Способ автоматического мониторинга и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательного соединения аккумуляторов блока
Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу автоматического мониторинга и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательного соединения аккумуляторов блока. Температуру аккумуляторов и температуру среды внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов контролируют датчиками температуры, установленными на каждом аккумуляторе, и датчиками температуры, равномерно размещенными по внутреннему объему герметичного корпуса. Параллельное соединение аккумуляторов в блоке осуществляют подключением положительных полюсов каждого из m аккумуляторов к общему проводу ряда через резисторы одинаково малой величины. Блоком коммутации аккумуляторов (3) подключают все ряды, начиная с первого из m параллельно соединенных аккумуляторов АКБ к шинам (4) и (5) для измерения электрических параметров. Контроль температуры аккумуляторов осуществляют подключением к блоку коммутации (6) всех датчиков температуры нечетных и четных рядов соответственно к нечетным и четным шинам (10) и (11) для измерения температуры аккумуляторов. Последовательность подключения датчиков температуры каждого из аккумуляторов нечетного и следующего четного ряда осуществляют путем опроса аналоговыми коммутаторами (8) и (9). Блоками измерения температуры (13) и (14) нечетных и четных рядов аккумуляторов, соединенными одними концами соответственно с шинами (10) и (11), и шинами (4) и (5) измерения электрических величин четных и нечетных рядов аккумуляторов формируют напряжение, пропорциональное среднему значению температуры по всем нечетным и четным рядам аккумуляторов, после чего на выходах блоков (13) и (14) выдается напряжение в виде импульсов с амплитудой, пропорциональной отклонению температуры от среднего значения разбаланса. Управляющий сигнал от микроконтроллера (12,) в случае перезаряда аккумулятора подается на блок компенсации перезаряда 21, где формируется импульс компенсирующего напряжения длительностью, пропорциональной величине перезаряда, направленной от перезаряженного аккумулятора к j ряду аккумуляторов. Управляющий сигнал от микроконтроллера (12) в случае недозаряда аккумулятора подается на блок компенсации недозаряда (22), где формируется импульс напряжения длительностью, пропорциональной величине недозаряда, направленной от h ряда аккумуляторов к недозаряженному аккумулятору, при этом напряжение h ряда аккумуляторов больше напряжения j ряда аккумуляторов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, предназначенных для непрерывного автоматического контроля и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов в блоке, установленном на транспортном средстве, например, гибридном автомобиле или электромобиле.
Из уровня техники известно устройство автоматического контроля и выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов комбинированной энергетической установки по патенту на изобретение (RU 2626378, МПК (2016.01): Н01М 10/48, опубликованное 26.07.2017), содержащее источник питания в виде блока последовательно соединенных аккумуляторов, систему режима потребления и зарядки аккумуляторов блока, группу однопозиционных нормально-разомкнутых ключей с малым внутренним сопротивлением, две электрические шины, при этом положительные полюса аккумуляторов блока с нечетными номерами подключены к одной электрической шине, а все положительные полюса аккумуляторов блока с четными номерами к другой электрической шине, микроконтроллер, связанный с блоком формирования отклонений напряжений от среднего значения, а информационной шиной с цифровым индикатором порядковых номеров проблемных аккумуляторов блока и блока управления коммутацией, установленного с возможностью последовательного подключения аккумуляторов блока к двум электрическим шинам.
К недостаткам аналога относится отсутствие возможности непрерывного контроля и выравнивания степени заряженности каждого из аккумуляторов блока, сложность решения проблемы одновременного контроля температуры и напряжения каждого из аккумуляторов при напряжении в батарее аккумуляторного блока (АКБ) достигающем нескольких сотен вольт.
Наиболее близко, по технической сущности к предлагаемому изобретению, относится система управления температурой параллельно-последовательно соединенного аккумуляторного блока, по патенту на изобретение (US 9257729 В2, МПК: Н01М 10/50 (2006/01), публикация от 09.02.2016). Согласно изобретению в общем случае аккумуляторная батарея АКБ электромобиля представляет собой параллельно-последовательное соединение ячеек. Аккумуляторные ячейки горизонтально соединены в параллель, а полученные ряды соединены последовательно.
Транспортное средство включает в себя аккумуляторную АКБ электромобиля, представляющую собой параллельно-последовательное соединение ячеек, причем, аккумуляторные ячейки горизонтально соединены в параллель, а полученные ряды соединены последовательно, систему контроля температуру АКБ посредством температурных датчиков и управления температурой с помощью контроллера, систему управления, которая отслеживает и контролирует общее функционирование различных подсистем автомобиля. Также данная система следит за уровнем заряда и скоростью разряда, как в процессе эксплуатации автомобиля, так и в режиме простоя, при этом контроллер сравнивает измеренные напряжения между собой, установив, например, максимально допустимую величину разницы напряжений.
