Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из "n" последовательно соединенных аккумуляторов

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Известен способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов, ограничении заряда по максимальной величине напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г. Краснодар).

В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ.563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения отличия в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ.

Недостатком известного способа заряда литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что проведение выравнивания аккумуляторов по емкости - процесс периодический и связан с достижением заранее установленной величины разбаланса по напряжению, что снижает эффективность использования литий-ионной аккумуляторной батареи.

Наиболее близким техническим решением является «способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами» (патент 2479894, RU), заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов и отключении заряда по достижении напряжением любого из аккумуляторов заданного максимального значения, отличающийся тем, что при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением, а к остальным аккумуляторам подключают балансировочные резисторы на время, индивидуальное для каждого аккумулятора и пропорциональное величине его разбаланса по напряжению относительно выбранного аккумулятора с наименьшим текущим напряжением.

Этот способ принят за прототип заявляемого изобретения.

Недостатком известного способа заряда литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что при балансировке аккумуляторов используются расчетные данные по разбалансу аккумуляторов по емкости и необходимому времени для его компенсации, что его излишне усложняет и снижает тем самым его надежность.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности и упрощение способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.

Поставленная задача решается тем, что при проведении контроля напряжения аккумуляторов, отключении заряда по достижении напряжения любого из аккумуляторов заданного максимального значения и балансировки, во время проведения заряда аккумуляторной батареи, аккумуляторов по напряжению подразрядом на балансировочные резисторы, для чего, параллельно аккумуляторам через замыкающиеся контакты подключают балансировочные резисторы и при включении заряда выбирают аккумулятор с наименьшим текущим напряжением, а на остальных аккумуляторах замыкают контакты в цепях балансировочных резисторов, во время проведения заряда сравнивают величину текущего напряжения каждого аккумулятора U_Ti с текущим напряжением аккумулятора с изначально незамкнутым контактом в цепи балансировочного резистора U_T0 и при U_Ti≤U_T0,, контакт в цепи балансировочного резистора соответствующего аккумулятора размыкают. При этом контроль напряжения аккумуляторов проводят с периодом:

, где

τ - период опроса напряжения аккумуляторов, с;

ΔC_сущ - существенное значение разницы в напряжениях аккумуляторов, А⋅час;

I_зар - ток заряда аккумуляторной батареи, А;

3600 - пересчет А⋅час в А⋅с.

Действительно, если аккумуляторы имеют разную степень заряженности, то при заряде аккумуляторной батареи они должны получать энергию обратно пропорциональную своей степени заряженности по отношению к наименее заряженному аккумулятору. При наличии в составе аккумуляторной батареи балансировочных резисторов задача регламентирования поступающей на заряде аккумуляторной батареи энергии в конкретный аккумулятор решается с помощью них. По сути, это отбор энергии (в процессе заряда), равной имеющемуся избытку ее над наименее заряженным аккумулятором.

Для реализации этой задачи необходимо в процессе заряда аккумуляторной батареи проводить сравнение напряжения балансируемых аккумуляторов с текущим напряжением наименее заряженного аккумулятора и прекращать отбор энергии (отключать балансировочный резистор) от конкретного аккумулятора после уравнивания текущей величины его напряжения с текущей величиной напряжения предварительно выбранного аккумулятора, с наименьшим текущим напряжением (наименее заряженного аккумулятора). Отбор энергии от аккумуляторов после уравнивания их напряжений с напряжением наименее заряженного аккумулятора позволяет создать определенный запас на последующий естественный разбаланс аккумуляторов из-за неидентичности токов саморазряда. При этом следует учесть величину погрешности измерения и длительность времени включения заряда. Если длительность времени включения заряда недостаточна для устранения существующего разбаланса, то его полное устранение будет осуществлено на последующих зарядах аккумуляторной батареи.

Рассмотрим конкретный пример для литий-ионной аккумуляторной батареи номинальной емкостью 50 А⋅ч. Известно, что литий-ионные аккумуляторы эксплуатируются, в основном, в диапазоне напряжений от 2,7 B до 4,1 B. Коэффициент пересчета разницы напряжений аккумуляторов в емкость разбаланса для данного аккумулятора составит примерно 36 А⋅ч/В. Примем величину допустимого разбаланса аккумуляторов по напряжению равным 0,005B, что составит 0,18 А⋅час, ток заряда - 10 А, тогда.

На чертеже, фиг. 1, приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, поясняющая работу по предлагаемому способу.

Устройство содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 - к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3.

При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторов 7 (в частности, напряжения аккумуляторов) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.

Аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 4-1, параллельно которым подключены балансировочные резисторы 4-2 через замыкающиеся контакты 4-3 реле в блоке реле 4-4.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 15, транзисторах 16, и выпрямителя на диодах 17.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра - конденсатор 18 и выходного фильтра на диоде 19, дросселе 20 и конденсаторе 21.

Схемы управления: 10 - зарядного преобразователя 5, 12 - разрядного преобразователя 6 и 14 - преобразователя напряжения 3 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с измерительным шунтом 8 и нагрузкой 2, в качестве обратных связей по величине зарядного тока и напряжения нагрузки соответственно.

Устройство работает следующим образом.

В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности для прохождения теневых участков орбиты или на случай потери ориентации солнечной батареи ИСЗ на Солнце.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.

При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.

Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует напряжение аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ), в которой реализуются следующие технологические операции:

1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов 4-1, оценивается текущая емкость аккумуляторов и разница в текущей емкости (напряжениях) аккумуляторов относительно аккумулятора, имеющего наименьшее напряжение.

2. При включении заряда аккумуляторной батареи к аккумуляторам 4-1 с напряжением, превышающим наименьшее напряжение, подключаются балансировочные резисторы 4-2 (посредством замыкания соответствующих контактов 4-3 реле блока реле 4-4). После достижения напряжения балансируемым аккумулятором величины текущего значения напряжения аккумулятора, имеющего наименьшее значение напряжения, формируется команда на отключение соответствующего балансировочного резистора 4-2 посредством размыкания соответствующего контакта 4-3 реле блока реле 4-4. Управление блоком реле 4-4 реализуется, по программе в бортовой ЭВМ, через устройство контроля аккумуляторов 7.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить надежность и упростить способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи.