усовершенствованная система аккумуляторных батарей

Формула изобретения

1. Система аккумуляторных батарей, имеющая множество элементов, и зарядное устройство для зарядки системы аккумуляторных батарей, включающая

множество элементов, соединенных электрически с целью образования системы аккумуляторных батарей;

устройство измерения напряжения саморазряда для непрерывного измерения напряжения саморазряда и соответствующее устройство саморазряда, при этом оба устройства подсоединены параллельно, по меньшей мере, к одному из элементов последовательного соединения, комплекту элементов последовательного соединения и блоку элементов последовательного соединения;

устройство измерения напряжения перезаряда для непрерывного измерения напряжения перезаряда, по меньшей мере, одного элемента последовательного соединения, комплекта элементов последовательного соединения и блока элементов последовательного соединения;

зарядное устройство, подсоединенное последовательно к системе аккумуляторных батарей для зарядки всех элементов системы аккумуляторных батарей;

устройство измерения линейного напряжения для непрерывного измерения линейного напряжения зарядного устройства;

устройство предельного значения для ограничения тока зарядки системы аккумуляторных батарей;

устройство регулировки для управления системой аккумуляторных батарей, где

а) в процессе зарядки, если напряжение саморазряда, измеренное одним из устройств измерения напряжения саморазряда, больше или равно предварительно заданному значению напряжения саморазряда, то соответствующее устройство саморазряда функционирует до тех пор, пока измеренное напряжение саморазряда не станет меньше, чем предварительно заданное значение напряжения саморазряда, после чего соответствующее устройство саморазряда отключается;

б) в процессе зарядки, если какое-либо из измеренных напряжений перезаряда больше предварительно заданного значения напряжения перезаряда, то ток зарядки системы аккумуляторных батарей ограничивается, а если все измеренные напряжения перезаряда меньше или равны предварительно заданному значению напряжения первого возобновления, то ток зарядки системы аккумуляторных батарей не ограничивается;

в) в процессе зарядки, если измеренное линейное напряжение больше предварительно заданного значения полного напряжения, то ток зарядки системы аккумуляторных батарей ограничивается, а если измеренное линейное напряжение меньше или равно предварительно заданному значению напряжения второго возобновления, то ток зарядки системы аккумуляторных батарей не ограничивается; и

г) в процессе зарядки, если период времени по ограничению тока зарядки системы аккумуляторных батарей больше предварительно заданного системой периода времени, то ток зарядки системы аккумуляторных батарей не ограничивается.

2. Система аккумуляторных батарей по п.1, где

по п.(а), если устройство саморазряда функционирует до тех пор, пока измеренное напряжение саморазряда не станет меньше, чем предварительно заданное значение напряжения саморазряда, то устройство саморазряда продолжает функционировать в течение предварительно заданного периода времени.

3. Система аккумуляторных батарей по п.2, где

предварительно заданным периодом времени является период, в течение которого обеспечивается разряд до заданного процента емкости заряда каждого, по меньшей мере, одного из элементов последовательного соединения, комплекта элементов последовательного соединения и блока элементов последовательного соединения.

4. Система аккумуляторных батарей по п.3, где предварительно заданный процент емкости заряда составляет от 0,1 до 20 процентов.

5. Система аккумуляторных батарей по п.1 или 2, где

зарядным устройством является устройство с возобновляемым источником энергии.

6. Система аккумуляторных батарей по п.1 или 2, где

зарядное устройство является, по меньшей мере, одним из зарядного устройства с фотогальваническими элементами, ветрового зарядного устройства и зарядного устройства с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

7. Система аккумуляторных батарей по п.1 или 2, где

по пп.(б) и (в) при ограничении зарядного тока, подаваемого в систему аккумуляторных батарей, зарядный ток ограничивают до нуля.

8. Система аккумуляторных батарей по п.7, где

ограничитель является, по меньшей мере, одним из прерывателя последовательного соединения зарядного устройства и системы аккумуляторных батарей, прерывателя цепи на выходе постоянного тока зарядного устройства и прерывателя цепи на входе переменного тока зарядного устройства.

9. Система аккумуляторных батарей по п.1 или 2, где

по пп.(б) и (в) при ограничении зарядного тока, подаваемого в систему аккумуляторных батарей, зарядный ток ограничивают до величины, равной или меньшей значению тока, разряжающего, по меньшей мере, один элемент последовательного соединения, комплект элементов последовательного соединения и блок элементов последовательного соединения.

10. Система аккумуляторных батарей по п.1 или 2, где

устройство регулировки, предназначенное для регулирования системы аккумуляторных батарей, является, по меньшей мере, одним из интегральной микросхемы и печатной платы.

11. Система аккумуляторных батарей по п.1 или 2, где

по п.(г) предварительно заданный системой период времени ограничения зарядного тока, подаваемого в систему аккумуляторных батарей, составляет от 0,5 до 1,5 часов.

12. Транспортное средство, содержащее

электродвигатель и

систему аккумуляторных батарей по п.1 или 2 для подачи электрической энергии на электродвигатель.

13. Способ зарядки системы аккумуляторных батарей, имеющей множество элементов и зарядное устройство для зарядки системы аккумуляторных батарей, заключающийся в

обеспечении множества элементов, соединенных электрически с целью образования системы аккумуляторных батарей;

обеспечении устройства измерения напряжения саморазряда для непрерывного измерения напряжения саморазряда и соответствующего устройства саморазряда, оба устройства подсоединены параллельно, по меньшей мере, к одному из элементов последовательного соединения, комплекту элементов последовательного соединения и блоку элементов последовательного соединения;

обеспечении устройства измерения напряжения перезаряда для непрерывного измерения напряжения перезаряда, по меньшей мере, одного элемента последовательного соединения, комплекта элементов последовательного соединения и блока элементов последовательного соединения;

обеспечении зарядного устройства, подсоединенного последовательно к системе аккумуляторных батарей для зарядки всех элементов системы аккумуляторных батарей;

обеспечении устройства измерения линейного напряжения для непрерывного измерения линейного напряжения зарядного устройства;

обеспечении устройства предельного значения для ограничения тока зарядки системы аккумуляторных батарей;

обеспечении устройства регулировки для регулирования системы аккумуляторных батарей;

начале зарядки и:

(а) в процессе зарядки, если напряжение саморазряда, измеренное одним из устройств измерения напряжения саморазряда, больше или равно предварительно заданному значению напряжения саморазряда, то необходимо активировать соответствующее устройство саморазряда, которое должно функционировать до тех пор, пока измеренное напряжение саморазряда не станет меньше, чем предварительно заданное значение напряжения саморазряда, после чего соответствующее устройство саморазряда отключается;

(б) в процессе зарядки, если какое-либо из измеренных напряжений перезаряда больше предварительно заданного значения напряжения перезаряда, то необходимо ограничить ток зарядки системы аккумуляторных батарей, а если все измеренные напряжения перезаряда меньше или равны предварительно заданному значению первого напряжения возобновления, то следует прекратить ограничение тока зарядки системы аккумуляторных батарей;

(в) в процессе зарядки, если измеренное линейное напряжение больше предварительно заданного значения полного напряжения, то необходимо ограничить ток зарядки системы аккумуляторных батарей, а если измеренное линейное напряжение меньше или равно предварительно заданному значению напряжения второго возобновления, то следует остановить ограничение тока зарядки системы аккумуляторных батарей; и

(г) в процессе зарядки, если период времени по ограничению тока зарядки системы аккумуляторных батарей больше предварительно заданного системой периода времени, то следует остановить ограничение тока зарядки системы аккумуляторных батарей.

14. Способ зарядки системы аккумуляторных батарей по п.13, где по п.(а), если устройство саморазряда функционирует до тех пор, пока измеренное напряжение саморазряда не станет меньше, чем предварительно заданное значение напряжения саморазряда, то устройство саморазряда продолжает функционировать в течение предварительно заданного периода времени.