К недостаткам прототипа относится:
отсутствие возможности непрерывного контроля и выравнивания степени заряженности каждого из аккумуляторов блока;
функциональная разобщенность и, следовательно, сложность схемотехнического решения проблемы одновременного контроля температуры и напряжения;
отсутствие хорошей диэлектрической развязки между силовым высоковольтным блоком аккумуляторов, на котором напряжение в АКБ может достигать нескольких сотен вольт и низковольтными частями контроля напряжения, температуры и анализа полученных данных. Поэтому в прототипе рекомендуется разбивать высоковольтные аккумуляторные блоки на несколько последовательно соединенных модулей из параллельно-последовательных аккумуляторов, объединяя их в герметичный блок АКБ, что влечет за собой дополнительные технические сложности и снижение надежности.
Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности и увеличении срока эксплуатации блока параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов, расширение функциональных возможностей, обеспечение одновременной балансировки с высоким КПД как перезаряженных, так и недозаряженных аккумуляторов при непрерывной работе в режиме зарядки и энергопотребления.
Технический результат заключается в следующем:
1. Осуществляется одновременный контроль температуры каждого аккумулятора и температуры воздуха внутри герметичного корпуса батареи аккумуляторов.
2. Одна система одновременно осуществляет следующие функции.
Контроль
контроль электрических параметров (напряжение и внутреннее сопротивление каждого аккумулятора батареи;
контроль температуры каждого аккумулятора;
контроль температуры воздуха внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов в виде среднего значения при измерении в нескольких точках;
контроль разницы между температурой среды внутри корпуса батареи аккумуляторов и температурой на каждом из аккумуляторов АКБ;
выявление недопустимых отклонений напряжений аккумуляторов при перезаряде и недозаряде и индикацию порядкового номера проблемного по температуре ряда аккумуляторов;
отображение на экране распределения температуры в виде графика в ряде параллельно соединенных аккумуляторов, содержащем проблемный аккумулятор;
датчики температуры не требуют диэлектрической изоляции относительно корпуса аккумулятора и, следовательно, имеют высокую точность и малую тепловую инерцию при контроле температуры.
Выравнивание:
выравнивание степени заряженности осуществляется адресно и пропорционально степени разбаланса каждого из аккумуляторов, как при перезаряде, так и при недозаряде аккумуляторов батареи;
выравнивание осуществляется импульсными токами величиной больше ампера при КПД более 80%.
3. Обеспечивается хорошая диэлектрическая развязка между силовой высоковольтной частью и низковольтной системой управления, при этом напряжение в батарее может достигать нескольких сотен вольт.
4. Система реализуется серийной элементной базой и не требует разработки дополнительных оригинальных элементов, что значительно снижает стоимость устройства.
Технический результат достигается за счет того, что способ автоматического мониторинга и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательного соединения аккумуляторов блока включает контроль степени заряженности и температуры аккумуляторов, установленных параллельно-последовательно в блоке, при этом блоком управления производят опрос аккумуляторов, в блоке измерения электрических параметров формируют напряжение пропорциональное среднему значению каждого из аккумуляторов блока и выделяют величины напряжения пропорциональные разнице между средним по блоку аккумуляторов и напряжением проблемного по этому параметру аккумулятора, а температуру аккумуляторов контролируют датчиками температуры. Отличие, согласно изобретения, состоит в том, что параллельное соединение аккумуляторов в блоке для каждого горизонтального ряда аккумуляторов осуществляют объединением вторых выводов резисторов одинаково малой величины в общий
ряда аккумуляторов блока, полученные ряды последовательно соединяют в единый блок аккумуляторов; блоком коммутации аккумуляторов попарно подключают общие двух соседних рядов аккумуляторов блока, начиная с первого к двум шинам измерения электрических параметров а и б; температуру аккумуляторов и температуру среды внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов контролируют датчиками температуры, установленными на каждом аккумуляторе и датчиками температуры, равномерно размещенными по внутреннему объему герметичного корпуса блока аккумуляторов; контроль температуры каждого аккумулятора в последовательно соединенных рядах блока аккумуляторов осуществляют подключением датчиков температуры к выводам ключей рядов датчиков температуры, блока коммутации датчиков температуры; блоком коммутации датчиков температуры осуществляют последовательное подключение всех датчиков температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов соответственно к нечетным и четным шинам измерения температуры аккумуляторов; последовательность подключения датчиков температуры каждого из аккумуляторов нечетного и следующего четного ряда осуществляют путем одновременного опроса нечетным и четным аналоговыми коммутаторами управляющих обмоток ключей датчиков температуры, блока датчиков температуры; при опросе управляющих обмоток ключей датчиков температуры, нечетными и четными аналоговыми коммутаторами замыкаются только те ключи датчиков температуры, управляющие обмотки которых подключены к активным в данный момент выходам блока управления коммутацией; управление последовательным попарным переключением выходов блока управления коммутацией и последовательное переключение входов нечетного и четного аналоговых коммутаторов осуществляют синхронно от микроконтроллера через информационные шины, причем тактовая частота опроса аналоговых коммутаторов превышает частоту опроса блока управления коммутацией с кратностью пропорциональной количеству аккумуляторов в ряду; на выходах блоков измерения температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов блока формируется напряжение, пропорциональное температуре по всем нечетным и четным рядам аккумуляторов, при этом выходное напряжение передается соответственно на входы микроконтроллера и блока инструментального усилителя; блоком инструментального усилителя осуществляют измерение разностного напряжения пропорционального разнице температур на соседних нечетных и четных рядах аккумуляторов блока и передают на обработку в микроконтроллер; микроконтроллером осуществляют статистическую обработку сигналов о температуре нечетных и четных рядов аккумуляторов блока, и определя математическое ожидание и поле рассеяния температуры в контролируемых рядах аккумуляторов блока, оценива допустимую разницу в температуре нечетных и четных рядов аккумуляторов блока на соответствие заданным границам допустимых расхождений средних температур, а применительно к последнему ряду, установленному для измерения температуры среды внутри герметичного корпуса аккумулятора, вычисля и анализиру его среднюю температуру, сравнива со средней температурой нечетных и четных рядов аккумуляторов блока по заданным границам допустимых расхождений средних температур среды и аккумуляторов для поддержания комфортных условий эксплуатации аккумуляторов блока; микроконтроллер индицирует на цифровой индикатор номер проблемного по температуре аккумулятора, в случае недопустимой разницы температур в каждом нечетном и четном рядах аккумуляторов одновременно на дисплеях распределения температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов отображаются гистограммы распределения температуры в нечетных и четных рядах, содержащих проблемные по температуре аккумуляторы; блоком измерения электрических параметров формируют среднюю величину напряжения по всем рядам блока аккумуляторов, а на вход микроконтроллера подают разностное напряжение в виде измерительных импульсов, положительных при перезаряде и отрицательных при недозаряде аккумуляторов; микроконтроллером, программно преобразуются амплитуды измерительных импульсов напряжения рассогласования, в управляющие сигналы, длительностью пропорциональной амплитуде входных импульсов напряжения рассогласования и постоянной амплитуды, при этом микроконтроллером формируется управляющий сигнал на выравнивание напряжения аккумуляторов с точностью до проблемного по электрическим параметрам в ряде аккумуляторов помощью блоков компенсации перезаряда и недозаряда; управляющий сигнал от микроконтроллера, в случае перезаряда аккумулятора подается на блок компенсации перезаряда, где формируется импульс компенсирующего напряжения длительностью пропорциональной величине перезаряда, направленный от перезаряженного аккумулятора к j-му ряду аккумуляторов; управляющий сигнал от микроконтроллера, в случае недозаряда аккумулятора подается на блок компенсации недозаряда, где формируется импульс компенсирующего напряжения длительностью пропорциональной величине недозаряда, направленной от h-го ряда аккумуляторов к недозаряженному аккумулятору, при этом напряжение h-го ряда аккумуляторов больше напряжения j-го ряда аккумуляторов; на цифровой индикатор электрических параметров индицируется порядковый номер проблемного по электрическим параметрам ряда аккумуляторов блока и характер неисправности перезаряд и недозаряд, при этом одновременно на соответствующие дисплеи распределения температуры нечетного и четного ряда отображается распределение температуры по всем аккумуляторам проблем по электрическим параметрам ряда.
