Однопроводная передача энергии

Чтобы уберечь аккумуляторы 1 батареи 2 от возможных скачков  напряжения, программа управления зарядкой, структурная схема которой представлена в качестве примера на фиг.4, может  содержать выполнение определенного  числа тестов перед началом зарядки, в ходе зарядки и после завершения зарядки.

Так, сначала перед запуском выполнения операций способ зарядки  может включать измерение напряжения холостого хода Vo зарядного устройства 8, подключенного к батарее 2 для  ее зарядки, и остановку указанного процесса зарядки с возможным  включением тревожного сигнала и/или  индикацией визуального сигнала, если указанное напряжение холостого  хода Vo превышает [n x максимально допустимое напряжение Vmax для каждого аккумулятора 1].

Точно так же указанный  способ перед выполнением следующего замкнутого цикла или следующего цикла может включать проверку, для  того чтобы, если, по меньшей мере, один из аккумуляторов 1 батареи 2 имеет на своих контактах напряжение, превышающее  максимально допустимое напряжение Vmax (например, и не ограничительно, 4,23 В), прерывать процесс зарядки  с возможным включением тревожного сигнала и/или индикацией визуального  сигнала.

Объектом настоящего изобретения  является также устройство для осуществления  описанного выше способа, основные компоненты которого схематично показаны на фиг.2 и 3.

Это устройство в основном содержит с одной стороны комплекс 7 модулей 7' измерения напряжения, каждый из которых связан с одним из последовательно  соединенных аккумуляторов 1, образующих батарею 2, и замеряет напряжение на контактах этих аккумуляторов, с  другой стороны - множество токоотводящих  цепей 4, каждая из которых соединена  параллельно с контактами соответствующего аккумулятора 1 и каждая из которых  может быть разомкнута или замкнута селективно, и, наконец, цифровой блок 3 обработки и управления процессом, при этом на указанный блок 3 поступают  сигналы измерения от указанного комплекса 7 модулей 7' измерения напряжения, и он управляет состоянием (замкнутое/разомкнутое) каждой токоотводящей цепи 4.

Модули 7' могут представлять собой, например, дифференцирующие схемы  измерения напряжения с рабочим  усилителем, характеризующиеся точностью  измерения, по меньшей мере, 50 мВ.

Предпочтительно каждая токоотводящая  цепь 4 содержит коммутационный механизм 5, который является выключателем и  положение которого управляется  цифровым блоком 3 обработки, и, в случае необходимости, по меньшей мере, один компонент 6 рассеяния электрической  энергии, такой, например, как резистор или резисторы.

Как показано на фиг.3 и согласно предпочтительному варианту осуществления  настоящего изобретения, комплекс 7 модулей 7' измерения напряжения содержит с  одной стороны n аналоговых модулей 7' измерения напряжения, каждый из которых  непосредственно связан с аккумулятором 1 батареи 2, с другой стороны - схему 9 умножения, входы которой соединены  с выходами указанных модулей 7', и, наконец, схему 10 аналогово-цифрового  преобразования, соединенную на входе  с выходом схемы 9 умножения и  на выходе с цифровым блоком 3 обработки  и управления.

В предпочтительном, но не ограничительном  варианте применения устройство, показанное на фиг.2 и 3, предпочтительно может  входить в комплект автономного  электросилового инструмента.

В этой связи следует отметить, что токоотводящие цепи 4, индивидуально  связанные с аккумуляторами 1 батареи 2, могут также использоваться для  возможной корректировки зарядки  указанных аккумуляторов 1 до уровня, совместимого с длительным хранением  указанной батареи 2 без эксплуатации.

Само собой разумеется, что настоящее изобретение не ограничивается описанными и показанными  на прилагаемых чертежах вариантами осуществления. В него можно вносить  изменения, в частности, с точки  зрения компоновки различными элементами или их замены техническими эквивалентами, не выходя при этом за рамки области  правовой охраны изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ 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, отличающийся тем, что для каждой операции зарядки непрерывно или циклично, начиная с момента (t₁), последующего за началом рассматриваемой операции зарядки и до нормального завершения или преждевременной остановки этой операции, контролируют уровень зарядки различных аккумуляторов (1) и осуществляют в зависимости от предварительной оценки указанных уровней зарядки либо равномерную подачу тока на все аккумуляторы (1), либо балансировку указанных уровней зарядки указанных аккумуляторов (1) путем дифференцированной подачи на них тока в зависимости от их текущих уровней зарядки.

2. Способ по п.1, отличающийся  тем, что включает поочередное  последовательное выполнение для  каждого аккумулятора (1) батареи  в течение дробного времени,  входящего в общее время зарядки  батареи (2), последовательно повторяющихся  этапов оценки уровней зарядки  данного аккумулятора (1), после которой  в зависимости от уровня его  зарядки и от уровней зарядки  всех остальных аккумуляторов  (1) батареи осуществляют подачу  одинакового или дифференцированного  питания, причем цикл повторяют,  начиная с момента (t₁ ) в течение всего последующего хода операции зарядки.

3. Способ по п.1, отличающийся  тем, что содержит, по меньшей  мере, выполнение следующих операций  под управлением цифрового блока  (3) обработки, причем начиная с  момента (ti): 
 
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 параметра, измеряемого на каждом аккумуляторе (1); 
 
определение аккумулятора (1), наиболее отстающего по зарядке, и в случае необходимости наиболее опережающего(их) по зарядке аккумулятора(ов) (1); 
 
питание разных последовательно соединенных аккумуляторов (1) равномерно или с ограничением зарядного тока для аккумуляторов (1), отличных от наиболее отстающего по зарядке аккумулятора, 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.