15. Способ зарядки системы аккумуляторных батарей по п.14, где

предварительно заданным периодом времени является период, в течение которого обеспечивается разряд до заданного процента емкости заряда каждого, по меньшей мере, одного из элементов последовательного соединения, комплекта элементов последовательного соединения и блока элементов последовательного соединения.

16. Способ зарядки системы аккумуляторных батарей по п.15, где предварительно заданный процент емкости заряда составляет от 0,1 до 20 процентов.

17. Способ зарядки системы аккумуляторных батарей по п.13, где

по пп.(б) и (в) при ограничении зарядного тока, подаваемого в систему аккумуляторных батарей, зарядный ток ограничивают до нуля.

18. Способ зарядки системы аккумуляторных батарей по п.13, где

по пп.(б) и (в) при ограничении зарядного тока, подаваемого в систему аккумуляторных батарей, зарядный ток ограничивают до величины, равной или меньшей значению тока, разряжающего, по меньшей мере, один элемент последовательного соединения, комплект элементов последовательного соединения и блок элементов последовательного соединения.

19. Способ зарядки системы аккумуляторных батарей по п.13, где по п.(г) предварительно заданный системой период времени ограничения зарядного тока, подаваемого в систему аккумуляторных батарей, составляет от 0,5 до 1,5 часов.

Описание изобретения к патенту

Настоящая заявка является частичным продолжением патентной заявки США № 12/231920, поданной 8 сентября 2008 года, которая, в свою очередь, является частичным продолжением патентной заявки США № 11/805786, поданной 24 мая 2007 года, с испрашиванием приоритета на основании предварительных патентных заявок США № 60/923747, поданной 17 апреля 2007 года, и № 60/930646, поданной 18 мая 2007 года.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к аккумуляторным батареям, в частности к подзарядке аккумуляторных батарей.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к аккумуляторным батареям, в частности к подзарядке аккумуляторных батарей.

1. Для батарей, используемых, например, в стартерах транспортных средств, электрических велосипедах, электрических мотоциклах, электрических или гибридных транспортных средствах и т.д., высокое напряжение является существенным условием увеличения коэффициента полезного действия и уменьшения цены. Для увеличения напряжения батарей их следует соединять последовательно.

2. При последовательном соединении возникают следующие проблемы:

а) если одна батарея имеет меньшую электрическую емкость, то электрическую емкость всего комплекта батарей определяют согласно электрической емкостью батареи с меньшей электрической емкости;

б) если батарея, обладающая меньшей электрической емкостью, не может быть заряжена до полного заряда во время зарядки, то рабочие характеристики всего комплекта батарей будут ухудшаться из-за батареи с меньшей электрической емкостью. На известном уровне техники это называется дисбалансом элементов;

в) меньшая электрическая емкость одной конкретной батареи может быть вызвана или высоким саморазрядом, или дефектами во время производства батареи.

3. Стандартными способами решения проблемы дисбаланса элементов являются:

а) сортировка батарей для предотвращения несогласованности батарей, соединяемых последовательно;

б) зарядка батарей по отдельности (например, патент США № 6586909), однако для преодоления проблем, указанных выше, требуется низкое напряжение для полной зарядки каждой батареи (например, литий-железные батареи заряжают до 3,65 В), и такая низковольтная зарядка не является энергосберегающей вследствие перехода от нормального высоковольтного источника питания переменного тока к мощности постоянного тока низкого напряжения.

На известном уровне техники в большинстве систем и способов, применяемых для обеспечения сбалансированности батарей во время зарядки, используется сложная схемотехника для обнаружения и балансировки незаряженных батарей (например, US 7068011, US 6761207, US 6882129, US 6841971, US 6825638, US 6801014, US 6784638, US 6777908, US 6700350, US 6642693, US 6642693, US 6586909, US 6511764, US 6271645).

Аккумуляторные батареи сегодня все чаще используются в самых различных сферах применения, не говоря о такой традиционной бытовой электронике, как сотовые телефоны или ноутбуки, благодаря своим замечательным характеристикам в части мощности, увеличенного срока службы и экологической безопасности. Основная причина данных изменений заключается в том, что аккумуляторные батареи становятся все более надежными, обладают более длительным сроком службы, позволяя людям создавать более масштабные системы аккумуляторных батарей для применения в условиях высокой нагрузки, например, в домашних энергосберегающих системах или даже в электрических транспортных средствах. Однако с увеличением размера, означающим увеличение количества подсоединяемых последовательно и параллельно элементов батарей, срок службы получающейся в результате соединения системы батарей становится непредсказуемым или даже ненадежным. Одним из примеров являются элементы батареи, изготовленные с использованием ранее запатентованного материала, представляющего собой окись литий-железо-фосфата (LiFe_(1-x)M_x P_(1-x)O_2(2-x)), в качестве катода. Хотя одной батареи легко хватает на 1000 циклов при остатке заряда более 80%, при увеличении размера (когда выполняется последовательное и параллельное подсоединение нескольких элементов аккумуляторных батарей) срок службы всей системы батарей может составить от нескольких десятков до тысяч циклов. В основе увеличения срока службы лежит баланс электрической емкости элементов батарей, который может быть осуществлен при каждой зарядке. С этой точки зрения баланс электрической емкости элементов батарей во многом зависит от совместного контроля элементами батарей и используемого способа зарядки. В настоящем изобретении представлена система батарей посредством описания соответствующих ограничений и контроля элементами батарей, а также зарядного устройства или системы зарядки, обеспечивающей лучший баланс элементов батарей, позволяющий продлить срок службы всей системы батарей.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является система аккумуляторных батарей, содержащая блоки батарей и зарядное устройство (или систему зарядки), позволяющая блокам батарей демонстрировать отличные характеристики и служить продолжительное время. В данной раскрываемой системе батарей отсутствует необходимость ограничений в виде зарядки при постоянном напряжении или постоянном токе, что необходимо для традиционных литий-ионных батарей.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение представляет собой систему аккумуляторных батарей с множеством элементов, а также зарядное устройство для зарядки системы аккумуляторных батарей. Система аккумуляторных батарей включает множество элементов, связанных электрически с целью образования системы аккумуляторных батарей; устройство измерения напряжения саморазряда для непрерывного измерения напряжения саморазряда, а также соответствующее устройство саморазряда, при этом оба устройства параллельно подсоединены, по меньшей мере, к одному элементу последовательного соединения, комплекту элементов последовательного соединения и блоку элементов последовательного соединения; устройство измерения напряжения перезаряда для непрерывного измерения напряжения перезаряда по меньшей мере одного элемента последовательного соединения, комплекта элементов последовательного соединения и блока элементов последовательного соединения; зарядное устройство, подсоединенное последовательно к системе аккумуляторных батарей для зарядки всех элементов системы аккумуляторных батарей; устройство измерения линейного напряжения для непрерывного измерения линейного напряжения зарядного устройства; ограничивающее устройство для ограничения тока зарядки системы аккумуляторных батарей; устройство контроля для управления системой аккумуляторных батарей. Система аккумуляторных батарей функционирует таким образом, что:

а) если в процессе зарядки напряжение саморазряда, измеренное одним из устройств измерения напряжения саморазряда, больше или равно предварительно заданному значению напряжения саморазряда, то соответствующее устройство саморазряда действует до тех пор, пока измеренное напряжение саморазряда не станет меньше, чем предварительно заданное значение напряжения саморазряда, после чего соответствующее устройство саморазряда отключается; и

б) если в процессе зарядки какое-либо из напряжений перезаряда больше предварительно заданного значения напряжения перезаряда, то ток зарядки системы аккумуляторных батарей ограничивают, а если все измеренные напряжения перезаряда меньше или равны предварительно заданному значению напряжения первого возобновления, то ток зарядки системы аккумуляторных батарей не ограничивают; и

в) если в процессе зарядки измеренное линейное напряжение больше предварительно заданного значения полного напряжения, то ток зарядки системы аккумуляторных батарей ограничивают, а если измеренное линейное напряжение меньше или равно предварительно заданному значению второго напряжения возобновления, то ток зарядки системы аккумуляторных батарей не ограничивают;

и

г) если в процессе зарядки период ограничения тока зарядки системы аккумуляторных батарей больше предварительно заданного системой периода времени, то ток зарядки системы аккумуляторных батарей не ограничивают.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение станет более очевидным из следующего его описания, приведенного исключительно в качестве примера на сопроводительных чертежах, где:

Фиг.1а-д представляют собой схематические изображения различных вариантов осуществления узлов батарей по настоящему изобретению;

Фиг.2а представляет собой схематическое изображение узла батарей по настоящему изобретению, с увеличенным чертежом цепи саморазряда по настоящему изобретению;

Фиг.2б представляет собой схематическое изображение узла батарей по настоящему изобретению, с увеличенным чертежом другого варианта осуществления цепи саморазряда по настоящему изобретению;

Фиг.3 представляет собой схематическое изображение узла батарей по настоящему изобретению, имеющего цепь саморазряда, размещенную на корпусе батареи;

Фиг.4 представляет собой схематическое изображение системы электропитания, имеющей узлы батарей по настоящему изобретению;

Фиг.5а-д представляют собой схематические изображения блоков батарей, имеющих узлы батарей по настоящему изобретению;

Фиг.6а-д представляют собой схематические изображения блоков батарей, имеющих узлы батарей по настоящему изобретению, отличающиеся от узлов батарей, изображенных на фиг.5а-д;

Фиг.7а-д представляют собой схематические изображения блоков батарей, имеющих узлы батарей по настоящему изобретению, отличающиеся от узлов батарей, изображенных на фиг.5а-д и фиг.6а-д;

Фиг.8а-д представляют собой схематические изображения блоков батарей, имеющих узлы батарей по настоящему изобретению, отличающиеся от узлов батарей, изображенных на фиг.5а-д, 6а-д и 7а-д;

Фиг.9 представляет собой схематическое изображение узла блока батарей, имеющего узлы батарей по настоящему изобретению;

Фиг.10 представляет собой схематическое изображение системы батарей, имеющей узлы батарей по настоящему изобретению, как описано в примере 3; и

Фиг.11 представляет собой схематическое изображение системы батарей, имеющей узлы батарей по настоящему изобретению, как описано в примере 5.

Фиг.12 представляет собой схематическое изображение системы батарей, имеющей узлы батарей по настоящему изобретению, как описано в примере 6; и

В фиг.13(а)-(г) приведены результаты экспериментов из примера 6.

Фиг.14 представляет собой технологическую схему устройства по настоящему изобретению для контроля саморазряда элементов, комплектов или блоков элементов.

Фиг.15 представляет собой технологическую схему панели управления перезарядом/переразрядом по настоящему изобретению с функцией возобновления.

В фиг.16(а)-(г) приведены результаты экспериментов из примера 7.

На фиг.17 показана емкость разряда системы батарей, описанной в примере 7.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение является особенно важным для решения проблем, возникающих при последовательном соединении батарей. Проблема дисбаланса элементов во время зарядки может быть уменьшена путем создания устройства и способов, которые допускают утечку тока (энергии) из заряжаемых батарей. Вместо использования очень дорогих устройств и способов предотвращения перезаряда, для обеспечения выравнивания заряда аккумуляторных батарей, как установлено посредством устройств и способов, соответствующих известному уровню техники, в настоящем изобретении используются способ и устройство, которые уменьшают электрический ток, подаваемый к батарее последовательного соединения, которую заряжают избыточным зарядом. Такие способ и устройство могут использоваться для каждой батареи или для каждого комплекта батарей или блока батарей, соединенных последовательно. Если батарея одна, ее можно называть «батареей» или «элементом». Термины «комплект батарей» или «комплект элементов», приведенные в описании, означают несколько батарей, соединенных параллельно или последовательно, или параллельно-последовательно, или последовательно-параллельно. Термины «блок батарей» или «блок элементов», приведенные в описании, означают множество комплектов батарей, соединенных параллельно или последовательно, или параллельно-последовательно, или последовательно-параллельно. Под термином «узел», приведенном в описании, подразумевается батарея (или элемент), комплект батарей (или комплект элементов) или блок батарей (или блок элементов), дополняемые устройством для саморазряда батареи (батарей) (или элемента (элементов)), комплекта (комплектов) батарей (или комплекта (комплектов) элементов) или блока (блоков) батарей (или блока (блоков) элементов), если на батарею (аккумуляторные батареи) (или элемент (элементы)) подают избыточный заряд.

В настоящем изобретении батарея или батареи саморазряжаются при перегрузке избыточным зарядом. Поскольку каждая батарея, комплект батарей или блок батарей оснащены устройством «саморазряда», срабатывающим при достижении предварительно заданного значения напряжения во время зарядки или даже после зарядки, это позволяет исключить проблему дисбаланса элементов.

На фиг.1а показана конструкция «узла батареи». На фиг.1б показана конструкция «узла комплекта батарей, соединенных параллельно»; на фиг.1в показана конструкция «узла комплекта батарей, соединенных последовательно»; на фиг.1г показана конструкция «узла комплекта батарей, соединенных параллельно-последовательно»; а на фиг.1д показана конструкция «узла комплекта батарей, соединенных последовательно-параллельно». Такие узлы являются основными модулями при формировании блока батарей. На данных чертежах, равно как и на остальных чертежах, отдельные аккумуляторные батареи обозначены номером 1, а цепь для саморазряда аккумуляторной батареи (аккумуляторных батарей) обозначена номером 3.

Настоящий способ решения проблемы дисбаланса элементов показан на фиг.2а. Как показано на фиг.2а, каждая батарея соединена с устройством 2, подсоединенным параллельно батарее. Такое устройство состоит из коммутационного элемента 6, резистивного элемента 7, детектора напряжения 5а, контроллера 5б коммутационного элемента, который отключает или подключает коммутационный элемент 6. Детектор напряжения определяет электрическое напряжение батареи и вместе с контроллером коммутационного элемента контролирует «отключенное» или «подключенное» состояние коммутационного элемента. Коммутационный элемент, резистивный элемент, детектор напряжения и контроллер коммутационного элемента могут быть размещены на печатной плате. Однако поскольку транзистор может одновременно выполнять функции детектора напряжения, контроллера, коммутационного элемента и резистивного элемента, устройство, показанное на фиг.2а, может быть заменено транзистором или множеством транзисторов, соединенных параллельно (для регулировки электрического сопротивления). Также можно использовать один транзистор 8, последовательно соединенный с резистором 7, как показано на фиг.2б. В случае если транзистор и резистор соединены последовательно, как показано на фиг.2б, электрическое сопротивление резистора должно быть небольшим, чтобы сократить до минимума падение напряжения, вызываемого резистором, влияя тем самым на точность определения напряжения транзистора. Конфигурацию, приведенную на фиг.2б, можно также применять к диодам, например светодиодам, или печатной плате, состоящей только из коммутационного элемента и контроллера.

При зарядке батарей, если напряжение одной из батарей выше предварительно заданного верхнего предела, то подключают коммутационный элемент устройства, электрически соединенный параллельно батарее, обеспечивая возможность прохождения электрического тока через резистор. Таким образом, ток зарядки батареи, которая превысила заданный верхний предел электрического напряжения, снижается вследствие наличия устройства, соединенного параллельно с батареей. Такое понижение показано в приведенном ниже примере 1. При таком условии другие батареи заряжаются при нормальном потоке электрического тока, но в отношении батареи, превысившей верхний предел напряжения, применяют уменьшенное зарядное действие. Это является основным механизмом настоящего изобретения для предотвращения перезаряда батареи. Необходимо упомянуть, что резистивным элементом может быть любой электронный компонент, который обладает удовлетворительным электрическим сопротивлением. Например, в качестве источника сопротивления может быть использована электрическая лампочка.

Элементы устройства могут быть размещены на полупроводниковом кристалле 2, который может быть расположен в любом месте вблизи батареи. На фиг.3 показана возможность встраивания полупроводникового кристалла 2 в крышку корпуса батареи. Кроме того, полупроводниковый кристалл может быть также размещен, например, между катодом (корпусом) 11 и анодом (отрицательным выводом) 12. Полупроводниковый кристалл может быть также размещен внутри корпуса батареи.

Резистор может быть переменным резистором, если необходимо дополнительное точное регулирование сопротивления. Ниже приводится дополнительное подробное описание изменения тока для каждой батареи во время зарядки:

Пример 1. Теоретическая демонстрация того, как можно добиться выравнивания заряда элементов

Допущения:

1. Четыре узла батарей соединены последовательно, как показано на фиг.2а.

2. Батареи (1), (3), (4) имеют внутреннее сопротивление 5 мОм, батарея (2) имеет внутреннее сопротивление 10 мОм.

3. Батареи (1), (3), (4) имеют напряжение разомкнутой цепи, составляющее 3,3 В, батарея (2) имеет напряжение разомкнутой цепи, составляющее 3,6 В.

4. Для каждого узла батареи резистор, имеющий сопротивление 1,0 Ом, соединен с батареей параллельно.

5. Для четырех узлов батарей, соединенных последовательно, применяют источник питания напряжением 15 В.

Пример расчета 1 (когда все параллельные резисторы отключены):

Во время зарядки четырех узлов батарей напряжение каждой батареи может быть представлено следующим образом:

Батарея (I): V₁=V_O1+I₁R₁, где V₁ - напряжение батареи (1) во время зарядки, V_O1 - напряжение разомкнутой цепи батареи (1), I ₁ - электрический ток, проходящий через батарею (1), a R₁ - внутреннее сопротивление батареи (1).

Батарея (2): V₂-V_O2+I₂R ₂,

Батарея (3): V₃=V_O3 +I₃P₃,

Батарея (4): V ₄=V_O4+I₄P₄.

Поскольку других подсоединенных резисторов нет, I₁ =I₂=I₃=I₄=1

15=(V ₁+V₂+V₃+V₄)=(V_O1 +V_O2+V_O3+V_O4)+I(R₁ +R₂+R₃+R₄)

15-(V _O1+V_O2+V_O3+V_O4)=I(R ₁+R₂+R₃+R₄)

15-3,3-3.6-3,3-3,3=1(0,005+0,01+0,005+0,005)

I=60 A - электрический ток, который проходит через каждую батарею.

Пример расчета 2 (когда для батареи (2) параллельная цепь резистора замкнута)

Допустим, что I' - электрический ток, проходящий через резистор, a R' - сопротивление резистора, тогда

V₂=I'R', I'=V ₂/R'

V₂=V_O2+I ₂R₂,

полагая, что баланс тока: (I'+I₂)=I₁=I₃=I₄ =I,

V₂=V_O2+(I-I')R ₂=V_O2+(I-V₂/R')R_2.

После перестановки получим

V ₂=(V_O2+IR₂)/(I+R₂/R').

Таким образом,

15=(V₁+V ₂+V₃+V₄)=(V_O1+V_O2 +V_O3+V_O4)+I(R₁+R₃ +R₄)+(V_O2+IR₂)/(I+R₂ /R').

Таким образом,

I=61,672 A

V₂=(V_O2+IR₂ )/(I+R₂/R')=4,175 В

I'=V ₂/R'=4,175A

I₂=I-I'=57,497 A.

Если подставить резистор сопротивлением 10 Ом, то

I=60,168 А

V₂ =V_O2+(I-V₂/R')R₂=4,1975 В

I'=V₂/R'=0,4198A

I₂=I-I'=59,748 А.

Выводы, сделанные из расчетов:

1. Что касается узла батареи, приведенного на фиг.2а, если коммутатор резистора в параллельной цепи замкнут, то электрический ток проходит через резистор и зарядный ток для батареи (2) уменьшается.

2. Хотя коммутатор цепи параллельно подсоединенного резистора замкнут для узла батареи, показанного на фиг.2а, зарядный ток для других батарей (1, 3, 4) увеличивается.

3. Сопротивление резистора определяет величину уменьшения электрического тока для батареи 2. Чем меньше сопротивление, тем больше величина уменьшения тока.

4. Таким образом, идея подсоединения резистора к каждой батарее, соединенной последовательно, эффективна для балансировки электрической емкости всех батарей благодаря уменьшению зарядного тока батареи, которая имеет большую электрическую емкость, и увеличению зарядного тока других батарей, которые имеют меньшую электрическую емкость.

5. Очевидно, что резистор, соединенный с батареей параллельно, должен обладать удовлетворительной функцией балансировки элементов. Любые электронные устройства или компоненты, которые удовлетворяют функции измерения напряжения и обеспечения источника сопротивления, находятся в центре внимания настоящего изобретения.

Пример 2. Теоретический расчет, демонстрирующий способ зарядки узла батареи

Ограничения:

1. Четыре узла батарей соединены последовательно, как показано на фиг.2а.

2. Батареи (1), (3), (4) имеют внутреннее сопротивление 5 мОм, батарея (2) имеет внутреннее сопротивление 10 мОм.

3. Батареи (1), (3), (4) имеют напряжение разомкнутой цепи, составляющее 3,3 В, батарея (2) имеет напряжение разомкнутой цепи, составляющее 3,6 В.

4. Батареи (1), (2), (3) и (4) заряжаются постоянным током. Величина электрического тока составляет 2 А.

5. Для целей демонстрации исследуемой батареи является батарея (2), а резистор, имеющий сопротивление 1,0 Ом, соединен с батареей параллельно и коммутатор цепи замкнут.

Расчеты:

Принимая во внимание баланс электрического тока: (I'+I₂ )=I₁=I₃=I₄=2 A

V₂=V_O2+(I-I')R₂=V_O2 +(I-V₂/R')R_2.

При перегруппировке мы получаем

V₂=(V_O2+IR ₂)/(I+R₂/R').

Подставляя V_O2=3,6 В, I=2 A, R₂=0,01 Ом, R'=1 Ом,

получаем

V₂=3,5842 В

I'=V₂/R'=3,5842 А,

I₂=I-I'=2-3,5842=-1,5842 АО.

Выводы, сделанные из расчетов:

1. Чрезмерно заряженная батарея будет разряжаться, если электрический ток цепи (I) меньше электрического тока, который проходит через резистор (I'). То есть (I-I'<0).

2. Когда чрезмерно заряженные батареи разряжаются, можно достигнуть баланса элементов.

3. Комбинируя результаты расчетов, показанных в примерах 1 и 2, можно также сделать вывод, что способ зарядки с балансировкой элементов может быть реализован в режиме постоянного напряжения (но требуемое время зарядки должно быть больше, чем время, требуемое для условия I<I') или в режиме постоянного тока путем пропускания электрического тока (I), который меньше тока, который проходит через резистор (I').

4. Можно сделать дополнительный вывод о том, что зарядное устройство может быть сконструировано таким образом, чтобы иметь два режима зарядки. Один режим является нормальным режимом зарядки при постоянном токе/постоянном напряжении для нормального использования системы батарей (конец зарядки определяется установкой определенного времени зарядки). Другой режим является режимом балансировки элементов (зарядка при постоянном токе), который может быть использован, когда система батарей обладает меньшей электрической емкостью, чем при нормальном использовании.

Пример 3. Блок батарей и система батарей

Как отмечено выше, блок батарей может состоять из комплектов батарей или узлов комплектов батарей, как показано на фиг.1а-д. В настоящем изобретении блок батарей может также соединяться с параллельной цепью, включающей коммутационный элемент, детектор напряжения, контроллер и резистивный элемент для образования «узла блока батарей». Возможные конструкции блоков батарей, созданные с использованием узлов комплектов батарей, показаны на фиг.5а-д, фиг.6а-д, фиг.7а-д и фиг.8а-д. На данных чертежах представлены конструкции пяти модулей, показанных на фиг.1а-д, соединенные в различных конфигурациях цепей: в последовательной конфигурации (фиг.5а-д), в параллельной конфигурации (фиг.6а-д), в параллельно-последовательной (фиг.7а-д) и в последовательно-параллельной конфигурации (фиг.8а-д). В каждом из случаев, приведенных в фиг.5, 6, 7 и 8, также возможно комбинированное параллельное соединение с цепью, включающей коммутационный элемент, контроллер, детектор напряжения и резистивный элемент для образования «узла блока батарей». Пример «узла блока батарей» показан на фиг.9.

Подобно тому, как блок батарей состоит из комплектов батарей или узлов комплектов батарей, система батарей состоит из блоков батарей или узлов блоков батарей. И в этом случае возможные конструкции системы аккумуляторных батарей, созданные при использовании узлов блоков батарей, могут иметь последовательную, параллельную, параллельно-последовательную и последовательно-параллельную конфигурацию. Пример «системы батарей» показан на фиг.10.

В этой заявке описан один практический случай, который является примером системы батарей для электрического мотоцикла. Как следует из фиг.10, в стандартном электрическом мотоцикле используется система батарей, имеющая электрическое напряжение 53 В и электрическую емкость 40 А·ч. Система батарей состоит из четырех блоков батарей (13,3 В), соединенных последовательно. Каждый из блоков батарей состоит из четырех комплектов литий-железных батарей (3,33 В), соединенных последовательно. И каждый из комплектов батарей состоит из четырех батарей электрической емкостью 10 А·ч, соединенных параллельно. В этом случае оптимальная конструкция системы батарей предполагает использование узлов блоков батарей и узлов комплектов батарей в качестве строительных блоков для системы батарей. В такой конфигурации можно избежать перезаряда блоков батарей и комплектов батарей. Если система батарей построена с использованием узлов блоков батарей, но узлы блоков батарей получены только с помощью комплектов батарей, после долговременной цикличной работы может возникать некоторый перезаряд комплекта батарей. Если система батарей получена при использовании только блоков батарей, а блоки батарей получены при использовании комплектов батарей, а не узлов комплектов батарей, то может иметь место дисбаланс элементов, сопровождающийся перезарядом во время зарядки.

Пример 4. Предпочтительная система электропитания

Система электропитания является сочетанием компонентов, включающих в себя зарядное устройство 4, систему батарей (блоков или комплектов), панель управления 10 и прерыватель цепи 9, как показано на фиг.4. И в этом случае четыре узла батарей по настоящему изобретению соединены последовательно в качестве простейшего примера для демонстрации. Из фиг.4 видно, что каждая батарея подсоединена параллельно в цепь, состоящую из компонентов, приведенных в фиг.2а или фиг.2б. Панель управления соединена при помощи электрических проводников с каждым выводом каждой из батарей. Эти электрические проводники служат в качестве средства определения напряжения. Другой вывод панели управления соединен с прерывателем цепи. Зарядное устройство соединено непосредственно с двумя выводами батарей, электрически соединенных последовательно. Если во время нормальной зарядки (постоянный электрический ток/постоянное напряжение) какая-либо из батарей имеет значение напряжения перезаряда, превышающее предварительно заданное, то для завершения зарядки с панели управления поступает сигнал на прерыватель цепи. Аналогичным образом если во время такой разрядки какая-либо из батарей находится ниже предварительно заданного значения напряжения, панель управления передает сигнал на прерыватель цепи для завершения разрядки. Эти два действия служат в качестве защиты батареи от перезаряда и переразряда. Во время нормальной зарядки на выполнение зарядки отводится заданное время (например, завершение зарядки через 1,5 часа после зарядки при постоянном напряжении). В это время батареи могут быть более или менее сбалансированы. Однако батареи могут быть сбалансированы после нескольких зарядок или путем запуска зарядки с балансированием (небольшой постоянный электрический ток и токовый заряд, амплитуда электрического тока I<I') для обеспечения возможности зарядки при постоянном токе до тех пор, пока все батареи не будут сбалансированы.

В представленном случае панелью управления может быть простое устройство для определения напряжения каждой батареи, соединенной последовательно, посылающее сигналы на прерыватель цепи для завершения действия зарядки или разрядки. Простота панели управления выгодна, таким образом, благодаря характеристикам батарей по настоящему изобретению, поскольку они предусматривают утечки тока во время зарядки. В настоящем изобретении выключение зарядки предпочтительно осуществляется посредством электромагнитного реле, которое выключает вход или выход мощности. Это электромагнитное реле предпочтительно не потребляет мощность в нерабочем состоянии, а импульсный сигнал, генерируемый панелью управления, определяет замкнутое и разомкнутое состояние цепи реле и, следовательно, включение и выключение зарядки батареи.

Пример 5. Способы достижения выравнивания характеристик элементов, как описано в Примере 1

Как следует из фиг.11, в представленном примере восемь литий-железных батарей, имеющих электрическую емкость 10 А·ч, используют для демонстрации способа зарядки и балансировки характеристик элементов батарей во время зарядки. Два элемента изначально соединены параллельно для образования комплекта параллельных батарей. Затем каждый комплект батарей подсоединяют в цепь (например, через печатную плату), электрически параллельно подсоединяя к комплекту батарей для образования узла батарей. Четыре узла батарей затем соединяют последовательно. В представленном случае первый комплект, второй комплект, третий комплект и четвертый комплект поименованы для четырех узлов комплектов батарей, соединенных последовательно для ясности. Все четыре узла комплектов сначала заряжают полностью до 100%. Затем первый узел комплекта батарей подвергают разрядке на 10% электрической емкости (2 А·ч). После этой процедуры все четыре узла комплектов батарей соединяют последовательно и эту конструкцию называют блоком батарей. В представленном случае предварительно заданное напряжение активации саморазряда устанавливают равным 3,75 В. Цепь саморазряда, параллельно подсоединенная к каждому комплекту батарей, имеет сопротивление 2 Ом. После вышеуказанных процедур блок батарей заряжают постоянным током 1,7 А. Как показано в Таблице 1, напряжение для каждого комплекта батарей изменяется в зависимости от времени. Из Таблицы 1 можно видеть, что в каждом из 2^го, 3^го и 4^го узлов комплектов батарей имело место увеличение напряжения свыше 3,75 В в исходном состоянии. Через 5 минут после этого 2^ой, 3^ой и 4^ой узел комплекта батарей стабилизировался при 3,75 В. В это время измеряемый электрический ток, проходящий через резистор, составлял 1,8 А.

Напряжение 1^го комплекта узла комплектов батарей постепенно увеличивали до 3,75 В через 80 минут и на этом заканчивали балансировку заряда. В настоящем эксперименте I (электрический ток источника питания) устанавливали меньше I' (электрический ток, проходящий через резистор). В результате напряжение для 2^го, 3^го и 4^го узлов комплектов батарей стабилизировалось на уровне 3,75 В во время зарядки. Через определенное время был получен полный баланс четырех комплектов узлов комплектов батарей. Было установлено, что если электрический ток I устанавливали немногим больше электрического тока I' (1,8 А в этом случае), напряжение 2^го, 3^го и 4^го комплектов батарей может быть выше напряжения 3,75 В во время заряда при постоянном токе. Однако, если напряжение заряда при постоянном напряжении задается равным 15 В в качестве второго этапа зарядки, может наблюдаться уменьшение напряжения 2^го, 3 ^го и 4^го комплектов батарей (когда электрический ток I падает ниже значения электрического тока I'), и эти четыре комплекта узлов комплектов батарей могут быть, в конечном счете, сбалансированы, но это потребует большего времени. В дополнение к схеме саморазряда и вышеописанному механизму имеется еще одна характеристика, которая может использоваться в схеме саморазряда, как показано на фиг.2(а) и 2(б), посредством добавления таймера (счетчика времени) или счетчика заряда, контролирующего объем заряда, разряжаемого при определенных условиях. Основной целью добавления таймера или счетчика заряда является решение проблемы соединенных последовательно батарей, комплектов батарей или блоков батарей, которые невозможно длительно заряжать при постоянном напряжении, то есть когда зарядное устройство или любой способ зарядки (например, от солнечной панели или ветряной турбины) не обеспечивает длительной и устойчивой зарядки при постоянном напряжении. Для балансировки соединенных последовательно батарей без длительного заряда при постоянном напряжении в схему саморазряда вводят таймер. Функцией таймера является установка определенного объема заряда батареи, на который она должна саморазряжаться при возникновении определенных условий. Если батареи подвергаются перезаряду до предварительно заданного значения напряжения V', запускается механизм саморазряда. Саморазрядка продолжается до тех пор, пока напряжение батареи не опустится ниже заданного значения напряжения V', после чего активируется таймер, обеспечивая дальнейший саморазряд в течение определенного периода времени (например, на 2% от электрической емкости батареи, то есть в течение времени, необходимого для разряда батареи на 2% от ее электрической емкости). Хотя в качестве предпочтительной цифры указывается 2%, на практике осуществления изобретения степень разряда может составлять от 2% до 20%. Данный способ обладает следующими преимуществами: (1) Данная схема саморазряда с выдержкой времени обладает функциями, описанными ранее в отношении приведенного выше примера 5, то есть, если какой-либо из узлов комплектов батарей, соединенных последовательно, подвергается саморазряду при превышении напряжением предварительно заданного значения V', все узлы комплектов батарей, соединенные последовательно, в конце концов балансируются после длительной зарядки при постоянном напряжении; (2) нестабильные условия зарядки, в частности зарядка от источников возобновляемой энергии (например, от солнечных панелей или ветряных турбин) или любые другие зарядные устройства, не обеспечивающие длительной зарядки при постоянном напряжении, тем не менее могут использоваться для зарядки батарей при условии поддержания (функции) баланса элементов батарей. Это можно реализовать, например, при помощи тех же узлов комплектов батарей, описанных выше в примере 5, которые заряжаются до определенного напряжения, и отключение выполняется без зарядки при постоянном напряжении. Соединенные последовательно узлы комплектов батарей, уже превысившие заданное предельное значение напряжения V', будут разряжаться; саморазрядка будет продолжаться даже после того, как напряжение батареи упадет ниже заданного значения напряжения V'. За счет дополнительного саморазряда, выполняемого в отношении тех узлов комплектов батарей, которые уже превысили заданное значение напряжения V', разница в электрической емкости узлов, превысивших значение V' до отключения (с запуском схемы саморазряда), и узлов, не достигших значения V' до отключения (без запуска схемы саморазряда), будет меньше при недостатке времени, используемого для зарядки при постоянном напряжении; и (3) зарядку при постоянном напряжении можно заменить несколькими способами зарядки с отсечкой напряжения, как будет описано более подробно ниже в примере 6.

Пример 6. Способ обеспечения выравнивания характеристик элементов батарей без длительной зарядки при постоянном напряжении.

Целью данного примера является демонстрация необходимости функции выдержки времени по настоящему изобретению для схемы саморазряда, при помощи которой достигается баланс элементов батареи без длительной зарядки при постоянном напряжении.

Как следует из фиг.12, в настоящем примере четыре литий-железные батареи общей электрической емкостью 10 А·ч использовали для демонстрации способа зарядки и балансировки характеристик элементов батарей во время зарядки. Каждая батарея 1 включена в цепь 2, электрически подсоединенную параллельно батарее, образуя узел батарей 3. Каждая цепь 2 содержит детектор напряжения 5а, резистор 7 сопротивлением 10 Ом и таймер 13, обеспечивающий саморазряд батареи при достижении или превышении напряжением батареи значения в 3,65 В, после чего, когда напряжение батареи падает ниже 3,65 В, в течение 15 минут осуществляется дополнительный саморазряд. Четыре узла батарей соединены последовательно. В представленном примере в четырех узлах батарей, показанных на фиг.12, имеются батареи, обозначенные как (1), (2), (3) и (4). Зависимость изменения напряжения от времени для каждого узла батарей показана на фиг. с 13(а) по 13(г). Зависимость тока от времени для блока батарей, содержащего четыре соединенных последовательно узла батарей, показана на фиг.13(д). Все четыре узла батарей сначала заряжают до 100% электрической емкости и первично балансируются (3,65 В ± 0,03 В, как можно видеть на фиг. с 13(а) по 13(г)). Затем первый узел батарей (батарея (1)) разряжается на 6,6% от электрической емкости (0,66 А·ч) в течение одного часа при помощи резистора сопротивлением 5 Ом. После данной процедуры блок батарей, содержащий четыре соединенных последовательно узла батарей, заряжается при постоянном напряжении, установленном на 14,7 В. При этом зарядное устройство настроено на отключение в случае превышения каким-либо из узлов батарей значения 3,70 В. На фиг. с 13 (а) по 13(г) видно, что напряжение 2^го , 3^го и 4^го узлов батарей (батареи (2), (3) и (4)) резко увеличивается после того, как зарядное устройство начинает их заряжать. Зарядное устройство прекращает зарядное действие практически сразу после начала зарядки. Однако поскольку 2^й, 3^й и 4^й узлы батареи запускают схему саморазряда с заданным значением напряжения саморазряда, равным 3,65 В, у каждого из них наблюдается непрерывное падение напряжения даже после отключения зарядного устройства. В отличие от 2^го, 3^го и 4^го узлов батарей 1^й узел батарей не саморазряжается после отключения зарядного устройства, демонстрируя таким образом более равномерный профиль напряжения. После 8 циклов зарядки видно, что 1^й узел батарей становится единственным узлом, осуществляющим саморазряд (при увеличении напряжения свыше 3,65 В) и отключение зарядки при превышении значения напряжения в 3,70 В. Данный результат указывает на то, что баланса элементов можно добиться при помощи многократной зарядки с установкой отсечки по напряжению. Разницу в электрической емкости батарей в 6,6% можно компенсировать за счет многократных циклов зарядки при использовании схемы саморазряда с выдержкой времени для каждой из батарей. При дальнейшей зарядке четырех соединенных последовательно батарей при напряжении 14,7 В без использования схемы саморазряда на каждой батарее обеспечивается общее увеличение электрической емкости в 3,7% до нулевого тока. Это означает, что все батареи практически полностью заряжены после 8 последовательных циклов зарядки даже без длительной зарядки при постоянном напряжении. Согласно результатам эксперимента отсутствуют жесткие ограничения в отношении компонентов, которые следует использовать для механизма саморазряда с выдержкой времени. При помощи любых интегральных микросхем, транзисторов или даже устройств, включающих в себя такие компоненты, как датчик напряжения, резистор и таймер или счетчик заряда, можно вручную добиться балансировки батарей, соединенных последовательно, без длительной зарядки при постоянном напряжении.

Хотя пример 6 приведен для четырех узлов батарей, соединенных последовательно, как показано на фиг.12, способ по настоящему изобретению применяют к батареям, приведенным в фиг.5(а)-11, а также к расширенным вариантам данных конструкций.

Таблица 1
Зависимость напряжения от времени для каждого комплекта батарей.
Тестирование зарядки при балансе литий-железных элементов 40138 12 В, 20 А·ч
Зарядка при постоянном токе (ток=1,7 А)
Номер комплекта	1	2	3	4
Исходное напряжение (В)	3,344	3,354	3,348	3,35
Время (минут)	Напряжение для каждого комплекта (Вольт)
0	3,401	3,883	3,852	3,861
5	3,457	3,761	3,757	3,759
10	3,462	3,752	3,761	3,762
15	3,473	3,753	3,755	3,757
20	3,481	3,756	3,751	3,754
30	3,499	3,759	3,752	3,757
40	3,558	3,753	3,756	3,755
50	3,633	3,758	3,754	3,756
60	3,757	3,751	3,753	3,754
70	3,752	3,757	3,756	3,752
80	3,759	3,751	3,754	3,755

Как упоминалось ранее, если батарея одна, ее можно называть «батареей» или «элементом». Термины «комплект батарей» или «комплект элементов», приведенные в описании, означают несколько батарей, соединенных параллельно или последовательно, или параллельно-последовательно, или последовательно-параллельно. Термины «блок батарей» или «блок элементов», приведенные в описании, означают множество комплектов батарей, соединенных параллельно или последовательно, или параллельно-последовательно, или последовательно-параллельно. Под термином «узел», приведенном в описании, подразумевается батарея (или элемент), комплект батарей (или комплект элементов) или блок батарей (или блок элементов), дополняемые устройством для саморазряда батареи (батарей) (или элемента (элементов)), комплекта (комплектов) батарей (или комплекта (комплектов) элементов) или блока (блоков) батарей (или блока (блоков) элементов), если на батарею (аккумуляторные батареи) (или элемент (элементы)) подают избыточный заряд. Систему батарей можно создавать из одного или более блоков элементов. Система батарей считается, как правило, завершенной формой, готовой для циклов зарядки/разрядки.

В первых трех нижеприведенных частях описаны три важных средства контроля. Последняя часть (Часть IV) используется для описания конструкции усовершенствованной системы батарей, иллюстрированной несколькими примерами.

Часть I. Балансировочное устройство

Наиболее важной характеристикой балансировочного устройства является обеспечение двойного контроля разрядки элементов по напряжению и по времени. На фиг.14 представлена технологическая схема стандартного балансировочного устройства, обеспечивающего разряд элементов. Одна (или несколько) интегральных микросхем предназначены для контроля напряжения каждого элемента и времени разряда каждого элемента. Типичным примером является интегральная микросхема на печатной плате, которая одновременно контролирует восемь каналов. Напряжение каждого канала отслеживается отдельно и время разряда элементов также учитывается отдельно. Рассмотрим, к примеру, один канал: когда напряжение элемента превышает пороговое значение напряжения, начинается разряд элемента. Процедура разряда завершается только тогда, когда напряжение элемента опускается ниже порогового значения напряжения в течение определенного периода времени. Длительность можно задавать от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от применения. Типичным случаем является элемент с электрической емкостью 10 А·ч, разряд которого начинается тогда, когда напряжение превысит 3,5 В. Для разряда элемента используется внешний резистор сопротивлением 10 Ом, процедура разряда прекращается, когда напряжение падает ниже 3,5 В за 1 час.

Часть II. Защита от перезаряда/переразряда

На фиг.15 представлена технологическая схема стандартной защиты каждого элемента от перезаряда/переразряда. Аналогично балансировочному устройству, описанному в Части I, для отслеживания состояний перезаряда или переразряда предусмотрена интегральная микросхема. Типичным примером является интегральная микросхема на печатной плате, контролирующая одновременно восемь каналов. При достижении состояния перезаряда для элемента (как правило, это 4,0 В) на реле (электромагнитное самоблокирующееся реле) отправляется импульс, прекращающий подачу тока от зарядного устройства, чтобы предотвратить перезаряд элемента. При применении в высоковольтных устройствах, например в гибридном транспортном средстве со штепсельным соединением, работающем при напряжении 300 В или более, вместо использования реле для немедленного прекращения зарядки сигнал о перезаряде поступает в электронный блок управления транспортного средства в целях прекращения зарядки во избежание повреждения других встроенных электрических устройств, таких как двигатель или генераторная установка.

Еще одной наиболее важной характеристикой контроля перезаряда, являющимся неотъемлемой частью настоящего изобретения, является такая функция реле, как «автоматическое возобновление». Типичным примером является интегральная микросхема на печатной плате, контролирующая одновременно восемь каналов. При достижении состояния перезаряда для одного из элементов на реле (электромагнитное самоблокирующееся реле) отправляется импульс, прекращающий подачу тока от зарядного устройства, для предотвращения перезаряда элемента. Зарядка возобновляется, когда напряжение «всех» элементов понижается до предварительно заданного значения напряжения. Это означает, что зарядка возобновляется, когда напряжение «всех» элементов оказывается ниже предварительно заданного значения напряжения (см. фиг.15). Данное стандартное напряжение может составлять 3,4 В для элементов из окиси литий-железо-фосфата или прочих элементов типа LiFePO ₄.

Часть III. Зарядное устройство

Еще одной очень важной характеристикой, являющейся неотъемлемой частью настоящего изобретения, является контроль зарядного устройства. Традиционно литий-ионные элементы подходят для зарядки, начинающейся с этапа зарядки при постоянном токе, после чего осуществляется зарядка при постоянном напряжении при предварительно заданном значении напряжения в течение длительного периода времени. В настоящем изобретении зарядное устройство прекращает зарядку, когда напряжение достигает предварительно заданного значения напряжения (как правило, более высокого значения напряжения). Зарядка возобновляется, когда напряжение падает ниже другого заданного значения напряжения (как правило, более низкого значения напряжения). Кроме того, можно задавать период времени. Характеристики «прекращения» и «возобновления» работы зарядного устройства в диапазоне между двумя заданными значениями напряжения означают, что в настоящем изобретении не нужна зарядка при постоянном токе.

При прекращении и возобновлении зарядки вместо отключения реле на выводе с постоянным током (ток на выходе), которое может создавать электрическую дугу при отключении, на выводе с переменным током (ток на входе) зарядного устройства можно прекратить подачу заряда от зарядного устройства. Данная процедура помогает предотвратить образование электрической дуги на реле, тем самым повысив безопасность и срок службы реле. Например, в случае высоковольтных устройств, таких как гибридное транспортное средство со штепсельным соединением, работающее при напряжении 300 В или более, прекращать зарядку из соображений безопасности следует на выводе переменного тока зарядного устройства. Тем не менее минимизация зарядного тока при помощи устройства контроля, обеспечивающего достижение состояния «возобновления подачи напряжения», приводит к тому же результату, что и прямое отключение при помощи реле.

Часть IV. Система батарей

Согласно определению системы батарей, приведенному в разделе «Уровень техники», система батарей представляет собой комбинацию одного или нескольких блоков элементов (блоков батарей), готовых к подключению к зарядному устройству. В приведенном ниже примере показано, как хорошо функционирует система батарей при надлежащем контроле: 1. Механизма разрядки балансировки, 2. Защиты от перезаряда с функцией возобновления и 3. Оконечного устройства зарядного устройства с функцией отсечки по высокому напряжению и возобновления (либо при более низком напряжении, либо в заданное время).

Пример 7. Система батарей напряжением 52 В, состоящая из 2 блоков элементов, соединенных последовательно

В данном примере с целью демонстрации используется система батарей напряжением 52 В. Данная система батарей напряжением 52 В состоит из двух последовательно соединенных блоков элементов, по 26 В каждый. Каждый блок элементов содержит 8 комплектов элементов, соединенных последовательно с 8 элементами, соединенными параллельно, в каждом комплекте элементов. Электрическая емкость каждого элемента составляет 10 А·ч.

В данной системе батарей каждый комплект элементов разряжается при помощи резистора сопротивлением 5 Ом, когда предварительно заданное напряжение элемента превышает 3,5 В. Когда напряжение комплекта элементов падает ниже 3,5 В, отсчитывают один час, и в конце разряд прекращается.

Для каждого комплекта элементов установлено состояние переразряда 4,15 В. Напряжение возобновления зарядки установлено на 3,65 В, когда напряжение «всех» отслеживаемых комплектов элементов ниже 3,65 В. В данном случае для отслеживания напряжения восьми комплектов элементов и выполнения функции «прекращения зарядки» и «возобновления зарядки» при напряжении 4,15 В (когда тот или иной комплект достигает данного значения напряжения) и 3,65 В (когда напряжение всех восьми комплектов элементов ниже данного значения напряжения) соответственно используется восьмиканальная печатная плата перезаряда/переразряда. В каждом блоке элементов предусмотрено реле, активируемое платой перезаряда/переразряда.

