Однопроводная передача энергии

РЕФЕРАТ

Изобретение относится к  зарядке или подзарядке аккумуляторных батарей. Техническим результатом  изобретения является оптимизация  процесса зарядки аккумуляторной батареи. Согласно изобретению способ сбалансированной зарядки п последовательно соединенных  аккумуляторов литий-ионной или  литий-полимерной батареи отличается тем, что, начиная с момента (t₁), последующего за началом операции зарядки батареи (2) и до нормального завершения или остановки этой операции, включает в себя постоянный контроль за уровнями зарядки различных аккумуляторов (1) и осуществление, в зависимости от предварительной оценки указанных уровней зарядки, либо равномерной подачи тока на все аккумуляторы (1), либо балансировки указанных уровней зарядки указанных аккумуляторов (1) путем дифференцированной подачи на них тока в зависимости от их текущих уровней зарядки. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

РИСУНКИ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ  К ПАТЕНТУ

Настоящее изобретение относится  к зарядке или подзарядке аккумуляторных батарей, и его объектом является способ сбалансированной по времени  зарядки аккумуляторов литий-ионной или литий-полимерной батареи.

Оптимизация электрической  зарядки батарей, содержащих несколько  аккумуляторов, представляет собой  сложную проблему, в частности, когда  число последовательно соединенных  элементов или аккумуляторов  является достаточно большим.

В случае литий-ионных или  литий-полимерных батарей к этим проблемам оптимизации зарядки  различных элементов или аккумуляторов  добавляется опасность необратимого разрушения указанных элементов  или аккумуляторов в случае перегрузки, в частности, при перегреве или  при чрезмерном напряжении.

С одной стороны, известно, что в батареях, содержащих последовательно  соединенные литий-ионные или литий-полимерные элементы, параметры емкости каждого  элемента или аккумулятора после  зарядки не являются идентичными, и  эти различия возрастают от цикла  к циклу зарядки и разрядки вплоть до конца срока службы данной батареи.

С другой стороны, известно, что литий-ионные или литий-полимерные батареи не допускают как перегрузки в процессе зарядки, так и неполной зарядки в связи с использованием (разрядка). Установленное значение максимального напряжения, приведенное  в качестве неограничительного примера, при перегрузке для каждого из соединенных последовательно литий-ионных или литий-полимерных элементов  составляет 4,20 вольт, а установленное  напряжение для остановки разрядки и предупреждения, таким образом, ухудшения рабочих характеристик  батареи равно 2,70 вольт.

Известно также, что для  каждого из литий-ионных или литий-полимерных элементов напряжение на контактах  элемента или аккумулятора отражает емкость, накопленную в данном элементе или аккумуляторе. Это указание напряжения не дает представления о точном значении емкости в ампер-часах или ватт-часах, а только отражает процент емкости  рассматриваемого элемента в момент измерения этого напряжения.

На фиг.1 прилагаемых чертежей показана кривая, отражающая изменение  напряжения на контактах литий-ионного  элемента в зависимости от его  емкости (речь идет о кривой разрядки для постоянного тока, при этом время пропорционально проценту емкости, накопленной в рассматриваемом литий-ионном элементе, при этом 0 секунд 95% (4,129 вольт), 6150 секунд 50% (3,760 вольт) и 12300 секунд 0% (3,600 вольт). Можно заметить, что на большей части этой кривой емкость является почти линейной, а затем резко снижается. Для контроля за операциями зарядки и разрядки литий-ионного элемента или аккумулятора используют эту почти линейную часть, что позволяет утверждать, что напряжение является отражением емкости.

С учетом положений трех предыдущих пунктов можно удостовериться, что в батарее, состоящей из более  чем трех-четырех последовательно  соединенных литий-ионных или литий-полимерных элементов, зарядка остановится, когда  напряжение наиболее заряженного элемента достигнет 4,20 вольт, и, наоборот, во время  разрядки ее останавливают, когда напряжение элемента с наименьшей емкостью достигнет 2,70 вольт: таким образом, элемент  с наименьшей емкостью определяет общую  емкость батареи. Это позволяет  понять, что, когда батарея содержит много последовательно соединенных  элементов, риск неполного использования  емкости батареи становится реальным, так как элемент с наименьшей емкостью ограничительно определяет общую  емкость батареи. Кроме того, этот феномен проявляется еще больше по мере увеличения числа циклов зарядки/разрядки.

