RU2510658C1 - Hierarchical three-level control system for high-voltage battery of electric energy accumulators - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electric engineering and it can be used for manufacturing of high-voltage batteries of electric energy accumulators for transportation and power-generating sectors. In the claimed device in accumulator control units at the low level of battery control besides available transformer channel of active selective balancing there's additional second choke channel of nearby balancing that allows intramodular balancing of accumulators charge under control of the control units at the low and medium control level and simultaneous intramodular balancing by means of transformer channel of selective balancing and accumulating line under control of the battery control unit at the upper control level.

EFFECT: speeding-up of process of charge balancing in accumulators, improving their efficiency factor and degree of complexity.

1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании высоковольтных батарей для нужд транспорта и энергетики.The present invention relates to the field of electrical engineering and can be used to create high-voltage batteries for the needs of transport and energy.

Проблема обеспечения длительного срока службы высоковольтных и энергоемких аккумуляторных батарей, состоящих из большого числа последовательно соединенных аккумуляторов, является актуальной, поскольку даже небольшие различия в характеристиках отдельных аккумуляторов, имеющие место при комплектовании батарей, в процессе эксплуатации приводят к значительному разбалансу в степени заряженности отдельных аккумуляторов. Следствием этого являются снижение уровня отдаваемой емкости батареей в нагрузку, перезаряд и переразряд отдельных элементов с возможностью их переполюсовки, разгерметизации и других необратимых и нежелательных явлений, что в итоге приводит к сокращению срока службы батарей. Одним из решений указанной проблемы является выравнивание разбаланса напряжений между отдельными элементами батареи (электрическими накопителями энергии) путем селективного шунтирования избыточного напряжения отдельных накопителей с помощью резисторов в системе управления батареей с пассивной балансировкой [см. патент РФ на изобретение №2324263, опубл. 27.01.2008 г.].The problem of ensuring the long service life of high-voltage and energy-consuming batteries, consisting of a large number of series-connected batteries, is urgent, since even small differences in the characteristics of individual batteries that occur during the assembly of batteries during operation lead to a significant imbalance in the degree of charge of individual batteries. The consequence of this is a decrease in the level of capacity given by the battery to the load, overcharging and overdischarging of individual elements with the possibility of their reversal, depressurization and other irreversible and undesirable phenomena, which ultimately leads to a reduction in battery life. One solution to this problem is to balance the voltage imbalance between the individual battery cells (electrical energy stores) by selectively shunting the excess voltage of the individual drives using resistors in a passive balanced battery control system [see RF patent for the invention No. 23234263, publ. January 27, 2008].

Однако данное техническое решение энергетически не эффективно, так как приводит к непроизводительным потерям энергии, а также вызывает нежелательный перегрев батареи, поскольку выравнивающая электрическая цепь, как правило, локализована в корпусе батарейных модулей.However, this technical solution is not energetically efficient, as it leads to unproductive energy losses, and also causes undesirable overheating of the battery, since the equalizing electric circuit is usually localized in the housing of the battery modules.

Известна иерархическая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии [см. статью «Особенности построения аппаратуры контроля и защиты высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей для систем электроснабжения космических аппаратов» // Труды НЛП «ВНИИЭМ», 2011, Т.123, №4, с.29-34, авторы М.Ф.Ганзбург, А.И.Груздев, В.И.Трофименко (ОАО «АВЭКС»)].A well-known hierarchical control system for a high-voltage battery of electric energy storage [see article "Features of the construction of control and protection equipment for high-voltage lithium-ion batteries for spacecraft power supply systems" // Proceedings of NLP "VNIIEM", 2011, V.123, No. 4, p.29-34, authors M.F. Ganzburg, A.I. Gruzdev, V.I. Trofimenko (JSC "AVEKS")].

Известная система на нижнем уровне управления содержит модули электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния, а также с устройствами выравнивания, коммутации, контроля и управления, связанными по последовательному каналу связи с модулем измерения тока батареи и контроллером последовательного канала на среднем уровне управления, подключенным по последовательному каналу связи с блоком управления батареей верхнего уровня управления, подключенным к бортовому зарядному устройству (БЗУ). Устройство активного выравнивания на нижнем уровне управления известной системы построено с использованием активной трансформаторной схемы, осуществляющей перераспределение энергии внутри батареи между накопителями модуля и не имеющей таких тепловых потерь энергии как пассивные схемы.The known system at the lower control level contains modules of electric energy storage devices with temperature sensors, blocks for setting identification numbers of storage devices and modules and indicators of their status, as well as alignment, switching, monitoring and control devices connected via a serial communication channel to the battery current measurement module and a serial channel controller at an average control level connected via a serial communication channel with a top-level battery control unit I connected to the on-board charger (BLT). An active equalization device at the lower control level of the known system is constructed using an active transformer circuit that redistributes the energy inside the battery between the module drives and does not have such heat energy losses as passive circuits.

Основным недостатком известной системы является сложность реализации использованного в ней активного метода выравнивания заряда, поскольку трансформатор в известной системе должен иметь на одном сердечнике обмотки по числу накопителей, которое реально не превышает 10-12 шт., в связи с чем остается не решенной проблема межмодульного выравнивания. Кроме того, известная система характеризуется недостаточной степенью интеграции с батареей, не позволившей реализовать на уровне единичных накопителей энергии не только устройство выравнивания, устанавливаемое непосредственно на борнах каждого накопителя, но и устройство контроля и управления для каждого накопителя, установленное в известной системе на боковой поверхности батарейных модулей.The main disadvantage of the known system is the difficulty in implementing the active method of equalizing the charge used in it, since the transformer in the known system must have windings on one core in the number of drives, which really does not exceed 10-12 pcs, and therefore the problem of inter-module alignment remains unsolved . In addition, the known system is characterized by a lack of integration with the battery, which did not allow to implement at the level of individual energy storage devices not only an alignment device installed directly on the bourne of each drive, but also a control and control device for each drive installed in the known system on the side surface of the battery modules.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данному изобретению является иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии по заявке РФ на полезную модель №2012132679 от 30.07.2012 г.By the set of similar essential features, the hierarchical control system for the battery of electric energy storage devices closest to this invention is according to the application of the Russian Federation for utility model No. 20112132679 dated July 30, 2012.