Также отличия состоят еще в том, что при подаче импульсов выравнивания напряжения на ряде аккумуляторов, наибольшая энергия электрического импульса поступает на проблемный по виду разбаланса аккумулятор; для каждого аккумулятора и датчика измеряющего его температуру подается одно и то же электрическое напряжение; последним рядом датчиков температуры, размещенным внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов осуществляют измерение средней температуры внутри корпуса аккумулятора.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами, на котором изображены:
Фиг. 1 - блок - схема устройства непрерывного автоматического контроля и выравнивания степени заряженности блока аккумуляторов;
Фиг. 2 - осциллограммы контроля электрических параметров и температуры;
Фиг. 3 - осциллограмма выравнивания электрических параметров при перезаряде;
Фиг. 4 - осциллограмма выравнивания электрических параметров при недозаряде;
Схема устройства, на которой осуществляется предложенный изобретением способ, содержит:
источник питания в виде размещенного в герметичном корпусе блока m параллельно соединенных аккумуляторов 1 (АКБ), образующих «рядов по последовательному соединению и общим количеством (m×n), причем, к положительному контакту каждого аккумулятора электрически присоединены одними выводами резистор малой величины и датчик температуры (например, терморезистор с большим внутренним сопротивлением);
датчики температуры, равномерно размещенные по внутреннему объему герметичного корпуса аккумулятора, контролируют температуру его среды;
АКБ имеет два вывода от рядов h и j для связи соответственно с блоками компенсации перезаряда 21 (БКп) и недозаряда 22 БКн) при выравнивании степени заряженности аккумуляторов АКБ;
систему режима потребления и зарядки 2 (СПЗ) АКБ в условиях эксплуатации;
блок коммутации аккумуляторов 3 (БКА) содержит n+1 однопозиционных нормально-разомкнутых ключей с малым внутренним сопротивлением (дальше по тексту, ключей с малым внутренним сопротивлением) и управляющими обмотками, попарно подключающихся к шинам измерения электрических параметров 4 (а), 5 (б), n последовательно включенных рядов аккумуляторов, причем, управляющие обмотки ключей с малым внутренним сопротивлением связаны одними выводами с соответствующими выходами блока управления коммутацией 7 (БУК);
блок коммутации аккумуляторов 3 (БКА) содержит n+1 ключей с малым внутренним сопротивлением и управляющими обмотками;
в каждом ряду аккумуляторов АКБ вторые выводы резисторов малой величины объединены в общий провод ряда аккумуляторов;
шина измерения электрических параметров 4(а), к которой присоединены все общие провода последовательно соединенных рядов аккумуляторов АКБ с нечетными номерами;
шина измерения электрических параметров 5(б), к которой присоединены все общие провода последовательно соединенных рядов аккумуляторов АКБ с четными номерами;
блок коммутации датчиков температуры 6 (БКДт), содержит однопозиционные нормально-разомкнутые ключи датчиков температуры (дальше по тексту, ключи датчиков температуры) с управляющими обмотками, установленные в виде m параллельно соединенных ключей датчиков температуры, образующих нечетные и четные ряды по последовательному соединению общим количеством m×(n+1), причем, n+1 ряд установлен для измерения температуры среды, внутри герметичного корпуса аккумулятора;
все датчики температуры, измеряющие температуру аккумуляторов нечетных и четных рядов АКБ, через нечетные и четные ряды ключей датчиков температуры подсоединены к шинам 10(в), и 11(г) измерения температуры аккумуляторов;
в каждом ряду ключей датчиков температуры, одни выводы объединены в общий провод, и все нечетные ряды подсоединены к шине измерения температуры аккумуляторов 10(в), вторыми выводами ключи датчиков температуры присоединены ко вторым выводам датчиков температуры установленных на аккумуляторах каждого нечетного ряда;
в каждом ряду ключей датчиков температуры, одни выводы объединены в общий провод, и все четные ряды подсоединены к шине измерения температуры аккумуляторов 11(г), вторыми выводами ключи датчиков температуры присоединены ко вторым выводам датчиков температуры установленных на аккумуляторах каждого четного ряда;
вторые выводы управляющих обмоток нечетных и четных ключей датчиков температуры соответственно связаны с входами нечетного и четного аналоговых коммутаторов 8 (АКн) и 9 (АКч);
блок управления коммутации 7 (БУК) представляет собой сдвоенный демультиплексор на n выходов в каждом, соединенных между собой соответствующим образом, с общим числом выходов n+1;
аналоговый коммутатор 8 (Кн) управляющих обмоток рядов ключей датчиков температуры нечетных по последовательному соединению, с m входами;
аналоговый коммутатор 9 (Кч) управляющих обмоток рядов ключей датчиков температуры четных по последовательному соединению, с m входами;
шина измерения температуры аккумуляторов 10(в) соединенная с общими выводами ключей рядов датчиков температуры, блока коммутации датчиков температуры только нечетных по последовательному соединению рядов АКБ;
шина измерения температуры аккумуляторов 11(г) соединенная с общими выводами ключей рядов датчиков температуры блока коммутации датчиков температуры только четных по последовательному соединению рядов АКБ;
микроконтроллер 12;
блок измерения температуры 13 (БИТн) каждого ряда параллельно соединенных m аккумуляторов АКБ нечетных по последовательному соединению, включающий: импульсный трансформатор с двумя первичными последовательно соединенными и одной вторичной обмотками, диодный блок с конденсаторами;
блок измерения температуры 14 (БИТч) каждого ряда параллельно соединенных m аккумуляторов АКБ четных по последовательному соединению, включающий: импульсный трансформатор с двумя первичными последовательно соединенными и одной вторичной обмотками, диодный блок с конденсаторами;
инструментальный усилитель 15 (ИУ) с двумя входами и одним выходом;
цифровой индикатор 16 (ЦИт) проблемного по температуре аккумулятора АКБ;
дисплей 17 (Дтн) распределения температуры нечетного ряда параллельно соединенных m аккумуляторов АКБ, отображающий проблемный по температуре аккумулятор;
дисплей 18 (Дтч) распределения температуры четного ряда параллельно соединенных m аккумуляторов, отображающий проблемный по температуре аккумулятор;
блок измерения 19 (БИэ) электрических параметров ряда параллельно соединенных m аккумуляторов АКБ, включающий: импульсный трансформатор с двумя первичными последовательно соединенными и одной вторичной обмотками, диодный блок с конденсаторами;
цифровой индикатор электрических параметров 20 (ЦИэ) номера проблемного по электрическим параметрам ряда из m параллельно соединенных аккумуляторов АКБ;
блоки компенсации перезаряда 21 (БКп) и недозаряда 22 (БКн) аккумуляторов АКБ, каждый из которых включает согласующую цепочку, состоящую из конденсатора и резистора, силовой трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками, два однопозиционных нормально-разомкнутых ключа коммутации нечетных и четных рядов параллельно соединенных m аккумуляторов АКБ, два логических элемента, схемы совпадений, триггер четности, ограничительный резистор.
