Однопроводная передача энергии

- оценка, предпочтительно  через равномерные интервалы,  количества энергии, накопленной  в каждом аккумуляторе, путем  измерения параметра, отражающего  указанное количество;

- сравнительный анализ  определенных оценкой разных  количеств энергии или разных  значений измеряемого параметра;

- определение аккумулятора, наиболее отстающего по зарядке,  и, в случае необходимости,  наиболее опережающего(их) по зарядке  аккумулятора(ов);

- подача питания на  разные последовательно соединенные  аккумуляторы, равномерно или с  ограничением зарядного тока  для аккумуляторов, отличных от  наиболее отстающего по зарядке  аккумулятора, или для наиболее  опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) путем отвода всего или части  указанного тока на уровне  этого(их) последнего(их) аккумулятора(ов);

- последовательное повторение  вышеуказанных операций до достижения  состояния завершения зарядки  батареи или до обнаружения  дефекта, нарушения в работе  или превышения допустимого порогового  значения.

Произведенные заявителем испытания  и работы показали, что такой способ последовательной балансировки позволяет  достичь одинакового процентного  уровня зарядки всех элементов или  аккумуляторов батареи в данный момент зарядки и, более того, 100%-ной  зарядки всех элементов батареи  после нормального завершения зарядки, причем независимо от их собственной  емкости.

Точно так же в случае остановки операции зарядки до ее нормального завершения гарантируется, по существу, идентичный уровень зарядки  для всех аккумуляторов.

Настоящее изобретение будет  более очевидно из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления, приведенного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые  схематические чертежи, на которых  представлено:

фиг.2 - блок-схема устройства, предназначенного для осуществления  способа в соответствии с настоящим  изобретением;

фиг.3 - более подробная  схема устройства, показанного на фиг.2, согласно варианту осуществления  настоящего изобретения;

фиг.4 - структурная схема  различных этапов способа согласно варианту осуществления изобретения (на этой схеме под термином «элемент»  следует понимать отдельный элемент  или аккумулятор с параллельно  соединенными элементами);

фиг.5 - временные диаграммы, приведенные в качестве неограничительного примера и показывающие для батареи  из двенадцати аккумуляторов операции, осуществляемые в течение цикла  зарядки с балансировкой при  помощи способа в соответствии с  настоящим изобретением.

Объектом настоящего изобретения  является способ зарядки или сбалансированной зарядки n аккумуляторов 1, где n 2, входящих в состав литий-ионной или литий-полимерной батареи 2 и соединенных последовательно, при этом каждый аккумулятор 1 состоит из одного или нескольких элементов, установленных параллельно.

Согласно предпочтительному  варианту осуществления настоящего изобретения для каждой операции зарядки указанный способ содержит, по меньшей мере, выполнение следующих  операций под управлением цифрового  блока обработки, причем начиная  с момента t₁, последующего за началом зарядки:

- оценка, предпочтительно  через равномерные интервалы,  количества энергии, накопленной  в каждом аккумуляторе 1, путем  измерения параметра, характеризующего  это количество;

- сравнительный анализ  определенных оценкой разных  количеств энергии или разных  значений измеряемого параметра;

- определение аккумулятора 1, наиболее отстающего по зарядке,  и, в случае необходимости,  наиболее опережающего(их) по зарядке  аккумулятора(ов) 1;

- подача питания на  разные последовательно соединенные  аккумуляторы 1, равномерно или с  ограничением зарядного тока  для аккумуляторов 1, отличных  от наиболее отстающего по  зарядке аккумулятора 1, и для  наиболее опережающего(их) по зарядке  аккумулятора(ов) 1 путем отвода всего  или части указанного тока  на уровне этого(их) последнего(их) аккумулятора(ов);

- последовательное повторение  вышеуказанных операций до достижения  состояния конца зарядки батареи  2 или до обнаружения дефекта,  нарушения в работе или превышения  допустимого порогового значения.

Предпочтительно параметром, измеряемым на уровне каждого аккумулятора 1 и используемым для оценки количества накопленной в нем энергии, является напряжение на контактах рассматриваемого аккумулятора 1.

Как уже было указано выше, ограничения зарядного тока могут  касаться всех аккумуляторов, опережающих  по зарядке наименее заряженный аккумулятор, причем, в случае необходимости, с  разной степенью ограничения питания.