Известная трехуровневая иерархическая система управления запитана от батареи и состоит из микроконтроллерных блоков управления накопителями (БУН) на нижнем уровне управления, подключенных по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам управления модулями (БУМ) накопителей на среднем уровне управления, подключенным по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку управления батареей (БУБ) верхнего уровня управления, связанному с БЗУ и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи и подключенному к соединенным последовательно с батарейными модулями накопителей датчику тока и коммутатору. Блоки БУН известной системы содержат устройство выравнивания заряда и устройство контроля и управления в виде единой конструктивной схемы для каждого накопителя батареи, в которой устройство выравнивания выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя в сквозную накопительную магистраль батареи постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы блоков БУН, подключенные параллельно вторичным обмоткам обратно-ходового накопительного трансформатора, повышающего в сторону накопительной магистрали батареи, с зашунтированными диодами электронными ключами в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Устройство контроля и управления блоков БУН выполнено на основе запитанного от накопителя через повышающий преобразователь напряжения микроконтроллера, подключенного к электронным ключам в первичной и вторичной обмотках трансформатора устройства выравнивания через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, запитанные от повышающего преобразователя напряжения. Первичная обмотка трансформатора соединена с борном «+» соответствующего накопителя через плавкий предохранитель и датчик тока и через электронный ключ - с борном «-» накопителя и общим проводом повышающего преобразователя напряжения, микроконтроллера и драйверов управления электронными ключами устройства выравнивания. Выходы датчика тока, датчика температуры и борн «+» накопителя подключены к шине измерительных сигналов микроконтроллера, к шине разовых команд которого подключены блок задания идентификационного номера накопителя, индикатор состояния накопителя и компараторы верхнего и нижнего уровней, подключенные к накопительной магистрали батареи через самовосстанавливающийся предохранитель. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блоков БУН подключены через устройства гальванической развязки к внутримодульному последовательному каналу связи, подключенному к соответствующему блоку БУМ среднего уровня управления, соединенному с клеммами «+» и «-» соответствующего модуля накопителей, а также с клеммами «+» и «-» накопительной магистрали батареи.The well-known three-level hierarchical control system is battery-powered and consists of microcontroller drive control units (BUN) at the lower control level, connected via an intramodular serial communication channel with galvanic isolation to the corresponding microcontroller control units (BOOM) of drives at the middle control level, connected via intermodular serial communication channel with galvanic isolation to the microcontroller battery control unit (BUB) of the upper level Control AEs associated with the BSC and the external computer through the galvanically isolated serial link and connected to the series with the battery modules drives a current sensor and switch. The BUN units of the known system comprise a charge balancing device and a monitoring and control device in the form of a single structural scheme for each battery drive, in which the equalization device is designed as a bi-directional energy transfer device from a separate drive to the through storage DC bus and vice versa, containing parallel connected capacitors of BUN units connected in parallel to the secondary windings of a reverse-drive storage transformer, increasing in the side Well accumulative battery line with shunt diodes electronic switches in the primary and secondary windings of the transformer. The device for monitoring and controlling the BUN units is made on the basis of a microcontroller powered from a drive through a step-up voltage converter, connected to electronic keys in the primary and secondary windings of the transformer of the alignment device through the driver and galvanically isolated driver, respectively, powered from the step-up voltage converter. The primary winding of the transformer is connected to the Boron “+” of the corresponding drive through a fuse and a current sensor and through an electronic key to the Boron “-” of the drive and the common wire of the step-up voltage converter, microcontroller and electronic key control drivers of the alignment device. The outputs of the current sensor, temperature sensor, and the drive “+” drive are connected to the microcontroller measuring signal bus, to the one-time command bus of which the drive identification number setting unit, the drive status indicator, and upper and lower level comparators connected to the battery storage line through a self-resetting fuse are connected. The outputs of the serial interface of the microcontroller of the BUN units are connected via galvanic isolation devices to the intramodular serial communication channel connected to the corresponding medium-level control unit BOOM connected to the “+” and “-” terminals of the corresponding drive module, as well as to the “+” and “- terminals »Battery storage line.

Недостатком известной системы, выбранной в качестве прототипа, является недостаточная скорость выравнивания заряда, поскольку энергию от выбранных накопителей приходится передавать вначале в накопительную магистраль батареи, а только потом обратно в выбранные накопители, что возможно только под управлением микроконтроллеров верхних уровней управления. Кроме того, известная система имеет низкий коэффициент полезного действия (кпд) процесса перераспределения энергии между накопителями.A disadvantage of the known system selected as a prototype is the insufficient charge equalization speed, since the energy from the selected drives must first be transferred to the battery storage line, and only then back to the selected drives, which is only possible under the control of microcontrollers of the upper control levels. In addition, the known system has a low efficiency (efficiency) of the process of redistribution of energy between drives.

Перед заявленным изобретением была поставлена задача ускорения процессов выравнивания заряда между накопителями батареи с тем, чтобы, например, к моменту окончания заряда батареи от зарядного устройства выравнивание заряда было завершено, и повышения кпд и надежности работы системы по выравниванию заряда между накопителями батареи.The claimed invention was tasked with accelerating the processes of equalizing the charge between the battery drives, so that, for example, by the time the battery is charged from the charger, the charge balancing has been completed, and the efficiency and reliability of the system for equalizing the charge between the battery drives are improved.