Такое явление разбалансировки  зарядки в основном вызвано различиями емкости и внутреннего сопротивления  между элементами батареи, причем эти  различия зависят также от качества изготовления литий-ионных или литий-полимерных элементов.

Для оптимизации емкости  батареи во времени, что имеет  большое значение для рентабельности эксплуатации, необходимо решить указанную  выше проблему путем коррекции балансировки всех элементов или всех аккумуляторов  батареи. Эта балансировка должна обеспечивать 100%-ную зарядку всех элементов, независимо от их емкости.

В существующей практике такую  балансировку производят в конце  зарядки, отводя зарядный ток от элемента, заряженного на 100%, то есть когда  он достигает напряжения в 4,20 вольт. Таким образом, зарядку элементов  останавливают по мере того, как  они достигают 4,20 вольт и, таким  образом, получают 100%-ную зарядку  всех элементов в конце операции зарядки.

Однако этот известный  способ балансировки в конце зарядки  имеет существенные недостатки.

Так, эти системы балансировки требуют наличия мощных сопротивлений  для обеспечения отвода соответствующих  токов, тем более что система  балансировки вступает в действие, когда зарядные токи остаются еще  достаточно большими, что происходит, когда элементы батареи очень  разбалансированы.

Кроме того, такое сильное  рассеяние мощности приводит к соответствующему повышению температуры, что создает  проблемы в случае компактных батарей, содержащих токоотводящие резисторы.

Кроме того, несмотря на подачу больших зарядных токов ближе  к концу операции зарядки, батарея  может оказаться не сбалансированной после выполнения условий зарядки.

Кроме того, следует также  отметить, что литий-ионные или литий-полимерные батареи могут оказаться потенциально опасными в конце зарядки, учитывая их состав и количество накопленной  энергии, поскольку аккумуляторы заряжаются практически до максимального уровня.

Действительно, применение зарядных токов большой силы на этой стадии и в данной ситуации с целью  балансировки аккумуляторов с задержкой  зарядки является причиной перегрева  соответствующих элементов, что  в некоторых чрезвычайных ситуациях  может привести к их взрыву.

Наконец, применение большого зарядного тока ускоряет старение аккумуляторов  батареи и, следовательно, снижает  их эффективность.

Кроме того, в батареях большой  мощности периоды зарядки батареи, в частности периоды полной зарядки, являются продолжительными и даже очень  продолжительными. Поэтому часто  случается, что реального времени  зарядки между двумя фазами разрядки не хватает для завершения операции зарядки, и зарядка прерывается, тогда как разбалансировка между  элементами или аккумуляторами еще  не устранена (в случае использования  системы балансировки в конце  зарядки из предшествующего уровня техники). Повторение этого явления  приводит также к быстрому ухудшению  рабочих характеристик рассматриваемой  батареи.

Настоящее изобретение призвано предложить решение оптимальной  зарядки, характеризующееся вышеуказанными преимуществами и позволяющее устранить  вышеупомянутые недостатки известных  технических решений.

В этой связи объектом настоящего изобретения является способ сбалансированной зарядки n аккумуляторов, где n 2, входящих в состав литий-ионной или литий-полимерной батареи и соединенных последовательно, при этом каждый аккумулятор состоит из одного или нескольких элементов, соединенных параллельно, отличающийся тем, что для каждой операции зарядки, начиная от момента t₁, последующего за началом рассматриваемой операции зарядки и до нормального завершения или преждевременной остановки этой операции, включает в себя постоянный или цикличный контроль за уровнями зарядки различных аккумуляторов и осуществление, в зависимости от предварительной оценки указанных уровней зарядки, либо равномерной подачи тока на все аккумуляторы, либо балансировки указанных уровней зарядки указанных аккумуляторов путем дифференцированной подачи на них тока в зависимости от их текущих уровней зарядки.

Момент t₁, с которого начинается контролируемая зарядка различных аккумуляторов батареи, может быть установлен либо во время изготовления, либо в результате единовременного регулирования после изготовления или, в случае необходимости, может быть установлен пользователем или специалистом (специалистом по обслуживанию).

Очевидно, что чем ближе  момент t₁ к моменту t₀ начала операции зарядки, тем быстрее будут сбалансированы и выровнены уровни зарядки различных аккумуляторов и, следовательно, устранена возможность существенной разбалансировки, в частности, в случае прерывания зарядки до нормального завершения (сбой при зарядке, неисправность, преднамеренная остановка зарядки пользователем и т.д.).