Зарядным устройством, используемым в данном примере, является традиционное зарядное устройство для свинцово-кислотных батарей с постоянной выходной мощностью. В представленном случае напряжение отсечки устанавливают на 56,5 В, а напряжение возобновления устанавливают на 53.8 В. При достижении напряжения отсечки размыкается реле, установленное на выводе переменного тока (56,5 В). Аналогичным образом при достижении напряжения возобновления (53,8 В) реле снова замыкается.

Сначала блоки элементов разряжали до 0% электрической емкости. Один из комплектов элементов предварительно заряжали на 10% от его номинальной электрической емкости (8 А·ч) перед зарядкой двух соединенных последовательно блоков элементов. На фиг.16(а) представлено записанное напряжение системы батарей, 16(б) - зарядный ток, и 16(в) - электрическая емкость системы батарей. На фиг. 16(г) представлено напряжение предварительно заряженного на 10% комплекта элементов, а также для сравнения одного из нормальных комплектов элементов без предварительной зарядки. Все чертежи показаны на одной и той же временной шкале, чтобы их можно было сравнивать. Из фиг. с 16(а) по (г) можно сделать следующие выводы:

1. Состояние отсечки при напряжении 4,15 В, задаваемое платой перезаряда/переразряда, достигается до напряжения отсечки 56,5 В, задаваемого зарядным устройством. В течение данного периода времени плата перезаряда/переразряда, обозначенная на каждом чертеже как «Контроль зарядки при помощи платы перезаряда/переразряда», сначала определяет замкнутое или разомкнутое состояние реле. Активируемое реле располагается в модуле батарей.

2. В течение периода «Контроль зарядки при помощи платы перезаряда/переразряда» общее напряжение узла батарей постепенно увеличивается до напряжения отключения зарядного устройства. При достижении напряжения 56,5 В реле зарядного устройства начинает контролировать процесс зарядки. Это показано на каждом чертеже (с фиг.16(а) до 16(г)) и обозначено как «Контроль зарядки, предварительно заданный для зарядного устройства диапазоном напряжения». Активируемое в данный период времени реле расположено в зарядном устройстве.

3. В течение периода зарядки невозможно добиться балансировки электрической емкости элементов без балансировочных устройств.

4. В течение периода зарядки перезаряд элементов возможен без платы перезаряда/переразряда. Это очевидно из фиг.3(а), поскольку напряжение отсечки 4,15 В достигается, когда напряжение системы батарей составляет всего лишь 55 В. Если зарядное устройство принудительно обеспечивает достижение напряжения в 56,5 В, напряжение элементов совершенно точно превысит 4,15 В. Следует отметить, что перезаряд элементов более вероятен при последовательном подсоединении большого количества элементов (или комплектов элементов, или блоков элементов). Это имеет особое значение при использовании в электрических транспортных средствах или гибридных транспортных средствах со штепсельным соединением (см. пример 7).

5. Таким образом, для литий-ионных аккумуляторных батарей возможно использование зарядного устройства с функцией повторной зарядки без ограничения зарядки при постоянном напряжении и постоянном токе без риска «перезаряда» любого элемента.

Заряжаемая система батарей, показанная на фиг. с 16(а) по 16(г), была впоследствии разряжена. Зависимость электрической емкости от времени показана на фиг.17. Это доказывает возможность восстановления полной электрической емкости в 80 А·ч после контролируемых повторных зарядок. Более подробные описания настоящего изобретения:

1. При контроле а) Механизма разряда балансировки, б) Защиты от перезаряда с функцией возобновления и в) Оконечного устройства зарядного устройства с отсечкой по высокому напряжению и функцией возобновления для зарядки системы батарей можно использовать любой источник возобновляемой энергии с нестабильным выходом по напряжению и току (или вход для системы батарей) без риска повреждения системы батарей (например, зарядка элементов или комплектов элементов) при поддержании баланса элементов или комплектов элементов в системе батарей. Другими словами, источники возобновляемой энергии могут являться источником зарядной мощности для зарядки системы батарей.

2. Прекращение зарядки можно выполнить со стороны системы батарей, со стороны зарядного устройства (или со стороны выхода возобновляемой энергии) или с обеих этих сторон в зависимости от конструкции системы.

3. Прекращение зарядки (отсутствие зарядки) можно заменить вводом слабого тока. Величина тока может быть равной или меньшей, нежели ток разряда элементов или комплектов элементов. Однако оконечные устройства зарядного устройства с функцией отсечки по высокому напряжению (после чего ограничивается величина тока) и возобновления (запускается либо по более низкому напряжению, либо по заданному периоду времени) обеспечивают полную зарядку системы батарей после нескольких циклов зарядки. Некоторые детали описаны в примере II.

Пример 8. Система батарей напряжением 312 В, состоящая из 6 блоков элементов, соединенных последовательно

В данном примере с целью демонстрации используется система батарей напряжением 312 В. Данная система батарей напряжением 312 В состоит из шести последовательно соединенных блоков элементов по 52 В в каждом. Каждый блок элементов содержит 16 комплектов элементов, соединенных последовательно с 3 элементами, соединенными параллельно, в каждом комплекте элементов. Электрическая емкость каждого элемента составляет 18 А·ч. Для гибридных устройств со штепсельным соединением сохраняется в целом 15 кВт·ч энергии.

В данной системе батарей каждый комплект элементов разряжается при помощи резистора сопротивлением 5 Ом, когда предварительно заданное напряжение элемента превышает 3,5 В. Когда напряжение комплекта элементов падает ниже 3,5 В, отсчитывается один час, и в конце разрядка прекращается.

Для каждого комплекта элементов состояние переразряда установлено на 4,15 В. Напряжение возобновления зарядки установлено на 3,65 В, когда напряжение «всех» отслеживаемых комплектов элементов ниже 3,65 В. В данном случае для отслеживания напряжения 16 комплектов элементов в каждом блоке элементов используется два из восьми каналов печатной платы перезаряда/переразряда. Если какой-либо из каналов печатной платы перезаряда/переразряда находится в состоянии «прекращения зарядки» и «возобновления зарядки» при напряжении 4,15 В (когда тот или иной комплект достигает данного значения напряжения) и 3,65 В (когда напряжение всех восьми комплектов элементов ниже данного значения напряжения) соответственно, плата перезаряда/переразряда направляет сигнал на электронное устройство управления транспортного средства. Затем электронное устройство управления отправляет сообщения сети контроллеров зарядному устройству для минимизации зарядного тока до значения, равного или меньше значения тока, проходящего через балансировочное устройство. В данном случае возможен нулевой ток, что аналогично состоянию «прекращения», описанному в примере 7. Также следует упомянуть, что «прекращения» можно добиться посредством отключения вывода с переменным током источника питания, тем самым достигая того же результата, что и при вышеописанном способе минимизации величины тока.

Каждый раз при получении электронным устройством управления сигналов о перезаряде от какого-либо комплекта элементов или определении превышения напряжения системы батарей значения в 336 В (при допущении наличия 56 элементов в одном блоке и 6 соединенных последовательно блоков элементов) подача зарядного тока либо прекращается, либо сводится к минимуму в течение одного часа (аналогично времени работы балансировочных устройств). Таким образом, возобновленная зарядка обеспечивает полную зарядку системы батарей за несколько часов без риска повреждений вследствие перезаряда. Конечно, при достижении низкого напряжения возобновления, обнаруженного зарядным устройством (318 В, при допущении напряжения 53 В в одном блоке и 6 блоков, соединенных последовательно), также можно возобновить зарядку до истечения одного часа (данный период задан, как описано выше).

Опять же, три основных средства контроля, внедряемые посредством настоящего изобретения: а) Механизм разрядки балансировки, б) Защита от перезаряда с функцией возобновления и в) Оконечные устройства зарядного устройства с функцией отсечки по высокому напряжению и возобновления (либо при более низком напряжении, либо в заданное время) обеспечивают полный заряд и балансировку системы батарей за короткий срок в крупных устройствах, где применяется данная система, таких как гибридное транспортное средство со штепсельным соединением.