Поставленная задача решается тем, что предложена иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая микроконтроллерные блоки БУН на нижнем уровне управления, подключенные по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам БУМ на среднем уровне управления, подключенным по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку БУБ верхнего уровня управления, связанному с бортовым зарядным устройством (БЗУ) и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи и подключенному к соединенным последовательно с батарейными модулями накопителей датчику тока и коммутатору. Блоки БУН содержат устройство выравнивания заряда и устройство контроля и управления в виде единой конструктивной схемы для каждого накопителя батареи, в которой устройство выравнивания выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя в сквозную накопительную магистраль батареи постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы блоков БУН, подключенные параллельно вторичным обмоткам обратно-ходового накопительного трансформатора, повышающего в сторону накопительной магистрали батареи, с зашунтированными диодами электронными ключами в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Устройство контроля и управления блоков БУН выполнено на основе запитанного от накопителя через повышающий преобразователь напряжения микроконтроллера, подключенного к электронным ключам в первичной и вторичной обмотках трансформатора через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, запитанные от повышающего преобразователя напряжения. Первичная обмотка трансформатора соединена с борном «+» соответствующего накопителя через плавкий предохранитель и датчик тока и через электронный ключ - с борном «-» накопителя и общим проводом повышающего преобразователя напряжения, микроконтроллера и драйверов управления электронными ключами устройства выравнивания. Выходы датчика тока, датчика температуры и борн «+» накопителя подключены к шине измерительных сигналов микроконтроллера, к шине разовых команд которого подключены блок задания идентификационного номера накопителя, индикатор состояния накопителя и компараторы верхнего и нижнего уровней, подключенные к накопительной магистрали батареи через самовосстанавливающийся предохранитель. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блоков БУН подключены через устройства гальванической развязки к внутримодульному последовательному каналу связи, подключенному к соответствующему блоку БУМ среднего уровня управления, соединенному с клеммами «+» и «-» соответствующего модуля накопителей, а также с выводами «+» и «-» накопительной магистрали батареи.The problem is solved in that a hierarchical three-level control system for a high-voltage battery of electric energy storage devices is proposed, powered by a battery and containing BUN microcontroller units at the lower control level, connected via an intramodular serial communication channel with galvanic isolation to the corresponding BOOM microcontroller blocks at an average control level connected via an intermodular serial communication channel with galvanic isolation to the microcontroller unit the BUB of the upper control level connected with the on-board charger (BZU) and the external computer via a galvanically isolated serial communication channel and connected to the current sensor and switch connected in series with the battery modules of the drives. The BUN blocks contain a charge balancing device and a monitoring and control device in the form of a single structural scheme for each battery drive, in which the equalization device is made in the form of a bi-directional energy transfer device from a separate drive to the through storage path of a DC battery and vice versa, containing parallel connected capacitors of the blocks BUN connected in parallel to the secondary windings of a reverse-drive storage transformer, increasing towards the storage Battery agistrali with shunt diodes electronic keys in the primary and secondary windings of the transformer. The device for monitoring and controlling the BUN units is based on a microcontroller powered from a drive through a step-up voltage converter, connected to electronic keys in the transformer primary and secondary windings through a driver and a galvanically isolated driver, respectively, powered from a step-up voltage converter. The primary winding of the transformer is connected to the Boron “+” of the corresponding drive through a fuse and a current sensor and through an electronic key to the Boron “-” of the drive and the common wire of the step-up voltage converter, microcontroller and electronic key control drivers of the alignment device. The outputs of the current sensor, temperature sensor, and the drive “+” drive are connected to the microcontroller measuring signal bus, to the one-time command bus of which the drive identification number setting unit, the drive status indicator, and upper and lower level comparators connected to the battery storage line through a self-resetting fuse are connected. The outputs of the serial interface of the microcontroller of the BUN units are connected through galvanic isolation devices to the intramodular serial communication channel connected to the corresponding medium-level control unit BOOM connected to the “+” and “-” terminals of the corresponding drive module, as well as to the “+” and “- terminals »Battery storage line.

Новым в предложенной системе является то, что в устройство выравнивания блоков БУН системы введен второй канал активного соседнего выравнивания на основе накопительного дросселя, подключенного одним выводом через датчик тока дросселя к борну «-» накопителя, а другим - к выходу запитанного от преобразователя напряжения и управляемого от микроконтроллера полумостового драйвера со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя через датчик тока и плавкий предохранитель, а с другого - к борну «-» соседнего накопителя и к шине измерительных сигналов микроконтроллера, подключенной к выходу датчика тока накопительного дросселя.What is new in the proposed system is that a second channel of active neighboring alignment is introduced into the alignment device for BUN system blocks based on a storage choke connected by one output through the choke current sensor to the “-” drive boron, and the other to the output of the voltage supplied from the converter and controlled from the microcontroller of the half-bridge driver with built-in and shunted diodes electronic keys connected from one shoulder of the half-bridge to the drive “+” through the current sensor and fuse anitel, and the other - to Born "-" adjacent to the bus drive and measurement signals microcontroller connected to the output of the storage inductor current sensor.

Технический результат заявленного изобретения состоит в ускорении процессов выравнивания заряда в накопителях и повышении их кпд и надежности.The technical result of the claimed invention consists in accelerating the processes of equalization of the charge in the drives and increasing their efficiency and reliability.

На фиг.1 представлена функциональная блок-схема заявленной иерархической трехуровневой системы управления высоковольтной батареи электрических накопителей энергии.Figure 1 presents a functional block diagram of the claimed hierarchical three-level control system for a high-voltage battery of electric energy storage devices.

Заявленная система содержит модули 1 последовательно соединенных накопителей 2 с датчиками температуры 3 и устройствами выравнивания заряда на основе трансформаторной схемы 4, связанной с соответствующим устройством контроля и управления 5, подключенным с помощью внутримодульного последовательного канала связи 6 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) и межмодульного последовательного канала связи 8 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) к блоку БУБ 9 подключенному к соединенным последовательно с модулями 1 накопителей 2 датчику тока 10, коммутатору 11 и БЗУ 12, подключенному к внешней трехфазной сети переменного тока через выводы 13. Выходы последовательного интерфейса блока БУБ 9 подключены через устройство гальванической развязки (на чертеже не показано) к последовательному каналу связи 14 с внешней ЭВМ и БЗУ 12. Модули 1 электрических накопителей энергии содержат блоки 15 задания идентификационных номеров модулей и установленных в них накопителей и индикатора 16 состояния модулей 1 накопителей 2 батареи. Устройство выравнивания 4 и устройство контроля и управления 5 выполнены для каждого накопителя 2 батареи в виде единой конструктивной схемы управления нижнего уровня - блока БУН 17, в котором устройство выравнивания 4 выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя 2 в специально созданную накопительную магистраль 18 постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы 19 блоков БУН 17, подключенные параллельно вторичным обмоткам накопительного трансформатора 20, выполненного по типу трансформатора обратно-ходового преобразователя напряжения, повышающего в сторону накопительной магистрали 18 батареи, с зашунтированными диодами 21 электронными ключами 22 в первичной и вторичной цепях трансформатора 20. Устройство контроля и управления 5 блока БУН 17 выполнено на основе запитанного от накопителя 2 через повышающий преобразователь напряжения 23 микроконтроллера 24, подключенного к электронным ключам 22 в первичной и вторичной цепях накопительного трансформатора 20 устройства выравнивания 4 через драйвер 25 и драйвер с гальванической развязкой 26, запитанные от повышающего преобразователя напряжения 23. Первичная обмотка трансформатора 20 блока БУН 17 соединена с борном «+» соответствующего накопителя 2 через плавкий предохранитель 27 и датчик тока 28 и через электронный ключ 22 - с выводом «-» накопителя 2 и общим проводом преобразователя напряжения 23, микроконтроллера 24 и драйверов 25, 26 управления ключами 22. Выходы датчика тока 28, датчика температуры 3 и борн «+» накопителя 2 подключены к шине 29 измерительных сигналов микроконтроллера 24 блока БУН 17, к шине разовых команд 30 которого подключены блок задания 15 идентификационного номера накопителя 2, индикатор состояния 16 накопителя 2 и компараторы верхнего 31 и нижнего 32 уровня, подключенные к накопительной магистрали 18 батареи через самовосстанавливающийся предохранитель 33. Выходы последовательного интерфейса микроконтроллера 24 блоков БУН 17 подключены через устройства гальванической развязки (на чертеже не показаны) к внутримодульному последовательному каналу связи 6, подключенному к блоку БУМ 7 среднего уровня управления батареей. Устройство выравнивания заряда 4 содержит также второй канал соседнего выравнивания на основе накопительного дросселя 34, подключенного одним выводом через датчик тока 35 дросселя 34 к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей 2, а другим к выходу запитанного от преобразователя напряжения 23 и управляемого от микроконтроллера 24 полумостового драйвера 36 со схемой управления 37, а также со встроенными и зашунтированными диодами 21 электронными ключами 22, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя 2 через датчик тока 28 и плавкий предохранитель 27, а с другого - к борну «-» соседнего накопителя 2 и к шине измерительных сигналов 29 микроконтроллера 24, подключенного к выходу датчика тока 35 накопительного дросселя 34.The claimed system comprises modules 1 of serially connected storage devices 2 with temperature sensors 3 and charge balancing devices based on a transformer circuit 4 connected to a corresponding control and control device 5 connected via an intramodular serial communication channel 6 with galvanic isolation (not shown in the drawing) and intermodular serial communication channel 8 with galvanic isolation (not shown in the drawing) to the block BUB 9 connected to connected in series with the modules 1 nako 2 of the current sensor 10, the switch 11 and the BZU 12 connected to an external three-phase AC network via terminals 13. The outputs of the serial interface of the BUB 9 are connected via a galvanic isolation device (not shown in the drawing) to the serial communication channel 14 with an external computer and a BZU 12. Modules 1 of electric energy storage devices contain blocks 15 for specifying the identification numbers of the modules and the drives installed in them and indicator 16 of the status of modules 1 of storage devices 2 of the battery. The alignment device 4 and the control and management device 5 are made for each battery drive 2 in the form of a single constructive control circuit of the lower level - the BUN 17 unit, in which the alignment device 4 is made in the form of a bi-directional energy transfer device from a separate drive 2 to a specially created storage line 18 DC and vice versa, containing parallel-connected capacitors 19 of the BUN 17 blocks connected in parallel to the secondary windings of the storage transformer 20, made type of transformer of a reverse-voltage converter, increasing the batteries towards the storage line 18, with diodes 21 electronic keys 22 in the primary and secondary circuits of the transformer 20. The monitoring and control device 5 of the BUN 17 unit is made on the basis of the voltage supplied from the drive 2 through a step-up converter 23 of the microcontroller 24 connected to the electronic keys 22 in the primary and secondary circuits of the storage transformer 20 of the alignment device 4 through the driver 25 and the driver with by alvanic isolation 26, powered from a voltage boost converter 23. The primary winding of the transformer 20 of the BUN block 17 is connected to the “+” boron of the corresponding drive 2 through a fuse 27 and a current sensor 28 and through an electronic switch 22 to the “-” terminal of drive 2 and the common the wire of the voltage Converter 23, the microcontroller 24 and the drivers 25, 26 key management 22. The outputs of the current sensor 28, temperature sensor 3 and the Bourne "+" drive 2 are connected to the bus 29 of the measuring signals of the microcontroller 24 of the block BUN 17, to the bus are one-time 30 teams of which the task unit 15 of drive identification number 2 is connected, the status indicator 16 of drive 2 and the upper 31 and lower 32 level comparators connected to the battery storage line 18 via a self-healing fuse 33. The outputs of the microcontroller 24 microcontroller serial interface 24 are connected via galvanic isolation devices (not shown) to the intramodular serial communication channel 6, connected to the block BOOM 7 mid-level battery control. The charge balancing device 4 also contains a second channel of adjacent equalization based on the accumulator choke 34, connected by one output through the current sensor 35 of the choke 34 to the “-” burner of the drive, which is the point of serial connection of two adjacent drives 2, and the other to the output of voltage 23 supplied from the converter and a half-bridge driver 36 controlled by microcontroller 24 with a control circuit 37, as well as with built-in and shunted diodes 21 electronic keys 22 connected to one half-arm half-bridge this goes to the “+” burner of drive 2 through the current sensor 28 and the fuse 27, and from the other to the “-” burner of the neighboring drive 2 and to the measuring signal bus 29 of the microcontroller 24 connected to the output of the current sensor 35 of the storage inductor 34.

Заявленная иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареи электрических накопителей энергии работает следующим образом.The claimed hierarchical three-level control system for a high-voltage battery of electric energy storage devices works as follows.

В режиме заряда батареи от высоковольтного источника постоянного тока, подключенного к внешним клеммам батареи «+» и «-», или от БЗУ 12, подключаемого к внешней сети переменного тока через выводы 13, зарядный ток проходит через все последовательно соединенные накопители 2, конструктивно объединенные в модули 1, от клеммы «+» до клеммы «-» модулей и всей батареи, что распознается блоком БУБ 9 с помощью датчика тока 10. Микроконтроллеры 24 блоков БУН 17, запитанные от повышающих преобразователей напряжения 23, одновременно измеряют и постоянно контролируют величину напряжения на каждых двух соседних накопителях 2 модулей 1 через шину измерительных сигналов 29 с помощью встроенного в микроконтроллер 24 АЦП и передают полученную информацию и свой идентификационный номер, задаваемый блоком 15, через шину разовых команд 30, по последовательным каналам связи 6 и 8 через блок БУМ 7 в блок БУБ 9. При выходе величины напряжения на любом единичном накопителе 2 за допустимые пределы, хранящиеся в качестве уставок в памяти микроконтроллерного блока БУБ 9, последний разрывает зарядную цепь батареи с помощью коммутатора 11. Выравнивающее устройство 4 блоков БУН 17 под управлением микроконтроллеров 24 и блоков БУМ 7 может осуществлять внутримодульное выравнивание напряжения с помощью механизма дроссельного соседнего выравнивания, перераспределяя энергию между соседними накопителями 2 модуля 1 по результатам текущих измерений напряжений на соседних накопителях 2, осуществляемых микроконтроллером 24 и обрабатываемых блоком БУМ 7. Кроме того, выравнивающее устройство 4 блоков БУН 17 под управлением микроконтроллеров 24 и блока БУБ 9 может одновременно осуществлять межмодульное выравнивание напряжения, перераспределяя энергию между модулями 1 накопителей с помощью механизма трансформаторного селективного выравнивания напряжений на накопителях модулей и двунаправленной передачи энергии в накопительную магистраль батареи. При этом могут быть учтены накопленные при эксплуатации батареи статистические данные о качестве отдельных ее накопителей. Более подробно выравнивающее устройство 4 работает следующим образом. В случае превышения напряжения на каком-либо накопителе 2 относительно соседнего накопителя 2 батареи микроконтроллер 24 через схему управления 37 драйвера 36 замыкает соответствующий ключ 22 и обеспечивает передачу энергии с кпд около 90% с более заряженного накопителя 2 в дроссель 34 и далее после размыкания ключа 22 - в менее заряженный накопитель 2 через соответствующий диод 21. При этом для предотвращения насыщения дросселя 34 микроконтроллер 24 измеряет ток, протекающий через дроссель 34, и в случае превышения заданных значений изменяет соответствующим образом параметры управляющего драйвером 36 ШИМ-сигнала. Механизм активного трансформаторного межмодульного выравнивания работает следующим образом. В случае превышения среднего значения напряжений накопителей какого-либо модуля 1 относительно других модулей батареи, выявленного микроконтроллерным блоком БУБ 9, последний выдает команду по последовательному каналу связи 8 в соответствующий блок БУМ 7, которая перетранслируется микроконтроллером этого блока по последовательному каналу связи 6 в соответствующий микроконтроллер 24 блока БУН 17. Микроконтроллер 24 через драйвер 25 замыкает ключ 22 ШИМ-сигналом на время, соответствующее величине разбаланса, одновременно контролируя ток в первичной обмотке трансформатора 20 через шину измерительных сигналов 29 с помощью датчика тока 28. При замыкании ключа 22 к первичной обмотке накопительного трансформатора 20 прикладывается напряжение выбранного накопителя 2, и в трансформаторе 20 начинает нарастать магнитный поток и, следовательно, накапливается энергия. При запирании электронного ключа 22 и отключении первичной обмотки трансформатора 20 от соответствующего накопителя 2 ток через первичную обмотку трансформатора 20 