Вместе с тем, чтобы  еще больше расширить активные фазы балансировки согласно изобретению, предпочтительно  только аккумулятор, или аккумуляторы, уровень зарядки которого(ых) наиболее опережает уровень зарядки наименее заряженного аккумулятора (в течение  заданного дробного времени n), подвергается(ются) ограничению зарядки (в течение  следующего дробного времени n+1). Таким  образом, для аккумуляторов, уровень  зарядки которых только слегка превышает  уровень зарядки наименее заряженного  аккумулятора, зарядка будет продолжаться в нормальном режиме.

Различение между аккумуляторами, подвергнутыми и не подвергнутыми  временному ограничению зарядки (в  течение дробного времени относительно общего времени зарядки), может, например, вытекать из состояния (с точки зрения значений) уровней зарядки этих аккумуляторов  по отношению к заданному пороговому значению [значение зарядки наименее заряженного аккумулятора + дельта ( )].

Кроме того, принимая стратегию  ограничения зарядного тока наиболее заряженных аккумуляторов в течение  всего процесса зарядки батареи, начиная с момента t₁, не дожидаясь конца указанной зарядки, изобретение позволяет избежать любой возможности перегрева батареи 2 из-за поздней балансировки и обеспечить сбалансированное напряжение на уровне аккумуляторов 1 в конце зарядки.

Кроме того, начиная балансировку с момента t₁ и продолжая ее в течение всей последующей фазы операции зарядки, можно гарантировать поддержание батареи, по существу, в сбалансированном состоянии спустя короткое время после момента t₁ и в течение всей последующей фазы зарядки, то есть даже в случае остановки зарядки до ее нормального завершения.

Согласно предпочтительному  отличительному признаку настоящего изобретения  отвод тока на уровне наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) 1 осуществляют при помощи параллельных цепей 4, каждая из которых путем параллельного  монтажа соединена с одним  из указанных аккумуляторов 1 (одна цепь 4 на каждый аккумулятор 1), при  этом каждая из указанных цепей 4 содержит коммутационный механизм 5 и, в случае необходимости, по меньшей мере, один, возможно регулируемый, компонент 6 рассеяния электрической энергии, такой, например, как электрический резистор (фиг.2 и 3).

Коммутационный механизм 5 можно выбирать, например, из группы, в которую входят электромеханические  или электронные реле, биполярные или полевые транзисторы, или  аналогичные устройства.

Кроме того, поскольку отвод  энергии, связанный с балансировкой  зарядки различных аккумуляторов 1, распределяют по большей части  и даже, в случае необходимости, по всей продолжительности зарядки, то можно оптимизировать как коммутационный компонент 5, так и соответствующий  рассеивающий компонент 6.

Согласно предпочтительному  варианту осуществления настоящего изобретения для зарядки с  последовательной балансировкой осуществляют, в частности, следующие операции, начиная с момента t₁ и возобновляя их в течение всего процесса зарядки батареи 2:

а) за каждым отдельным аккумулятором 1 батареи 2 ведут наблюдение, измеряя  напряжение на их контактах, не подключая  при этом токоотводящие или балансировочные  резисторы 6;

б) определяют аккумулятор 1, наиболее отстающий по зарядке;

в) определяют аккумуляторы 1, которые, по отношению к наименее заряженному или наиболее отстающему по зарядке аккумулятору 1, имеют  превышение зарядки сверх заранее  определенного порогового значения отклонения емкости, например, соответствующего разности напряжения (dVs) в 10 мВ;

г) каждый обнаруженный аккумулятор 1 с превышением зарядки сверх  порогового значения индивидуально  подключают к соответствующему балансировочному резистору 6 таким образом, чтобы  понизить зарядный ток для каждого  из рассматриваемых аккумуляторов 1, например, на 10% в течение заранее  определенного последовательного  промежутка времени, например, в течение  двух секунд;

д) по истечении указанного заранее определенного последовательного  промежутка времени балансировочные  резисторы 6 отключают;

е) по истечении периода  стабилизации напряжения аккумуляторов 1 повторяют этапы а) - д).

Обычно зарядку батареи  останавливают, когда сила общего зарядного  тока всех аккумуляторов этой батареи  опускается ниже заранее определенного  порогового значения, например 50 мА.

В примере практического  применения настоящего изобретения  значения мощности различных параллельных цепей 4 выбирают близкими к значениям, получаемым при помощи следующей  формулы:

где

Psd max = максимальная оптимизированная  рассеиваемая мощность, выраженная  в Вт;

Vmax акк. = максимальное напряжение, измеренное в ходе зарядки  на контактах аккумулятора, выраженное  в В;

% = соотношение, выраженное  в процентах, соответствующее  максимальному отклонению между  двумя аккумуляторами, зарядку которых  необходимо сбалансировать;

АН = номинальная емкость  батареи, выраженная в А·ч (ампер-час).