Таким образом, учитывая вышеизложенное, момент t₁ может быть зафиксирован сразу же после определенного числа тестов на средствах зарядки и на аккумуляторах, произведенных после начала операции зарядки.

Вместе с тем, если различные  аккумуляторы имеют очень близкие  характеристики и/или если не предвидится  никакого ограничения по времени  зарядки, можно также предусмотреть, чтобы момент t₁ был смещен во времени относительно момента t₀ на долю теоретического максимального времени зарядки аккумуляторов, ограничивая, таким образом, фазу контролируемого питания с возможной балансировкой различных аккумуляторов, а также число циклов различных последовательных операций измерения, оценки и дифференцированного питания.

Наконец, можно также предусмотреть, чтобы t₁ менялся в ходе срока службы батареи, будучи относительно удаленным от момента t₀ начала зарядки или перезарядки, если батарея является новой, и будучи более приближенным к этому моменту t₀ в конце срока службы указанной батареи (как правило, после нескольких сотен циклов зарядки/разрядки).

Действительно, для новой  батареи хорошего качества входящие в ее состав различные аккумуляторы обычно характеризуются, по существу, сходным состоянием свойств и  характеристик.

Следовательно, их зарядка  происходит почти сбалансированно, и в конце зарядки требуется  лишь легкая балансировка при помощи дифференцированного питания.

Однако стареющие батареи, даже те, аккумуляторы которых были почти одинаковыми в новом  состоянии, имеют разные характеристики и свойства аккумуляторов, что в  конце зарядки приводит к большим  разбросам их уровней зарядки  при отсутствии компенсирования  или балансировки во время зарядки. В этом случае сбалансированную зарядку  в соответствии с настоящим изобретением следует производить уже на ранней стадии зарядки и даже практически  сразу после начала операции зарядки  или перезарядки.

Таким образом, в случае необходимости, можно предусмотреть автоматическое изменение момента t₁ сбалансированной зарядки в соответствии с настоящим изобретением, например, путем декрементации временного интервала t₁-t₀ при каждой новой операции зарядки, при этом зарядку между моментами t₀ и t ₁ можно осуществлять без контроля и возможной корректировки питания разных аккумуляторов.

Можно также предусмотреть  в начале эксплуатации новой батареи  или перед ее отправкой после  изготовления тест, устанавливающий  или фиксирующий первоначальное значение t₁ или параметр, позволяющий определить это значение.

Таким образом, интервал t₁ -t₀ может колебаться, например, практически от нескольких секунд до нескольких десятков процентов от общего теоретического времени зарядки батареи.

Указанные выше этапы можно  выполнять двумя разными способами, основанными на двух разных технологических  возможностях.

Так, при применении решения, главным образом основанного  на аналоговой технологии, контроль за уровнями зарядки выполняют непрерывно и дифференцированную подачу питания  осуществляют после момента t₁, как только и до тех пор пока разность уровней зарядки между максимально заряженным(и) аккумулятором(ами) и минимально заряженным(и) аккумулятором(ами) превышает заранее определенное пороговое значение.

В варианте, при применении предпочтительного решения, в котором  используют цифровую обработку сигналов и управление процессом при помощи цифрового блока обработки, контроль за уровнями зарядки осуществляют путем  повторяющихся измерений и дифференцированной подачи питания в течение заранее  определенного времени, в случае проверки установленных условий  разбалансировки уровней зарядки.

Это второе решение позволяет  одновременно упростить материальное и программное обеспечение, необходимое  для осуществления способа.

В рамках этого второго  решения способ предпочтительно  состоит в поочередном выполнении для каждого аккумулятора батареи  в течение дробного времени, входящего  в общее время зарядки батареи, последовательно повторяющихся  этапов оценки уровня зарядки данного  аккумулятора, после которой, в зависимости  от уровня его зарядки и от уровней  зарядки всех остальных аккумуляторов  батареи, осуществляют подачу одинакового  или дифференцированного питания, причем цикл повторяют, начиная с  момента t₁ и в течение всей операции зарядки.

Согласно предпочтительному  варианту осуществления настоящего изобретения указанный способ содержит, по меньшей мере, выполнение следующих  операций под управлением цифрового  блока обработки, причем начиная  с момента t₁: