Способ и устройство определения зарядной характеристики системы накопления электроэнергии в системе тягового электроснабжения

Авторы патента:

H01M10/44 - способы зарядки или разрядки (схемы зарядки H02J 7/00)

B60M3/00 - Подача электроэнергии к электрическим сетям, контактирующим с токоприемниками транспортных средств; устройства для использования регенерируемой тормозной мощности (управление рельсовыми транспортными средствами путем изменения напряжения тока, подаваемого к транспортным средствам B60L, распределение электроэнергии вообще H02J)

Владельцы патента RU 2785263:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет путей сообщения" (RU)

Использование: в системе тягового электроснабжения электрифицированного железнодорожного транспорта. Технический результат - снижение потерь мощности в контактной сети при заряде системы накопления энергии. Технический результат достигается за счет регулирования зарядной характеристики системы накопления по данным о значениях степени заряженности за соответствующий период времени измерений с учетом ограничений зарядной характеристики. Устройство определения зарядной характеристики системы автоматического регулирования напряжения и мощности в системе тягового электроснабжения содержит блок управления режимами работы системы накопления, блок хранения данных зарядной характеристики, блок считывания и передачи данных зарядной характеристики, блок данных передачи текущих значений электрических величин, блок хранения данных об измерениях и результатах вычислений, блок считывания и передачи данных зарядной характеристики. Дополнительно введены блок расчета статистических показателей степени заряженности и блок регистрации графика степени заряженности, подключенные к входам и выходам блока хранения данных об измерениях и результатах вычислений. 3 ил.

Изобретение относится к электрифицированному железнодорожному транспорту, а именно к системе тягового электроснабжения, содержащей системы накопления электроэнергии, расположенные на линейных устройствах контактной сети.

Предлагаемое устройство предназначено для автономного управления системой накопления на линейных объектах контактной сети и позволяет регулировать зарядную характеристику для снижения потерь электроэнергии в контактной сети.

Известно устройство гибридного накопителя электроэнергии для системы тягового электроснабжения постоянного тока [2], в котором управление режимами работы осуществляется с помощью системы автоматического регулирования.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования зарядной характеристики на основе данных об изменении степени заряженности системы накопления за заданный период времени.

Известно устройство для автоматического регулирования системы тягового электроснабжения, которое позволяет регулировать мощность и напряжение в системе тягового электроснабжения, содержащей системы накопления [3]. Управление системой накопления осуществляется в зависимости от уровня напряжения и потребляемой мощности в границах межподстанционных зон.

Недостатком данного устройств является отсутствие возможности регулирования зарядной характеристики на основе данных об изменении степени заряженности.

Известен способ и устройство зарядки электронного устройства [1] (прототип), эффект которого проявляется в увеличении срока службы аккумуляторной батареи за счет снижения тока зарядки, определяемого на основе информации о периоде времени, в течение которого ранее выполнялась зарядка.

Недостатком указанного способа является отсутствие возможности изменять зарядную характеристику с учетом допустимых потерь напряжения и электроэнергии в контактной сети системы тягового электроснабжения.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения путем автоматического регулирования зарядной характеристики системы накопления электроэнергии.

Технический результат предлагаемого способа заключается в снижении потерь мощности и энергии в контактной сети при заряде системы накопления и достигается за счет регулирования зарядной характеристики системы накопления по данным о значениях степени заряженности за соответствующий период времени измерений с учетом ограничений зарядной характеристики.

Косвенный эффект, достигаемый от реализации способа, - увеличение срока службы накопителей электрохимического вида за счет снижения уровня зарядного тока по условиям устойчивой работы системы тягового электроснабжения.

Достижение заявленных результатов обеспечивается путем введения в устройство следующих блоков: регистрации графика степени заряженности - для определения параметров зарядной характеристики системы накопления; расчета статистических показателей степени заряженности - для определения показателей и записи зарядной характеристики.

Рассмотрим реализацию способа определения зарядной характеристики на примере устройства и порядка расчетов.

На фиг. 1 приведено устройство реализации способа определения зарядной характеристики, состоящего из следующих блоков:

1 - блок управления режимами работы системы накопления;

2 - блок хранения данных зарядной характеристики;

3 - блок считывания/передачи данных о зарядной характеристике;

4 - блок данных передачи текущих значений электрических величин (напряжения, ток, степень заряженности);

5 - блок хранения данных об измерениях и результатах вычислений;

6 - блок расчета статистических показателей степени заряженности;

7 - блок регистрации графика степени заряженности.

Блок управления режимами работы системы накопления 1 реализует общее управления в зависимости от результатов измерений и потоков мощности в системе. Зарядная характеристика для реализации управления системы накопления блоком 1 хранится в блоке 2. На основе данных текущих измерений электрических величин (тока, напряжения, степени заряженности), которые поступают в блок памяти 5, выполняется регистрация данных за период измерений (блок 7) и обеспечивается работа блока вычислений 6. Полученная зарядная характеристика из блока 6 передается в блок памяти 5 и далее через блок считывания/передачи 3 в блок хранения данных зарядной характеристики для перезаписи.

Предлагаемый способ определения зарядной характеристики реализуется с помощью следующего алгоритма расчета (фиг. 2).

Блок построения зарядной характеристики входит в состав блока управления режимами работы системы накопления. При создании условий для перехода системы накопления в режим заряда (1) данные измерений (2) используются для определения тока заряда по текущей зарядной характеристики (3). После определения и изменения тока заряда осуществляется регистрация показателей режима (4) (степень заряженности и соответствующее время). Если заданный период времени не завершен (5), то выполняется проверка сохранения условий заряда (9) и цикл заряда повторяется. В случае, если период времени завершен, то выполняется определение показателей режима за заданный период времени, на основании которых перестраивается зарядная характеристика (7) и выполняется обновление зарядной характеристики (8) для реализации процесса заряда в новом цикле.

Построение линейно зарядной характеристики осуществляется на основе текущего значения напряжения на шинах линейного устройства, к которым подключена система накопления, пороговых значений напряжения и максимального допустимого зарядного тока.

Если текущее измеренное напряжение удовлетворяет неравенству, заряд не осуществляется:

где U_iи U_min - текущее и пороговое минимальное значения напряжения.

Перестроение характеристики осуществляется за счет изменения угла наклона линейной характеристики путем изменения максимального порогового напряжения. При этом ток заряда при выполнении неравенства

определяется по формуле:

где U_max - максимальное пороговое напряжение;

I_max - максимальный ток системы накопления.

Если текущее значение напряжения удовлетворяет неравенству:

заряд выполняется максимальным током заряда I_max.

Преобладание заряда в графике степени заряженности характеризуется возможностью снижения тока заряда в зависимости от продолжительности времени, в течение которого степень заряженности равна максимальной. Указанный показатель предлагается использовать для изменения максимального порогового напряжения по итогам обработки данных измерений за период времени (например, сутки) путем применения соответствующего коэффициента:

где i - период измерений;

t_max - суммарное время за период измерений, в течение которого степень заряженности была равна или превышала максимальный уровень.

В случае преобладания разряда увеличивается время, в течение которого степень заряженности близка к минимальным или нулевым значениям. В этом случае предлагается применять соответствующий коэффициент:

где t_min - суммарное время за период измерений, в течение которого степень заряженности была равна или ниже минимального уровня.

Аналогичный коэффициент вводится для оценки средней степени заряженности:

где SoC_{m i} - среднее значение степени заряженности за i-й период измерений.

На основе расчетов коэффициентов определяется максимальное пороговое напряжение для построения зарядной характеристики:

при условии, что

где k_i - коэффициент, корректирующий значение максимального порогового напряжения, на i-м периоде времени:

Начальные значения приведенных выше коэффициентов на начальном шаге принимаются равными единице.

Механизм изменения зарядной характеристики проиллюстрирован на фиг. 3. Ограничение слева на рисунке заштриховано и соответствует максимальным потерям напряжения в контактной сети. Напряжение U_min соответствует минимальному напряжению, при котором система накопления переходит в режим заряда. Зарядная характеристика в диапазоне напряжений от U_minдо U_max определяет изменение тока заряда в зависимости от изменения напряжения. Скорость изменения тока заряда определяется значением U_max. Чем выше указанное напряжение, тем ниже скорость изменения тока заряда. При изменении условий работы системы накопления значение U_max корректируется. Стрелками на графике показана условные направления корректировки напряжения U_max, показывающие изменение характеристики в зависимости от показателей работы системы накопления.

Определение зарядной характеристики с применением указанных характеристик позволяет в условиях изменения нагрузки в границах межподстанционной зоны подстраивать зарядную характеристику таким образом, чтобы степень заряженность была близка к целевому значению, а уровень тока заряда был по возможности ниже. Реализация данного подхода построения зарядной характеристики позволяет снизить нагрузочные потери в контактной сети и за счет снижения тока заряда обеспечить продление срока службы используемой в системе накопления электроэнергии аккумуляторной батареи.

Библиографический список

1. Пат. на изобретение №2522425 РФ. Электронное устройство, способ зарядки электронного устройства, устройство контроля зарядки и способ контроля зарядки / Курода Ехэй, Исиока Осаму, Яги Нобутака, Амэмия Редзи, Баку Кэндзи (JP) - 2012103913/07; Заявл. 03.08.2010; опубл. 10.07.2014. Бюл. №19.

2. Пат. на полезную модель №202 369. Гибридный накопитель электроэнергии для системы тягового электроснабжения постоянного тока / В.Л. Незевак, В.Т. Черемисин, С.С. Самолинов (РФ). - 2020135222; Заявл. 26.10.2020; опубл. 15.02.2020. Бюл. №5.

3. Пат. на изобретение №2735158 РФ. Устройство для автоматического регулирования системы тягового электроснабжения / В.Л. Незевак, В.Т. Черемисин, Ю.В. Плотников (РФ) - 2020113761; Заявл. 03.04.2020; опубл. 28.10.2020. Бюл. №31.

Устройство определения зарядной характеристики системы автоматического регулирования напряжения и мощности в системе тягового электроснабжения, содержащее блок управления режимами работы системы накопления, реализующий общее управление в зависимости от результатов измерений и потоков мощности в системе, вход и выход которого соединены с блоком хранения данных зарядной характеристики, другие вход и выход которого соединены с входом и выходом блока считывания и передачи данных зарядной характеристики, блок данных передачи текущих значений электрических величин, соединенный с блоком хранения данных об измерениях и результатах вычислений, который соединен с блоком считывания и передачи данных зарядной характеристики, отличающееся тем, что дополнено блоком расчета статистических показателей степени заряженности и блоком регистрации графика степени заряженности, подключенными к входам и выходам блока хранения данных об измерениях и результатах вычислений.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу зарядки аккумуляторов тяговой батареи электротранспорта или другого назначения. Технический результат заключается в повышении равномерности и эффективности зарядки аккумуляторов тяговой батареи для электротранспорта или другого назначения.

Балансир для судна с электродвижением // 2783046

Балансир для судна с электродвижением относится к области электротехники и может быть использован для контроля степени заряда и разряда литий-ионных батарей. Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функционала устройства-прототипа путём организации обеспечения возможности обслуживающему персоналу судна с электродвижением контролировать степень заряда, а также разряда аккумуляторов, используемых для обеспечения хода судна.

Устройство восстановления заряда взрывозащищенных литий-ионных аккумуляторных батарей // 2767486

Изобретение относится к области электротехники, а именно к зарядным устройствам. Технический результат заключается в обеспечении устройством восстановления заряда возможности вывода из заблокированного состояния аккумуляторных батарей.

Способ параллельного соединения по меньшей мере двух аккумуляторов и распределительное устройство // 2765911

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение возможности параллельного соединения по меньшей мере двух аккумуляторов с разными напряжениями покоя при малых разностях напряжения без использования тяжелых и объемных конструктивных элементов.

Перезаряжаемые элементы питания // 2756685

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления перезаряжаемого устройства питания путем печати по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи и суперконденсатора. Повышение надежности работы устройства питания является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что способ предусматривает перезарядку по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи через управляющую электронику, выполненную с возможностью подключения суперконденсатора(ов) к упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батарее, обладающей высокой удельной емкостью.

Способ эксплуатации батареи накопителей электрической энергии // 2751995

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве и эксплуатации батарей на основе накопителей электрической энергии в виде аккумуляторов и электрохимических конденсаторов. Способ эксплуатации батареи накопителей электрической энергии из n последовательно соединённых элементов заключается в том, что разряд, заряд и хранение в заряженном состоянии проводят с помощью контроля напряжения и тока элементов, при этом отказавшие или достигшие конечного напряжения элементы исключают из батареи без разрыва тока в цепи заряда или разряда.

Способ управления системой балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи // 2747530

Изобретение относится к области электротехники, в частности к зарядке или подзарядке аккумуляторных батарей. Согласно изобретению, в завершающей стадии заряда литий-ионной аккумуляторной батареи, в момент, когда напряжение на одной из ячеек достигает максимально допустимого значения, сохраняют массив значений напряжений на всех ячейках, составляющих литий-ионную аккумуляторную батарею.

Балансир напряжений электрических накопителей энергии и способ выравнивания напряжения заряда на соединенных последовательно n электрических накопителях энергии // 2743789

Изобретение относится к области электротехники, а именно к балансиру напряжений электрических накопителей энергии и способу выравнивания напряжения заряда на соединенных последовательно n электрических накопителях энергии, и может быть использовано при разработке литий-ионных аккумуляторных батарей или батарей с химическими источниками тока для нужд транспорта и энергетики.

Способ и устройство зарядки для мобильного терминала, терминал и носитель данных // 2739448

Изобретение относится к области зарядки аккумулятора для мобильного терминала. Техническим результатом является повышение скорости зарядки без инициирования механизма защиты от перегрева.

Способ зарядки или разрядки накопителя энергии // 2736777

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу зарядки или разрядки накопителя (2) энергии по меньшей мере с блоком (20) элементов, состоящим из нескольких последовательно соединенных друг с другом аккумуляторных элементов (3-7). Зарядку накопителя энергии проводят с помощью проходящего через все аккумуляторные элементы (3-7) последовательного тока (IO, при этом по меньшей мере поскольку некоторые из аккумуляторных элементов (3-7) могут иметь различные емкости (CN), способ предусматривает измерение емкости (CN) N аккумуляторных элементов блока элементов через регулярные интервалы времени и на основании измеренных емкостей и предварительно заданного C-коэффициента (отношение максимального тока IN;max зарядки к емкости CN) для каждого аккумуляторного элемента определяют максимальный ток зарядки.

Способ управления мгновенным автоматическим повторным включением для выключателей фидеров контактной сети постоянного тока на тяговых подстанциях и постах секционирования // 2695043

Изобретение относится к подаче электроэнергии к электрическим сетям, контактирующим с токоприемниками транспортных средств. Способ мгновенного автоматического повторного включения для выключателей фидеров контактной сети на тяговых подстанциях и постах секционирования, подразумевающий использование цифрового терминала защит фидеров контактной сети постоянного тока, с помощью которого реализуют цикл мгновенного автоматического повторного включения (МАПВ).