4. Способ по п.3, отличающийся  тем, что параметром, измеряемым  на уровне каждого аккумулятора (1) и используемым для оценки  количества накопленной в нем  энергии, является напряжение  на контактах рассматриваемого  аккумулятора (1).

5. Способ по п.4, отличающийся  тем, что отвод тока на уровне  наиболее опережающего(их) по зарядке  аккумулятора(ов) (1) осуществляют при  помощи токоотводящих цепей (4), каждая из которых путем параллельного  монтажа соединена с одним  из указанных аккумуляторов (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.

6. Способ по п.5, отличающийся  тем, что для зарядки с последовательной  балансировкой осуществляют, в частности,  следующие операции, начиная с  момента (t₁) и возобновляемые в течение всего последующего процесса зарядки батареи (2): 
 
а) за всеми аккумуляторами (1) батареи (2) поочередно 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 промежутка времени, например в течение 2 с; 
 
д) по истечении указанного заранее определенного промежутка времени балансировочные резисторы (6) отключают от всех аккумуляторов (1); 
 
е) по истечении периода стабилизации напряжения аккумуляторов (1) повторяют этапы а) - д).

7. Способ по п.1, отличающийся  тем, что зарядку батареи (2) обычно останавливают, когда сила  общего зарядного тока всех  аккумуляторов (1) этой батареи  опускается ниже заранее определенного  порогового значения, например 50 мА.

8. Способ по любому  из пп.5 и 6, отличающийся тем,  что напряжение на контактах  каждого аккумулятора (1) точно измеряют  при помощи соответствующего  комплекса (7) модулей (7') измерения  напряжения, выходные сигналы которых  передаются предпочтительно после  оцифровки на цифровой блок (3) обработки, который во время  следующего цикла управляет механизмами  (5) коммутации различных токоотводящих  цепей (4) в зависимости от сравнительного  изменения указанных сигналов, направляемых  модулями (7').

9. Способ по любому  из пп.3-6, отличающийся тем, что  операции повторяют, начиная с  момента (t₁) и в течение всей последующей операции зарядки, в виде замкнутого цикла, состоящего из двух рабочих полуциклов, выполняемых последовательно при каждом завершении замкнутого 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, по существу, одинаковую продолжительность, например приблизительно 2 с.

10. Способ по п.9, отличающийся  тем, что пороговое значение (dVs) разности напряжения представляет  собой первое заранее определенное  фиксированное значение (VI), 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 (VI), например 100 мВ.

11. Способ по п.10, отличающийся  тем, что, 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 (dVs) разности  напряжения представляет собой  третье заранее определенное  фиксированное значение (V3), меньшее  указанного второго значения (V2), например 30 мВ.

12. Способ по одному  из пп.10 или 11, отличающийся тем,  что третье заранее определенное  фиксированное значение (V3) превышает  указанное первое заранее определенное  фиксированное значение (V1).

13. Способ по п.9, отличающийся  тем, что пороговое значение (dVs) разности напряжения соответствует  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.

14. Способ по п.9, отличающийся  тем, что измерения напряжений  на уровне различных аккумуляторов  (1) осуществляют только по истечении  заданного промежутка времени,  например 2 с, после прекращения  отвода токов таким образом,  чтобы дождаться стабилизации  напряжений на контактах указанных  аккумуляторов (1).

15. Способ по п.5, отличающийся  тем, что 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); 
 
Тс-время зарядки батареи, выраженной в часах.

16. Способ по п.3, отличающийся  тем, что сначала перед запуском  выполнения операций содержит  измерение напряжения холостого  хода (Vo) зарядного устройства (8), подключенного  к батарее (2) для ее последующей  зарядки, и остановку указанного  процесса зарядки с возможным  включением тревожного сигнала и/или индикацией визуального сигнала, если указанное напряжение холостого хода (Vo) превышает [n × максимально допустимое напряжение (Vmax) для каждого аккумулятора (1)].

17. Способ по п.16, отличающийся  тем, что перед выполнением  следующего замкнутого цикла  содержит проверку для того, чтобы,  если, по меньшей мере, один из  аккумуляторов (1) батареи (2) имеет  на своих контактах напряжение, превышающее максимально допустимое  напряжение (Vmax), прервать процесс  зарядки с возможным включением  соответствующего тревожного сигнала  и/или индикацией визуального  сигнала.

18. Устройство для осуществления  способа по любому из пп.1-17, отличающееся тем, что содержит, с одной стороны, комплекс (7) модулей  (7') измерения напряжения, каждый  из которых связан с  одним из последовательно соединенных аккумуляторов (1), образующих батарею (2), и замеряет напряжение на контактах этих аккумуляторов, с другой стороны, множество токоотводящих цепей (4), каждая из которых соединена параллельно с контактами соответствующего аккумулятора (1) и каждая из которых может быть разомкнута или замкнута селективно, и, наконец, цифровой блок (3) обработки и управления процессом, при этом на указанный блок (3) поступают сигналы измерения от указанного комплекса (7) модулей (7') измерения напряжения, и он управляет состоянием (замкнутое/разомкнутое) каждой токоотводящей цепи (4).