Предложенный способ осуществляют следующим образом.
Внутри герметичного корпуса на каждом аккумуляторе АКБ устанавливают датчик температуры и резистор одинаково малой величины для контроля и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательно соединенных аккумуляторов АКБ.
Параллельное соединение аккумуляторов в АКБ для каждого горизонтального ряда аккумуляторов осуществляют объединением вторых выводов резисторов одинаково малой величины в общий ряда аккумуляторов блока, полученные ряды последовательно соединяют в единый блок аккумуляторов.
Для контроля степени заряженности рядов аккумуляторов в АКБ, блоком коммутации аккумуляторов 3 (БКА) попарно подключают общие провода двух соседних рядов аккумуляторов, начиная с первого к шинам 4(а) и 5(б)измерения электрических параметров.
Температуру аккумуляторов АКБ и температуру среды внутри герметичного корпуса аккумуляторов контролируют датчиками температуры, установленными на каждом аккумуляторе и датчиками температуры, равномерно размещенными по внутреннему объему герметичного корпуса аккумуляторов АКБ.
Для контроля температуры каждого из аккумуляторов АКБ, в блоке коммутации датчиков температуры 6 (БКДт) размещены ключи датчиков температуры с управляющими обмотками, которые установлены в виде m параллельно соединенных рядов ключей датчиков температуры и образующих n+1 рядов по последовательному соединению и общим количеством m×(n+1), причем n+1 ряд установлен для измерения температуры среды внутри корпуса аккумулятора АКБ.
Контроль температуры каждого аккумулятора в последовательно соединенных рядах аккумуляторов осуществляют подключением датчиков температуры к выводам ключей рядов датчиков температуры, блока коммутации датчиков температуры 6 (БКДт).
Блоком коммутации датчиков температуры 6 (БКДт) осуществляют последовательное подключение всех датчиков температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов АКБ соответственно к нечетным и четным шинам 10(в) и 11(г) измерения температуры аккумуляторов.
Последовательность подключения датчиков температуры каждого из аккумуляторов нечетного и следующего четного ряда осуществляют путем одновременного опроса нечетнымии четными аналоговыми коммутаторами 8 (АКн) и 9 (АКч) управляющих обмоток ключей датчиков температуры, блока коммутации датчиков температуры 6 (БКДт).
При опросе управляющих обмоток ключей датчиков температуры, нечетными 8 (АКн) и четными 9 (АКч)аналоговыми коммутаторами замыкаются только те ключи датчиков температуры, управляющие обмотки которых подключены к активным в данный момент выходам блока управления коммутацией 7 (БУК).
Управление последовательным попарным переключением выходов блока управления коммутацией 7 (БУК) и последовательное переключение входов нечетного 8 (АКн) и четного 9 (АКч) аналоговых коммутаторов осуществляют синхронно от микроконтроллера 12 (МК) через информационные шины. Причем тактовая частота опроса нечетного 8 (АКн) и четного 9 (АКч) аналоговых коммутаторов превышает частоту опроса блока управления коммутацией 7 (БУК) с кратностью пропорциональной количеству аккумуляторов в ряду.
На выходах блоков измерения температуры 13 (БИТн) и 14 (БИТч) нечетных и четных рядов аккумуляторов АКБ формируется напряжение, пропорциональное температуре по всем нечетным и четным рядам аккумуляторов АКБ, при этом выходное напряжение передается соответственно на входы микроконтроллера 12 (МК) и блока инструментального усилителя 15 (ИУ), где осуществляется измерение разностного напряжения пропорционального разнице температур на соседних нечетных и четных рядах аккумуляторов АКБ и затем также передается на обработку в микроконтроллер 12 (МК).
Блоком инструментального усилителя 15 (ИУ) осуществляют измерение разностного напряжения пропорционального разнице температур на соседних нечетных и четных рядах аккумуляторов АКБ и передают на обработку в микроконтроллер 12 (МК).
