RU133369U1

RU133369U1 - DEVICE FOR LEVELING THE VOLTAGE BALANCE OF THE BATTERY VOLTAGE (OPTIONS)

Info

Publication number: RU133369U1
Application number: RU2013118554/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Барзуков; Алексей Валентинович Гуськов; Дмитрий Анатольевич Шиганов; Александр Алексеевич Шорин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение ССК"
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2013-10-10

Abstract

1. Устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батарее, состоящей из последовательно соединенных модулей, каждый из которых содержит по меньшей мере один аккумулятор, содержащее преобразователь постоянного напряжения в переменное, предназначенный для подключения к выводам аккумуляторной батареи, к выходу которого последовательно синфазно подключены первичные обмотки трансформаторов, число которых равно числу модулей аккумуляторной батареи, вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, дополнительные обмотки всех трансформаторов соединены параллельно синфазно.2. Устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батарее, состоящей из последовательно соединенных модулей, каждый из которых содержит, по меньшей мере один аккумулятор, содержащее синхронизированные между собой преобразователи постоянного напряжения в переменное по числу модулей аккумуляторной батареи, каждый из которых подключен к выводам соответствующего модуля, к выходу каждого преобразователя подключена первичная обмотка трансформатора, а вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, дополнительные обмотки всех трансформаторов соединены параллельно синфазно.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что о�1. Device for leveling the voltage imbalance on the battery, consisting of series-connected modules, each of which contains at least one battery, containing a DC-to-AC converter, designed to connect to the terminals of the battery, to the output of which the primary windings are connected in series in phase transformers, the number of which is equal to the number of battery modules, the secondary windings of each transformer, the number of which is equal to y battery module, are connected to respective inputs of monitoring unit and balancing module voltage of each transformer is provided with a complementary winding, additional windings of the transformers are connected in parallel sinfazno.2. A device for leveling the voltage imbalance on a battery consisting of series-connected modules, each of which contains at least one battery, containing DC-to-AC converters synchronized with each other in the number of battery modules, each of which is connected to the terminals of the corresponding module, the primary winding of the transformer is connected to the output of each converter, and the secondary windings of each transformer, the number of which is equal to the number for the batteries in the module, connected to the inputs of the corresponding module for monitoring and balancing the voltage of the module, each transformer is equipped with an additional winding, additional windings of all transformers are connected in parallel in phase. 3. The device according to claim 2, characterized in that

Description

Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована при разработке и эксплуатации больших литий-ионных аккумуляторных батарей.The utility model relates to the electrical industry and can be used in the development and operation of large lithium-ion batteries.

Техническим результатом полезной модели является упрощение схемы реализации, повышение общей надежности системы за счет повышения надежности отдельных компонентов.The technical result of the utility model is to simplify the implementation scheme, increase the overall reliability of the system by increasing the reliability of individual components.

Известно устройство нивелирования разбаланса напряжений на соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или батареях (RU 2156533 C1 7 H02J 7/00, H02J 7/34), в котором предлагается пассивное выравнивание напряжения отдельных аккумуляторных ячеек аккумуляторной батареи. Однако данное техническое решение энергетически неэффективно, т.к. приводит к непроизводительным потерям энергии. Кроме того, скорость и энергия выравнивания ограничены количеством рассеиваемой при этом энергии.A device for leveling the voltage imbalance on interconnected cells of the battery or batteries (RU 2156533 C1 7 H02J 7/00, H02J 7/34), which offers passive voltage equalization of individual battery cells of the battery. However, this technical solution is energy inefficient, because leads to unproductive energy losses. In addition, the speed and energy of alignment is limited by the amount of energy dissipated in this case.

Известен способ балансировки напряжения отдельных ячеек аккумуляторной батареи (US 2011/0309795 A1), при котором каждая аккумуляторная ячейка снабжена отдельным трансформатором, входная обмотка которого для ячейки с низким потенциалом периодически циклично подключается к источнику постоянного напряжения, а напряжение вторичной обмотки через выпрямительный диод подается на заданную аккумуляторную ячейку. Недостатком данной системы является сложность ее реализации при большом количестве (например, более 15-20) аккумуляторных ячеек в составе батареи.A known method of balancing the voltage of individual cells of the battery (US 2011/0309795 A1), in which each battery cell is equipped with a separate transformer, the input winding of which for a cell with low potential is periodically cyclically connected to a constant voltage source, and the voltage of the secondary winding is supplied through a rectifier diode to preset battery cell. The disadvantage of this system is the difficulty of its implementation with a large number (for example, more than 15-20) of the battery cells in the battery.

Наиболее близким к заявленному является «Батарея химических источников тока» (RU2230418C1, H02J 7/00). Суть изобретения заключается в питании трансформатора с числом вторичных обмоток, равном числу аккумуляторных ячеек в батарее, преобразовании их выходного напряжения в постоянное и, при необходимости, подаче этого напряжения на аккумуляторную ячейку, требующую подзаряда. Недостатком данной системы является, в случае применения в больших аккумуляторных батареях, сложность реализации трансформатора с большим количеством вторичных обмоток, при первичной обмотке, работающей при высоких амплитудах питающего напряжения.Closest to the claimed is the "Battery of chemical current sources" (RU2230418C1, H02J 7/00). The essence of the invention lies in powering the transformer with the number of secondary windings equal to the number of battery cells in the battery, converting their output voltage to constant and, if necessary, supplying this voltage to the battery cell requiring recharging. The disadvantage of this system is, if used in large batteries, the difficulty of implementing a transformer with a large number of secondary windings, with the primary winding operating at high amplitudes of the supply voltage.

Техническим результатом заявленной группы полезных моделей является упрощение конструкции трансформатора, уменьшение потерь в системе балансировки.The technical result of the claimed group of utility models is to simplify the design of the transformer, reducing losses in the balancing system.

Поставленная цель в первом варианте достигается за счет того, что устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батареи, состоящей из последовательно соединенных модулей 1, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один аккумулятор 2, содержит преобразователь постоянного напряжения в переменное 3, предназначенный для подключения к выводам аккумуляторной батареи, к выходу которого последовательно синфазно подключены первичные трансформаторы 5, число которых равно числу модулей 1 аккумуляторной батареи, вторичные обмотки каждого трансформатора 5, число которых равно числу аккумуляторов 2 в модуле 1, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля 4, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой 6, дополнительные обмотки 6 всех трансформаторов 5 соединены параллельно синфазно.The goal in the first embodiment is achieved due to the fact that the device for leveling the voltage imbalance on the battery, consisting of series-connected modules 1, each of which contains at least one battery 2, contains a DC-to-AC converter 3, intended for connections to the battery terminals, to the output of which the primary transformers 5 are connected in series, the number of which is equal to the number of battery modules 1, the secondary The output windings of each transformer 5, the number of which is equal to the number of batteries 2 in module 1, are connected to the inputs of the corresponding monitoring and voltage balancing unit of module 4, each transformer is equipped with an additional winding 6, additional windings 6 of all transformers 5 are connected in parallel in phase.

Во втором варианте устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батареи, состоящей из последовательно соединенных модулей 1, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один аккумулятор, синхронизированные между собой преобразователи постоянного напряжения в переменное 3 по числу модулей аккумуляторной батареи 1, к выходу каждого преобразователя подключена первичная обмотка трансформатора 5, вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения 4 модуля 1, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой 6, дополнительные обмотки 6 всех трансформаторов 5 соединены параллельно синфазно.In the second embodiment, a device for leveling the voltage imbalance on a battery consisting of series-connected modules 1, each of which contains at least one battery, synchronized DC-to-AC converters 3 by the number of battery modules 1, to the output of each the transformer primary winding 5 is connected, the secondary windings of each transformer, the number of which is equal to the number of batteries in the module, are connected to the inputs respectively favoring the node monitoring and balancing voltage 4 of module 1, each provided with an additional winding of the transformer 6, the additional winding 6 of transformer 5 are connected in parallel in phase.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен первый вариант полезной модели, на фиг.2 - второй вариант полезной модели.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a first embodiment of a utility model, and Fig. 2 shows a second embodiment of a utility model.

Аккумуляторная батарея состоит из модулей 1.1-1.m, где m - целое число больше или равно 2, а каждый модуль содержит аккумуляторные ячейки 2, представляющие собой единичный аккумулятор или их параллельное - последовательное соединение, обеспечивающее требуемую емкость и напряжение. Преобразователь постоянного напряжения в переменное 3 запитывается полным постоянным напряжением аккумуляторной батареи и преобразует его в переменное напряжение. К выходам преобразователя 3 последовательно синфазно подключены первичные обмотки трансформаторов 5.1-5.m, вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле 1, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля 4.1-4.m, который осуществляет балансировку напряжений аккумуляторных ячеек через ключи в узле мониторинга и балансировки 4 по командам, формируемым в этом узле. Учитывая симметричность первичных обмоток трансформаторов 5, на холостом ходу на этих обмотках будут равные падения напряжения. При неравномерной загрузке трансформаторов 5, падения напряжения на первичных обмотках изменяются обратно пропорционально нагрузкам. При этом балансирующие токи в наиболее нагруженном трансформаторе существенно уменьшаться, что крайне нежелательно. Чтобы этого избежать, каждый трансформатор 5.1-5.m снабжен дополнительной обмоткой 6.1-6.m. Все дополнительные обмотки 6.1-6.m параллельно синфазно, что обеспечивает выравнивание напряжений первичных обмоток трансформаторов 5.1-5.m при их несимметричной загрузке. Действительно, при уменьшении падения напряжения на первичной обмотке, оно уменьшится и на дополнительной. Тогда в контуре дополнительных обмоток формируется ток, забирающий энергию от трансформаторов с более высокими напряжениями первичных обмоток, и этот процесс приводит к выравниванию напряжений на первичных обмотках всех трансформаторов, обеспечивая расчетный ток балансировки по всем балансировочным каналам.The battery consists of modules 1.1-1.m, where m is an integer greater than or equal to 2, and each module contains battery cells 2, which are a single battery or their parallel - series connection, providing the required capacity and voltage. The DC / AC converter 3 is powered by the full DC voltage of the battery and converts it to AC voltage. The primary windings of transformers 5.1-5.m are connected in series to the outputs of converter 3, the secondary windings of each transformer, the number of which is equal to the number of batteries in module 1, are connected to the inputs of the corresponding monitoring and voltage balancing unit of module 4.1-4.m, which performs voltage balancing battery cells through the keys in the monitoring and balancing node 4 according to the commands generated in this node. Given the symmetry of the primary windings of the transformers 5, at idle on these windings there will be equal voltage drops. When uneven loading of transformers 5, the voltage drop on the primary windings change inversely with the loads. In this case, the balancing currents in the most loaded transformer significantly decrease, which is extremely undesirable. To avoid this, each transformer 5.1-5.m is equipped with an additional winding 6.1-6.m. All additional windings 6.1-6.m are in phase in parallel, which ensures voltage equalization of the primary windings of transformers 5.1-5.m when they are loaded asymmetrically. Indeed, with a decrease in the voltage drop on the primary winding, it will decrease on the additional one. Then, a current is formed in the auxiliary winding circuit, which draws energy from transformers with higher primary winding voltages, and this process leads to equalization of the voltages on the primary windings of all transformers, providing an estimated balancing current for all balancing channels.

Во втором варианте, представленном на фиг.2, преобразователи постоянного напряжения в переменное 3.1-3.m подключаются к выводам каждого модуля 1.1-1.m аккумуляторной батареи, синхронизируются между собой, к выводам каждого преобразователя 3 подключается первичная обмотка соответствующего трансформатора 5.1-5.m, вторичные обмотки каждого трансформатора соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля 4.1-4.m, который осуществляет балансировку напряжений аккумуляторных ячеек через ключи в узле мониторинга и балансировки 4 по командам, формируемым в этом узле. Но напряжения на модулях 1.1-1.m могут иметь различную величину. Для осуществления энергетического обмена между модулями, имеющими разную степень заряда, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой 6.1-6.m, через параллельно синфазное включение которых осуществляется выравнивание напряжений первичных обмоток при дисбалансе напряжений каждого модуля. Т.е. процесс выравнивания напряжений на первичных обмотках трансформаторов протекает аналогично вышеописанному и напряжения на первичных обмотках всех трансформаторов будут равны напряжению первичной обмотки трансформатора модуля с наибольшим зарядом. При этом энергия модуля с более высоким зарядом будет обеспечивать балансировку аккумуляторных ячеек с пониженным зарядом. Полная энергия модуля с более высоким зарядом уменьшается, повышая уровень заряда менее заряженных модулей, что обеспечивает межмодульное выравнивание.In the second embodiment, presented in figure 2, the DC-to-AC converters 3.1-3.m are connected to the terminals of each battery module 1.1-1.m, synchronized with each other, the primary winding of the corresponding transformer 5.1-5 is connected to the terminals of each converter 3 .m, the secondary windings of each transformer are connected to the inputs of the corresponding monitoring and voltage balancing unit of module 4.1-4.m, which performs voltage balancing of the battery cells through the keys in the monitoring node Balancing 4 teams, formed in this node. But the voltage on the modules 1.1-1.m can have a different value. To carry out energy exchange between modules with different degrees of charge, each transformer is equipped with an additional winding 6.1-6.m, through parallel-phase switching of which the voltage equalization of the primary windings is carried out with the voltage imbalance of each module. Those. the process of equalizing the voltage on the primary windings of the transformers proceeds similarly to the above and the voltage on the primary windings of all transformers will be equal to the voltage of the primary winding of the transformer of the module with the highest charge. At the same time, the energy of a module with a higher charge will ensure the balancing of battery cells with a reduced charge. The total energy of a module with a higher charge is reduced, increasing the charge level of less charged modules, which ensures inter-module alignment.

Кроме того, с целью уменьшения времени межмодульной балансировки, увеличения ее точности и уменьшении потерь в сбалансированной батарее, преобразователи постоянного напряжения в переменное 3 в каждом модуле снабжены входом включения-выключения 8, а контроллер 7 снабжен выходными каналами, соединенными с входами включения-выключения 8 соответствующих преобразователей постоянного напряжения в переменное 3, обеспечивая для балансировки потребление энергии только от преобразователей постоянного напряжения в переменное 3 модулей с уровнем заряда выше среднего, или выключая все преобразователи постоянного напряжения в переменное 3 в случае полной сбалансированности элементов аккумуляторной батареи с заданной точностью.In addition, in order to reduce the time of intermodular balancing, increase its accuracy and reduce losses in a balanced battery, DC / AC converters 3 in each module are equipped with an on-off input 8, and the controller 7 is equipped with output channels connected to the on-off inputs 8 corresponding DC-AC to AC 3 converters, providing for balancing the energy consumption only from DC-AC converters 3 modules with level above the average charging or turning off all converters DC to AC 3 in the case of total balancing of the battery cells with a predetermined accuracy.

Claims

1. Устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батарее, состоящей из последовательно соединенных модулей, каждый из которых содержит по меньшей мере один аккумулятор, содержащее преобразователь постоянного напряжения в переменное, предназначенный для подключения к выводам аккумуляторной батареи, к выходу которого последовательно синфазно подключены первичные обмотки трансформаторов, число которых равно числу модулей аккумуляторной батареи, вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, дополнительные обмотки всех трансформаторов соединены параллельно синфазно.1. Device for leveling the voltage imbalance on the battery, consisting of series-connected modules, each of which contains at least one battery, containing a DC-to-AC converter, designed to connect to the terminals of the battery, to the output of which the primary windings are connected in series in phase transformers, the number of which is equal to the number of battery modules, the secondary windings of each transformer, the number of which is equal to y battery module, are connected to the inputs of the respective node module for monitoring and balancing the voltage of each transformer is provided with a complementary winding, additional windings of the transformers are connected in parallel in phase.

2. Устройство для нивелирования разбаланса напряжений на аккумуляторной батарее, состоящей из последовательно соединенных модулей, каждый из которых содержит, по меньшей мере один аккумулятор, содержащее синхронизированные между собой преобразователи постоянного напряжения в переменное по числу модулей аккумуляторной батареи, каждый из которых подключен к выводам соответствующего модуля, к выходу каждого преобразователя подключена первичная обмотка трансформатора, а вторичные обмотки каждого трансформатора, число которых равно числу аккумуляторов в модуле, соединены со входами соответствующего узла мониторинга и балансировки напряжения модуля, каждый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, дополнительные обмотки всех трансформаторов соединены параллельно синфазно.2. Device for leveling the voltage imbalance on the battery, consisting of series-connected modules, each of which contains at least one battery, containing synchronized DC-to-AC converters in the number of battery modules, each of which is connected to the terminals of the corresponding module, the primary winding of the transformer is connected to the output of each converter, and the secondary windings of each transformer, the number of which is equal to lu battery module, are connected to respective inputs of monitoring unit and balancing module voltage of each transformer is provided with a complementary winding, additional windings of the transformers are connected in parallel in phase.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено контроллером, рассчитывающим среднее значение уровня заряда модулей, выявляющим модули с наиболее высоким зарядом и включающим преобразователи постоянного напряжения в переменное этих выявленных модулей, при этом в каждом модуле преобразователь постоянного напряжения в переменное снабжен входом включения-выключения, соединенным с соответствующим выходом контроллера.

3. The device according to claim 2, characterized in that it is equipped with a controller that calculates the average value of the charge level of the modules, detects the modules with the highest charge and incorporates DC-DC converters into AC of these detected modules, while in each module the DC-AC converter equipped with an on-off input connected to the corresponding controller output.