Кроме того, чтобы достичь  точного и постепенного регулирования  зарядки каждого аккумулятора 1, напряжение на контактах каждого  аккумулятора 1 точно измеряют при  помощи соответствующего комплекса 7 измерительных  модулей 7', выходные сигналы которых, предпочтительно после оцифровки, передаются на цифровой блок 3 обработки, при этом последний на следующем  цикле управляет коммутационными  механизмами 5 различных параллельных цепей 4 в зависимости от сравнительного изменения указанных выходных сигналов, направляемых модулями 7'.

Согласно наиболее предпочтительному  варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг.4 и 5, операции повторяют, начиная с  момента t₁ и в течение всей операции зарядки, последующей за этим моментом, в виде замкнутого цикла, состоящего из двух рабочих полуциклов, выполняемых последовательно при каждом завершении цикла, при этом первый полуцикл содержит последовательное выполнение следующих операций: последовательное считывание значений напряжения различных аккумуляторов 1 и подключение со смещением во времени балансировочного резистора 6 для каждого аккумулятора 1, разность напряжения (dV) которого с наиболее отстающим по зарядке аккумулятором 1 превышает пороговое значение (dVs), а второй полуцикл содержит следующие операции: последовательное отключение балансировочных резисторов 6 различных аккумуляторов 1 и выжидание стабилизации напряжений различных аккумуляторов 1 перед следующим считыванием во время первого полуцикла следующего цикла, при этом оба полуцикла предпочтительно имеют примерно одинаковую продолжительность, например, приблизительно 2 с.

Благодаря циклическому возобновлению  операций двух полуциклов (при продолжительности  цикла, например, 4 с) в течение всего  процесса зарядки батареи 2, начиная  с момента t₁ , то есть до наступления завершения зарядки или появления предупреждающей информации на индикаторе, все аккумуляторы 1 (и элемент или элементы каждого из этих аккумуляторов) в любой момент характеризуются незначительным разбросом емкости (за счет постоянных соединений нагрузки между аккумуляторами) и самым оптимальным образом максимально восстанавливают свои характеристики.

Кроме того, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет  допускать в начале зарядки большие  перепады уровней зарядки между  аккумуляторами 1, при этом «нивелирование»  или балансировка распределяется по времени, истекшем с момента t₁ до конца процесса зарядки батареи 2.

Согласно первому варианту можно предусмотреть, чтобы пороговое  значение разности напряжения dVs представляло собой первое заранее определенное фиксированное значение V1, например 10 мВ, если разность напряжения dV между  напряжением аккумулятора 1, имеющего самое высокое напряжение, и напряжением  аккумулятора 1, имеющего самое низкое напряжение, меньше второго заранее  определенного фиксированного значения V2, превышающего первое заранее определенное пороговое значение V1, например 100 мВ.

Кроме того, можно также  предусмотреть, чтобы, если разность напряжения dV между напряжением аккумулятора 1, имеющего самое высокое напряжение, и напряжением аккумулятора 1, имеющего самое низкое напряжение, превышает  второе заранее определенное фиксированное  значение V2, например 100 мВ, пороговое  значение разности напряжения dVs представляло собой третье заранее определенное фиксированное значение V3, меньшее  указанного второго значения V2, например 30 мВ.

Предпочтительно третье заранее  определенное фиксированное значение V3 превышает указанное первое заранее  определенное фиксированное значение V1.

Согласно второму варианту альтернативно можно предусмотреть, чтобы пороговое значение разности напряжения dVs соответствовало заданной доле разности напряжения dV, измеренной во время предыдущего цикла, между  напряжением аккумулятора 1 с самым  высоким напряжением и напряжением  аккумулятора 1 с самым низким напряжением, если во время текущего цикла указанная  разность напряжения dV превышает четвертое  заранее определенное фиксированное  значение V4, например 10 мВ.

Предпочтительно в каждом из двух указанных вариантов и, как  уже было указано ранее, измерения  напряжений на уровне различных аккумуляторов 1 каждый паз осуществляют только по истечении заданного промежутка времени, например 2 с, после отмены отвода токов таким образом, чтобы  обеспечить стабилизацию напряжений на контактах указанных аккумуляторов 1.