Микроконтроллером 12 (МК) осуществляют:
статистическую обработку сигналов о температуре нечетных и четных рядов аккумуляторов блока;
и определя математическое ожидание и поле рассеяния температуры в контролируемых рядах аккумуляторов блока;
оценива допустимую разницу в температуре нечетных и четных рядов аккумуляторов АКБ на соответствие заданным границам допустимых расхождений средних температур;
применительно к последнему ряду, установленному для измерения температуры среды внутри герметичного корпуса аккумулятора АКБ, вычисляют и анализируют его среднюю температуру;
сравнивают со средней температурой нечетных и четных рядов аккумуляторов АКБ по заданным границам допустимых расхождений средних температур среды и аккумуляторов для поддержания комфортных условий эксплуатации аккумуляторов АКБ.
Микроконтроллер 12 (МК) индицирует на цифровой индикатор 16 (ЦИт) номер проблемного по температуре аккумулятора, в случае недопустимой разницы температур в каждом нечетном и четном рядах аккумуляторов. Одновременно на дисплеях распределения температуры нечетных 17 (ДТн) и четных 18 (ДТч) рядов аккумуляторов АКБ отображаются гистограммы распределения температуры в нечетных и четных рядах, содержащих проблемные по температуре аккумуляторы.
Блоком измерения электрических параметров 19 (БИэ) измеряют напряжения в каждом четном и нечетном рядах аккумуляторов АКБ, при этом в блоке 19 (БИэ) формируется средняя величина напряжения по всем n рядам аккумуляторов АКБ. На вход микроконтроллера 12 (МК) подают разностное напряжение в виде измерительных импульсов, положительных при перезаряде и отрицательных при недозаряде аккумуляторов.
Микроконтроллером 12 (МК) программно преобразуются амплитуды измерительных импульсов напряжения рассогласования, в управляющие сигналы, длительностью пропорциональной амплитуде входных импульсов напряжения рассогласования и постоянной амплитуды, при этом микроконтроллером 12 (МК) формируется управляющий сигнал на адресное выравнивание напряжения аккумуляторов с точностью до проблемного по электрическим параметрам в ряде аккумуляторов с помощью блоков компенсации перезаряда 21 (БКп) и недозаряда 22 (БКн).
Управляющий сигнал от микроконтроллера 12 (МК), в случае перезаряда аккумулятора подается на блок компенсации перезаряда 21 (БКп), где формируется импульс компенсирующего напряжения длительностью пропорциональной величине перезаряда, направленный от перезаряженного аккумулятора к j-му ряду аккумуляторов АКБ.
Управляющий сигнал от микроконтроллера 12 (МК), в случае недозаряда аккумулятора подается на блок компенсации недозаряда 22 (БКн), где формируется импульс компенсирующего напряжения длительностью пропорциональной величине недозаряда, направленной от h-го ряда аккумуляторов к недозаряженному аккумулятору, при этом напряжение h-го ряда аккумуляторов больше напряжения j-го ряда аккумуляторов.
На цифровой индикатор электрических параметров 20 (ЦИэ) индицируется порядковый номер проблемного по электрическим параметрам ряда аккумуляторов АКБ и характер неисправности перезаряд и недозаряд, при этом одновременно на соответствующие дисплеи распределения температуры нечетного 17 (ДТн) и четного 18 (ДТч) ряда отображается распределение температуры по всем аккумуляторам проблемно по электрическим параметрам ряда.
При подаче импульсов выравнивания напряжения на ряд аккумуляторов, наибольшая энергия электрического импульса поступает на проблемный по виду разбаланса аккумулятор АКБ.
Для каждого аккумулятора и датчика измеряющего его температуру подается одно и то же электрическое напряжение.
Последним (n+1) рядом датчиков температуры, размещенным внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов осуществляют измерение средней температуры внутри корпуса аккумулятора АКБ.
Были проведены эксперименты по реализации предложенного способа в среде программирования MULTISIM.
Пример 1
Эксперимент проводился при имитации работы фрагмента системы автоматического мониторинга и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательного соединения аккумуляторов в блоке включающем ряд из двух параллельно включенных аккумуляторов при количестве рядов равным четырем и общем количестве аккумуляторов восемь.
На каждом аккумуляторе устанавливался датчик температуры, в виде терморезистора с большим внутренним сопротивлением. Ряды из двух параллельно включенных аккумуляторов формировались с использованием резисторов с номиналом меньше 1 Ом, подключенных к аккумуляторам. В качестве однопозиционных нормально разомкнутых ключей, использовались электромеханические ключи с малым контактным сопротивлением. Тактовая чистота опроса терморезисторов 200 Гц, а аккумуляторов блока - 50 Гц.
Выравнивание при перезаряде и недозаряде осуществлялось при сравнении напряжения на проблемном аккумуляторе с напряжением на блоке аккумуляторов, состоящего из четырех последовательно соединенных рядов аккумуляторов.
На фиг. 2 представлены осциллограммы:
тактовых импульсов с частотой 50 Гц;
разбаланса электрических параметров напряжения (U) и сопротивления (R) в виде отклонения от среднего значения по всем аккумуляторам блока;
температуры нечетных рядов аккумуляторов блока;
температуры четных рядов аккумуляторов блока.
Из первой осциллограммы видно, что по величине положительного импульса при разбалансе относительно среднего значения можно говорить о величине перезаряда ряд аккумуляторов.
На осциллограмме измерения температуры нечетных рядов аккумуляторов блока представлены графики распределения температуры первого и второго рядов аккумуляторов, причем, температура второго аккумулятора выше температуры первого аккумулятора ряда.
На осциллограмме измерения температуры четных рядов аккумуляторов блока, представлены графики распределения температуры первого и второго рядов аккумуляторов, причем, температура второго аккумулятора выше температуры первого аккумулятора ряда.
На фиг 3 представлены осциллограммы:
выравнивание при перезаряде;
разбаланс при перезаряде.
На осциллограмме разбаланса при перезаряде видно, что величина положительного значения импульса, говорит о величине и знаке разбаланса, в данном случае - перезаряда.
На осциллограмме выравнивания при перезаряде видно, что величина длительности импульса выравнивания пропорциональна амплитуде разбаланса, при этом происходит распределение энергии за счет передачи некоторого количества заряда от проблемного аккумулятора к блоку аккумуляторов, состоящего из четырех последовательно соединенных рядов аккумуляторов.
аккумуляторов, состоящей из нескольких последовательно соединенных рядов аккумуляторов.
На фиг. 4 представлены осциллограммы:
выравнивание при недозаряде;
разбаланс при недозаряде.
На осциллограмме разбаланса при недозаряде видно, что величина отрицательного значения импульса, говорит о величине и знаке разбаланса, в данном случае - недозаряда.
На осциллограмме выравнивания при перезаряде видно, что величина длительности импульса выравнивания пропорциональна амплитуде разбаланса, при этом происходит распределение энергии за счет передачи некоторого количества заряда от блока аккумуляторов, состоящего из четырех последовательно соединенных рядов аккумуляторов к проблемному аккумулятору.
Таким образом, достигается повышение надежности и увеличение срока эксплуатации аккумуляторов блока посредством непрерывного автоматического контроля и адресного выравнивания напряжения каждого из аккумуляторов с высокой точностью при выравнивании токами в импульсе достигающих нескольких ампер, высоким КПД преобразования энергии с возможностью индикации порядковых номеров с недопустимым отклонением напряжения недозаряда и перезаряда аккумуляторов блока при минимальных затратах оборудования и стоимости, приходящихся на один рабочий аккумулятор блока аккумуляторов, особенно этот эффект пропорционально растет при увеличении количества аккумуляторов в блоке.
Возможность осуществлять в одном устройстве контроль и выравнивание электрических параметров аккумуляторов и одновременно контролировать температуру каждого из них следует рассматривать как новый дополнительный диагностический признак, повышающий надежность системы.
1. Способ автоматического мониторинга и выравнивания степени заряженности параллельно-последовательного соединения аккумуляторов блока, включающий контроль степени заряженности и температуры аккумуляторов, установленных параллельно-последовательно в блоке, при этом блоком управления производят опрос аккумуляторов, в блоке измерения электрических параметров формируют напряжение, пропорциональное среднему значению по всем аккумуляторам блока, и выделяют величины напряжения, пропорциональные разнице между средним по блоку аккумуляторов и напряжением проблемного по этому параметру аккумулятора, а температуру аккумуляторов контролируют датчиками температуры, отличающийся тем, что параллельное соединение аккумуляторов в блоке для каждого горизонтального ряда аккумуляторов осуществляют объединением вторых выводов резисторов одинаково малой величины в общий провод ряда аккумуляторов блока, полученные ряды последовательно соединяют в единый блок аккумуляторов; блоком коммутации аккумуляторов попарно подключают общие провода двух соседних рядов аккумуляторов блока, начиная с первого, к двум шинам измерения электрических параметров а и б; температуру аккумуляторов и температуру среды внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов контролируют датчиками температуры, установленными на каждом аккумуляторе, и датчиками температуры, равномерно размещенными по внутреннему объему герметичного корпуса блока аккумуляторов; контроль температуры каждого аккумулятора в последовательно соединенных рядах блока аккумуляторов осуществляют подключением датчиков температуры к выводам ключей рядов датчиков температуры, блока коммутации датчиков температуры; блоком коммутации датчиков температуры осуществляют последовательное подключение всех датчиков температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов соответственно к нечетным и четным шинам измерения температуры аккумуляторов; последовательность подключения датчиков температуры каждого из аккумуляторов нечетного и следующего четного ряда осуществляют путем одновременного опроса нечетным и четным аналоговыми коммутаторами управляющих