напряжение Vout аккумуляторной батареи 200 может быть в диапазоне между 0 и 2500 В, предпочтительно, между 60 и 1500 В, наиболее предпочтительно, между 100 В и 1000 В.

Зарядное устройство 100 может быть использовано для источников питания для больших медицинских устройств, которые содержат батарейную сборку в виде аккумуляторной батареи 200 в качестве буфера энергии. Зарядное устройство 100 может содержать датчик 10, компенсатор 20 - оба не показаны на фиг. 1, и регулятор 30. Уставка тока I_SP аккумуляторной батареи может быть обеспечена управляющим средством 40 зарядного устройства, системой управления аккумуляторной батареей, используемой для аккумуляторной батареи 200. Управляющее средство 40 зарядного устройства может быть частью регулятора 30 - как показано на фиг. 1 - или зарядного устройства 100.

Другие высокопроизводительные системы, такие как iXR-системы для C/V применения, могут использовать источники питания с батарейной поддержкой для поддержки их UPS-функции. В настоящее время, тенденция к увеличению числа применений с батарейной поддержкой заметна во многих медицинских применениях.

Другая тенденция демонстрирует увеличение производительности UPS-функций: поддерживается не только обработка данных и обработка изображений, но и основная функция генерации изображений может поддерживаться в течение заданного периода времени во время отсутствия сетевого питания.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 1, может быть полезным центральное соединение аккумуляторной батареи 200, а также зарядного устройства 100, с потенциалом P.E., т.е., с потенциалом защитного заземления или потенциалом заземления в электрической схеме. Другими словами, батарейные участки 210, 220 имеют центральное заземление, как показано на фиг. 1.

Это обеспечивает возможность того, что токи зарядки двух отдельных зарядных устройств в виде устройства 32 зарядки первого участка и устройства 34 зарядки второго участка являются неравными, что приводит к несимметричной зарядке. Этот эффект может возникать, если фактические токи, обеспечиваемые устройством 32 зарядки первого участка и устройством 34 зарядки второго участка, отличаются друг от друга. Несимметричная зарядка может приводить к разным состояниям заряда двух батарейных участков 210, 220, что является нежелательным. Кроме того, это обязательно приводит к постоянному (dc) компоненту тока утечки на землю, поскольку центральная точка между двумя половинами батареи соединена с потенциалом защитного заземления (фиг. 1). Ток утечки на землю ограничивается применимыми стандартами медицинских устройств, которые попадают в объем настоящего изобретения. Зарядное устройство 100 может быть выполнено с возможностью активной компенсации этого различия в заряде и, таким образом, устранения постоянного компонента тока утечки на землю.

Фиг. 2 показывает схематичное изображение кривой зарядки литий-ионной аккумуляторной батареи для объяснения настоящего изобретения.

Фактически, не просто поддерживать обе половины аккумуляторной батареи в одном и том же состоянии заряда. Зарядные устройства работают либо в режиме регулирования тока, либо в режиме регулирования напряжения. Однако, современные литий-ионные аккумуляторные батареи, используемые в качестве аккумуляторной батареи 200, имеют довольно «пологую» кривую зарядки. Это означает, что напряжение Vout аккумуляторной батареи - а также напряжения Vp и Vn любого участка аккумуляторной батареи - зависит от ее состояния заряда в широком диапазоне, как показано на фиг. 2.

Следовательно, режим регулирования напряжения не работает в «пологой» области, поскольку состояние заряда не может быть детектировано посредством простого измерения напряжения. Таким образом, в этой области, аккумуляторную батарею предпочтительно заряжают с использованием постоянного тока.

Таким образом, регулирование тока является предпочтительным рабочим режимом, в комбинации с регулятором заряда, который интегрирует ток зарядки и разрядки каждой стороны аккумуляторной батареи, посредством чего состояние заряда нормально удерживается в пределах необходимого окна.

Однако, любое регулирование с обратной связью основано на измерении фактического значения. Общая точность доступных для приобретения устройств измерения тока или квантования заряда является ограниченной. Высококачественные устройства могут проводить измерения с допусками ± 1% от номинального тока.

Таким образом, в худшем случае, если одно зарядное устройство обеспечивает значение тока, равное 0,99 от номинального значения тока, а другое зарядное устройство обеспечивает значение тока, равное 1,01 от номинального значения тока, то общая разность токов может добавлять вплоть до 2% от номинального тока.

Следует отметить, что «пологая» область является предпочтительной для работы вследствие того факта, что в ней старение аккумуляторной батареи 200 является минимальным. В состояниях полного заряда и очень низкого заряда, уменьшение срока службы аккумуляторной батареи является непропорционально большим. Зарядное устройство 100 может быть выполнено с возможностью управления состоянием заряда (state of charge - SOC) аккумуляторной батареи 200 в пределах заданного диапазона R_SOC состояния заряда SOC аккумуляторной батареи 200.

Вследствие ограниченной точности и неравномерного саморазряда аккумуляторной батареи, интегратор заряда должен несистематически перекалибровываться, что предпочтительно выполняется посредством зарядки аккумуляторной батареи до тех пор, пока не будет наблюдаться увеличение напряжения, на основании которого можно сделать вывод о точном состоянии заряда. Вследствие разных скоростей саморазряда отдельных элементов аккумуляторной батареи, это не происходит одновременно в каждом элементе, а обычно напряжение начинает подниматься сначала на одном элементе.

Для приведения всех элементов снова в синхронизированное состояние заряда, уже полностью заряженные элементы не должны заряжаться дополнительно, что достигается посредством обхода элемента, например, с использованием гасящего резистора, что позволяет продолжить внешнюю зарядку и заряжать только элементы, которые еще не полностью заряжены. Этот процесс называется балансировкой или балансировкой элементов. Обычно, саморазряд элементов является очень малым, например, порядка мкА, так что также малый обходной ток требуется для достижения сбалансированного состояния за приемлемое время, и процесс балансировки требуется редко.

В отличие от этого, отклонение токов, которое обеспечивается в результате различий в двух модулях зарядного устройства, может быть гораздо более высоким, например, порядка процента, т.е., 100 мА для 5-киловаттного зарядного устройства на 500 В, что гораздо быстрее приводит к неприемлемому разбалансу, и требуется гораздо большее время для компенсации и более частая балансировка. Для предотвращения асимметрии модулей зарядного устройства, необходима очень высокая точность в отношении выходного тока, гораздо более высокая, чем обычная точность 1%, что приводит к гораздо более высоким затратам.

Если оставаться в течение длительного периода времени зарядки в необходимой «пологой» области, то отклонение тока зарядных устройств может привести к разным состояниям заряда двух батарейных участков. Один участок может быть заряжен на 25%, другой на 80% от максимального заряда. Это различие в заряде является незаметным при измерении напряжения.

Эффект разных состояний заряда двух батарейных участков является нежелательным, поскольку работа под большой нагрузкой может уменьшить состояние заряда ниже, чем, например, 25%. В этом случае, падение напряжения слабо заряженного батарейного участка может ограничить производительность потребителя электроэнергии.

Фиг. 3 показывает зарядное устройство 100, содержащее датчик 10, компенсатор 20, и регулятор 30.

Датчик 10 может быть выполнен с возможностью измерения разности DELTA_I токов на основе первого тока I_POS и второго тока I_NEG.

Компенсатор 20 может быть выполнен с возможностью вычисления первой уставки I_SP_POS тока, используемой для первого батарейного участка 210, и второй уставки I_SP_NEG тока, используемой второго батарейного участка 220, на основе сигнала ΔI_meas разности токов и уставки I_SP тока аккумуляторной батареи.

Уставка I_SP тока аккумуляторной батареи может быть обеспечена управляющим средством 40 зарядного устройства, системой управления аккумуляторной батареей, которые могут обеспечить управление зарядкой и разрядкой для аккумуляторной батареи 200 в целом, а не для отдельных батарейных участков 210, 220. Другими словами, уставка I_SP тока аккумуляторной батареи может быть общей уставкой для общего тока зарядки или разрядки аккумуляторной батареи 200.

Регулятор 30 может содержать устройство 32 зарядки первого участка и устройство 34 зарядки второго участка.

Устройство 32 зарядки первого участка может быть выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка 210.

Устройство 34 зарядки второго участка может быть выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой второго батарейного участка 220.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 4, компенсатор 20 может содержать усилитель 22. Усилитель 22 может быть выполнен с возможностью усиления сигнала ΔI_meas разности токов для вычисления первой уставки I_SP_POS тока и второй уставки I_SP_NEG тока.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 5, компенсатор 20 может дополнительно или альтернативно содержать интегратор 24. Интегратор 24 может быть выполнен с возможностью интегрирования сигнала ΔI_meas разности токов для вычисления первой уставки I_SP_POS тока и второй уставки I_SP_NEG тока.

Компенсатор 20 может быть выполнен с возможностью работы в качестве пропорционально-интегрального регулятора или в качестве пропорционально-интегрального дифференциального регулятора.

Датчик 10, компенсатор 20, и регулятор 30 могут быть выполнены с возможностью работы в качестве функциональных блоков, которые обеспечивают совмещенное регулирование с обратной связью.

Датчик 10 может быть сконфигурирован в виде измерительного блока для измерения дифференциального тока DELTA_I первого батарейного участка 210 и второго батарейного участка 220, положительной и отрицательной половин аккумуляторной батареи. Другими словами, датчик 10 может быть выполнен с возможностью измерения разности DELTA_I токов на основе первого тока I_POS и второго тока I_NEG. Измерительный блок в виде датчика 10 производит выходной сигнал, называемый ΔI_meas, который представляет разность DELTA_I токов.

Обычно конструкция зарядного устройства 10 обеспечивает нулевой дифференциальный ток, поскольку регулярные токи зарядки и разрядки спроектированы таким образом, чтобы они были симметричными. Таким образом, в показанной точке, видимым является только сигнал ошибки, так что датчик тока может быть спроектирован для диапазона измерения низких токов, который может обеспечить требуемое разрешение в пределах одноразрядного процентного диапазона (или даже ниже), токов зарядки, с малыми усилиями. Жестким требованием для датчика 10 тока является низкое смещение постоянной составляющей выходного сигнала ΔI_meas.

Измеряемый сигнал ΔI_meas разности токов подают на второй дополнительный функциональный блок, компенсатор 20, компенсатор заряда. Компенсатор 20 может использовать уставку I_SP тока зарядного устройства в качестве дополнительного входного сигнала. Компенсатор 20 может сгенерировать две отдельные уставки для двух зарядных устройств, например, I_SP_POS и I_SP_NEG, в качестве выходных сигналов. Компенсатор 20 заряда может сгенерировать эти уставки таким образом, чтобы результирующее различие в заряде было, в идеальном случае, нулевым, т.е., ниже 0,1% от первого тока I_POS или второго тока I_NEG.

Основной идеей настоящего изобретения является устранение различия в заряде посредством действия уставок токов двух зарядных устройств - устройства 32 зарядки первого участка и устройства 34 зарядки второго участка - и измерения сигнала ошибки в точке системы, где обычно высокие амплитуды сигналов скомпенсированы, и существует только сигнал ошибки.

Допуски оригинальных внутренних устройств для измерения тока могут быть скомпенсированы посредством подачи на них незначительно отклоняющихся уставок. Таким образом, результирующие фактические токи зарядки в идеальном случае больше не будут отклоняться друг от друга, и разность токов станет в результате равной нулю. Это возможно, поскольку измерение разности ΔI токов может быть легко выполнено с гораздо более высоким разрешением, чем при использовании внутренних устройств для измерения тока зарядного устройства, которые должны соответствовать величине полного тока зарядки.

Дополнительные ссылочные позиции, присутствующие на фиг. 3, уже были описаны на фиг. 1 и поэтому дополнительно не разъясняются.

Фиг. 4 показывает зарядное устройство согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения.

Измеряемый сигнал ΔI_meas тока подают на усилитель 22, который генерирует уставку дифференциального тока для зарядного устройства. Эту уставку добавляют к уставке одного из зарядных устройств и вычитают из уставки дополнительного зарядного устройства. Добавление сигнала выполняют таким образом, чтобы обратная связь в идеальном случае обеспечивала в результате очень малую разность ΔI токов. Остаточное значение ΔI зависит как от смещений устройства для измерения тока и усилителя, так и от коэффициента усиления усилителя 22.

Дополнительные ссылочные позиции, присутствующие на фиг. 4, уже были описаны на фиг. 1 и 3. Поэтому эти уже описанные ссылочные позиции дополнительно не разъясняются.

Фиг. 5 показывает зарядное устройство согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, разность токов интегрируют для генерации отклонения ΔI_SP уставки: датчик 10 может быть использован в качестве устройства для измерения тока, которое измеряет разность токов в аккумуляторной батарее 200, и может быть использован интегратор 24:

Использование интегратора 24 - интегрирующей части регулятора - может позволить детектировать не только разность токов, но и ее интеграл, который является различием в заряде. Следующим в линии находится, как и в других вариантах осуществления настоящего изобретения, корректирующий элемент в виде регулятора 30, который соответствующим образом может управлять уставками тока двух зарядных устройств.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, интегратор 24 может выдать значение или сигнал, который соответствует различию в заряде ΔQ=Интеграл (ΔI)dt. С использованием идеального интегратора, различие в заряде может быть полностью скомпенсировано, поскольку смещения постоянной составляющей как датчика 10 тока, так и последующего интегратора и усилительных устройств являются пренебрежимо малыми.

Согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, усилитель 22 и интегратор 24 являются функциональными создающими блоками. Возможны различные способы их реализации: чистый Р-усилитель 22, показанный на фиг. 4, идеальный интегратор-усилитель или интеграторы 24, показанные на фиг. 5, а также могут быть использованы реальные интеграторы, так называемые PI-регулятор или PID-регулятор.

Дополнительные ссылочные позиции, присутствующие на фиг. 5, уже были описаны на фиг. 1, 3 и 4. Поэтому эти уже описанные ссылочные позиции дополнительно не разъясняются.

Фиг. 6 показывает блок-схему последовательности операций способа для управления зарядкой и разрядкой аккумуляторной батареи согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения.

а - в качестве первого этапа способа может быть проведено измерение ST1 дифференциального тока DELTA_I в виде разности между первым током I_POS через первый батарейный участок 210 аккумуляторной батареи 200 и вторым током I_NEG через второй батарейный участок 220 аккумуляторной батареи 200, и обеспечение сигнала ΔI_meas разности токов на основе измеренного дифференциального тока DELTA_I.

Сигнал ΔI_meas разности токов может быть получен посредством измерения этого дифференциального тока DELTA_I, который протек обратно из центральной точки соединения двух батарейных участков в точку соединения двух устройств 32, 34 зарядки участков.

b - в качестве второго этапа способа может быть проведено вычисление ST2 первой уставки I_SP_POS тока, используемой для первого батарейного участка 210, и второй уставки I_SP_NEG тока, используемой для второго батарейного участка 220, на основе обеспеченного сигнала ΔI_meas разности токов и на основе уставки I_SP тока аккумуляторной батареи, посредством компенсатора 20.

c - в качестве третьего этапа способа, управление ST3 зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка 210 может быть проведено регулятором 30 на основе первой уставки I_SP_POS тока, дополнительно, управление зарядкой и/или разрядкой второго батарейного участка 220 может быть проведено регулятором 30 на основе второй уставки I_SP_NEG тока.

Альтернативно, зарядка и/или разрядка первого батарейного участка 210 и второго батарейного участка 220 могут быть проведены устройством 32 зарядки первого участка и устройством 34 зарядки второго участка, соответственно.

Фиг. 7 показывает схематичное изображение системы питания согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения.

Система 1000 питания может содержать аккумуляторную батарею 200, содержащую первый батарейный участок 210 и второй батарейный участок 220. Система 1000 питания может дополнительно содержать зарядное устройство 100, причем зарядное устройство 100 выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой аккумуляторной батареи 200.

1. Зарядное устройство (100), содержащее:

датчик (10), который выполнен с возможностью измерения дифференциального тока (DELTA_I) в виде разности между первым током (I_POS) через первый батарейный участок (210) аккумуляторной батареи (200) и вторым током (I_NEG) через второй батарейный участок (220) аккумуляторной батареи (200) и который выполнен с возможностью обеспечения сигнала (ΔI_meas) разности токов на основе измеренного дифференциального тока (DELTA_I), причем первый батарейный участок (210) и второй батарейный участок (220) являются центрально заземленными;

компенсатор (20), который выполнен с возможностью вычисления первой уставки (I_SP_POS) тока, используемой для первого батарейного участка (210), и второй уставки (I_SP_NEG) тока, используемой для второго батарейного участка (220), на основе обеспеченного сигнала (DELTA_I) разности токов и уставки (I_SP) тока аккумуляторной батареи; и

регулятор (30), который выполнен с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка (210) на основе первой уставки (I_SP_POS) тока и второго батарейного участка (220) на основе второй уставки (I_SP_NEG) тока, причем регулятор (30) содержит:

i) устройство (32) зарядки первого участка, которое выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка (210) на основе первой уставки (I_SP_POS) тока; и

ii) устройство (34) зарядки второго участка, которое выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой второго батарейного участка (220) на основе второй уставки (I_SP_NEG) тока.

2. Зарядное устройство (100) по п. 1,

в котором компенсатор (20) содержит усилитель (22), выполненный с возможностью усиления сигнала (ΔI_meas) разности токов для вычисления первой уставки (I_SP_POS) тока и второй уставки (I_SP_NEG) тока.

3. Зарядное устройство (100) по любому из предшествующих пунктов,

в котором компенсатор (20) содержит интегратор (24), выполненный с возможностью интегрирования сигнала (ΔI_meas) разности токов для вычисления первой уставки (I_SP_POS) тока и второй уставки (I_SP_NEG) тока.

4. Зарядное устройство (100) по любому из предшествующих пунктов,

в котором компенсатор (20) выполнен с возможностью работы в качестве пропорционального регулятора, пропорционально-интегрального регулятора, пропорционально-дифференциального регулятора или в качестве пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора.

5. Зарядное устройство (100) по любому из предшествующих пунктов,

причем зарядное устройство (100) выполнено с возможностью управления состоянием (SOC) заряда аккумуляторной батареи (200) в пределах заданного диапазона (R_SOC) состояний (SOC) заряда аккумуляторной батареи (200).

6. Зарядное устройство (100) по любому из предшествующих пунктов,

в котором датчик (10) выполнен с возможностью измерения дифференциального тока (DELTA_I) в диапазоне токов между 0 и 1000 мА, предпочтительно между 0 и 100 мА, наиболее предпочтительно между 0 и 10 мА.

7. Зарядное устройство (100) по любому из предшествующих пунктов,

в котором датчик (10) выполнен с возможностью измерения дифференциального тока (DELTA_I) первого тока (I_POS) и второго тока (I_NEG) в диапазоне одноразрядного процента от первого и/или второго тока, предпочтительно в диапазоне токов, равных одноразрядному числу тысячных долей первого тока и/или второго тока.

8. Зарядное устройство (100) по любому из предшествующих пунктов,

в котором компенсатор (20) выполнен с возможностью вычисления первой уставки (I_SP_POS) тока и второй уставки (I_SP_NEG) тока посредством контура управления для минимизации сигнала (ΔI_meas) разности токов.

9. Система (1000) питания, содержащая:

аккумуляторную батарею (200), содержащую первый батарейный участок (210) и второй батарейный участок (220); и

зарядное устройство (100) по одному из предшествующих пунктов,

причем зарядное устройство (100) выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой аккумуляторной батареи (200).

10. Способ управления зарядкой и разрядкой аккумуляторной батареи (200), причем способ содержит этапы:

a) измерения (ST1) дифференциального тока (DELTA_I) в виде разности между первым током (I_POS) через первый батарейный участок (210) аккумуляторной батареи (200) и вторым током (I_NEG) через второй батарейный участок (220) аккумуляторной батареи (200) и обеспечения сигнала (ΔI_meas) разности токов на основе измеренного дифференциального тока (DELTA_I), причем первый батарейный участок (210) и второй батарейный участок (220) являются центрально заземленными;

b) вычисления (ST2) первой уставки (I_SP_POS) тока, используемой для первого батарейного участка (210), и второй уставки (I_SP_NEG) тока, используемой для второго батарейного участка (220), на основе обеспеченного сигнала (ΔI_meas) разности токов и на основе уставки (I_SP) тока аккумуляторной батареи, посредством компенсатора (20); и

c) управления (ST3) зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка (210), посредством регулятора (30), на основе первой уставки (I_SP_POS) тока, управления зарядкой и/или разрядкой второго батарейного участка (220), посредством регулятора (30), на основе второй уставки (I_SP_NEG) тока, причем регулятор (30) содержит:

i) устройство (32) зарядки первого участка, которое выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой первого батарейного участка (210) на основе первой уставки (I_SP_POS) тока; и

ii) устройство (34) зарядки второго участка, которое выполнено с возможностью управления зарядкой и/или разрядкой второго батарейного участка (220) на основе второй уставки (I_SP_NEG) тока.

11. Способ по п. 10,

в котором этап (ST2) вычисления первой уставки (I_SP_POS) тока и/или второй уставки (I_SP_NEG) тока выполняют посредством пропорционального вычисления, посредством пропорционально-интегрального вычисления, или посредством пропорционально-дифференциального вычисления, или посредством пропорционально-интегрально-дифференциального вычисления.

12. Способ по п. 10 или 11,

в котором этап (ST2) вычисления первой уставки (I_SP_POS) тока и/или второй уставки (I_SP_NEG) тока выполняют посредством интегрирования сигнала (ΔI_meas) разности токов для вычисления первой уставки (I_SP_POS) тока и второй уставки (I_SP_NEG) тока.

13. Способ по любому из предшествующих пп. 10-12,

в котором этап (ST2) вычисления первой уставки (I_SP_POS) тока и/или второй уставки (I_SP_NEG) тока выполняют посредством контура управления для минимизации сигнала (ΔI_meas) разности токов.