обмоток ключей датчиков температуры блока коммутации датчиков температуры; при опросе управляющих обмоток ключей датчиков температуры, нечетными и четными аналоговыми коммутаторами замыкаются только те ключи датчиков температуры, управляющие обмотки которых подключены к активным в данный момент выходам блока управления коммутацией; управление последовательным попарным переключением выходов блока управления коммутацией и последовательное переключение входов нечетного и четного аналоговых коммутаторов осуществляют синхронно от микроконтроллера через информационные шины, причем тактовая частота опроса аналоговых коммутаторов превышает частоту опроса блока управления коммутацией с кратностью, пропорциональной количеству аккумуляторов в ряду; нечетные и четные ряды ключей датчиков температуры подключают через шины измерения температуры аккумуляторов соответственно нечетных и четных рядов к первым входам нечетного и четного блоков измерения температуры, а вторые входы блоков измерения температуры нечетных и четных рядов датчиков температуры подключают соответственно с шинами измерения электрических параметров, на выходах блоков измерения температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов блока формируют напряжение, пропорциональное температуре по всем нечетным и четным рядам аккумуляторов, при этом выходное напряжение передается соответственно на входы микроконтроллера и блока инструментального усилителя; блоком инструментального усилителя осуществляют измерение разностного напряжения, пропорционального разнице температур на соседних нечетных и четных рядах аккумуляторов блока, и передают на обработку в микроконтроллер; микроконтроллером осуществляют статистическую обработку сигналов о температуре нечетных и четных рядов аккумуляторов блока, и определяют математическое ожидание и поле рассеяния температуры в контролируемых рядах аккумуляторов блока и оценивают разницу в температуре нечетных и четных рядов аккумуляторов блока на соответствие заданным границам допустимых расхождений средних температур, а применительно к последнему ряду, установленному для измерения температуры среды внутри герметичного корпуса аккумулятора, вычисляют и анализируют его среднюю температуру, сравнивают со средней температурой нечетных и четных рядов аккумуляторов блока по заданным границам допустимых расхождений средних температур среды и аккумуляторов для поддержания комфортных условий эксплуатации аккумуляторов блока; микроконтроллер индицирует на цифровой индикатор номер проблемного по температуре аккумулятора, в случае недопустимой разницы температур в каждом нечетном и четном рядах аккумуляторов, одновременно на дисплеях распределения температуры нечетных и четных рядов аккумуляторов микроконтроллером отображаются гистограммы распределения температуры в нечетных и четных рядах, содержащих проблемные по температуре аккумуляторы; блоком измерения электрических параметров формируют среднюю величину напряжения по всем рядам блока аккумуляторов, а на вход микроконтроллера подают разностное напряжение в виде измерительных импульсов, положительных при перезаряде и отрицательных при недозаряде аккумуляторов; амплитуды измерительных импульсов напряжения рассогласования программно преобразуются микроконтроллером в управляющие сигналы длительностью, пропорциональной амплитуде входных импульсов напряжения рассогласования и постоянной амплитуды, при этом микроконтроллером формируется управляющий сигнал на выравнивание напряжения рядов аккумуляторов с помощью блоков компенсации перезаряда и недозаряда с точностью до проблемного по электрическим параметрам в ряде аккумуляторов; управляющий сигнал от микроконтроллера, в случае перезаряда аккумулятора подается на блок компенсации перезаряда, где формируется импульс компенсирующего напряжения длительностью, пропорциональной величине перезаряда, направленный от перезаряженного аккумулятора к j-му ряду аккумуляторов; управляющий сигнал от микроконтроллера, в случае недозаряда аккумулятора подается на блок компенсации недозаряда, где формируется импульс компенсирующего напряжения длительностью, пропорциональной величине недозаряда, направленной от h-го ряда аккумуляторов к недозаряженному аккумулятору, при этом напряжение h-го ряда аккумуляторов больше напряжения j-го ряда аккумуляторов; на цифровой индикатор электрических параметров индицируется порядковый номер проблемного по электрическим параметрам ряда аккумуляторов блока и характер неисправности перезаряд и недозаряд, при этом одновременно на соответствующие дисплеи распределения температуры нечетного и четного ряда отображается распределение температуры по всем аккумуляторам блока проблемных по электрическим параметрам ряда.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при подаче импульсов выравнивания напряжения на ряде аккумуляторов наибольшая энергия электрического импульса поступает на проблемный по виду разбаланса аккумулятор.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для каждого аккумулятора и датчика, измеряющего его температуру, подается одно и то же электрическое напряжение.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что последним рядом датчиков температуры, размещенным внутри герметичного корпуса блока аккумуляторов, осуществляют измерение средней температуры среды внутри корпуса аккумулятора.