резко уменьшается, наводя в его вторичной обмотке ЭДС, отпирающую соответствующий диод 21. Во вторичной обмотке трансформатора 20 начинает протекать ток, который заряжает конденсатор 19 накопительной магистрали 18 батареи. За счет изменения временных параметров ШИМ-сигнала в первичной цепи трансформатора 20 можно управлять величиной энергии в накопительной магистрали 18. Таким образом осуществляется передача энергии с кпд около 70% от выбранного накопителя 2 батареи в накопительную магистраль 18. В случае снижения среднего напряжения в модуле относительно других модулей механизм селективной передачи энергии запускается в обратном направлении для обеспечения дозаряда выбранного накопителя. Микроконтроллер 24 замыкает ключ 22 через драйвер 26 во вторичной цепи трансформатора 20, после размыкания которого наводится ЭДС в первичной обмотке трансформатора 20, открывается соответствующий диод 21, и запасенная в накопительном трансформаторе 20 энергия передается выбранному накопителю 2, повышая напряжение на нем. Если оказалось, что накопительная магистраль 18 разряжена, это будет обнаружено блоками БУМ 7 и БУБ 9, а также микроконтроллерами 24 блоков БУН 17 с помощью компараторов 32 нижнего уровня. Схемы выравнивания 4 блоков БУН 17 при этом будут передавать энергию от наиболее заряженных накопителей 2 в накопительную магистраль 18 до установления в ней напряжения в допустимых границах, величины которых хранятся в качестве уставок в энергонезависимой памяти блока БУБ 9. Если же в процессе балансировки напряжение в накопительной магистрали 18 превысит верхний пороговый уровень, сработают компараторы 31 в блоках БУН 17, и микроконтроллеры 24 прекратят выполнять передачу энергии в накопительную магистраль 18, а получив соответствующую команду от блока БУБ 9, могут перейти к режиму передачи энергии в накопители 2, разряжая тем самым накопительную магистраль 18 и уменьшая напряжение в ней. В режиме разряда батареи ток течет через батарею в противоположном заряду направлении, отдавая энергию батареи в нагрузку. При этом продолжают работать механизмы селективного и соседнего выравнивания напряжения по результатам измерений на нижнем уровне управления и обработки этой информации на верхнем уровне. Если происходит переразряд какого-либо накопителя 2, то блок БУБ 9, получив об этом информацию от соответствующего микроконтроллера 24 нижнего уровня управления, разрывает силовую цепь нагрузки с помощью коммутатора 11, а соответствующее устройство выравнивания 4 под управлением микроконтроллера 24 будет вести контролируемую передачу энергии в данный накопитель из общей накопительной магистрали 18. В режиме хранения энергии ток в силовой цепи батареи отсутствует. При этом может одновременно производиться как внутримодульное, так и межмодульное выравнивание напряжений на накопителях батареи с помощью описанных механизмов выравнивания. В любом из режимов работы блоки БУН 17 осуществляют измерение температуры соответствующих накопителей 2 на одном из его борнов с помощью датчиков температуры 3 по шине измерительных сигналов 29 и передают измеренные значения по последовательному каналу связи 6 в блок БУМ 7, который осуществляет терморегуляцию в модулях накопителей (на чертеже не показана). В случае перегрева или переохлаждения накопителей 2 микроконтроллеры 24 и блоки БУМ 7 и БУБ 9 выдают соответствующую информацию по последовательным каналам связи 6, 8 и 14 во внешнюю ЭВМ. Эта информация содержит также данные о числе накопителей в модулях и числе модулей в батарее, данные о состоянии накопителей, величинах напряжений на модулях и батарее, наличии аварийных ситуаций в батарее (перегрев, перезаряд, переразряд, отказы микроконтроллеров и т.д.). В качестве полумостового драйвера 36 со встроенными электронными ключами может быть использована микросхема IR 3553 MPBF (International Rectifier).In the battery charge mode from a high-voltage DC source connected to external battery terminals “+” and “-”, or from a BZU 12 connected to an external AC network via terminals 13, the charging current passes through all series-connected drives 2, structurally combined into modules 1, from the “+” terminal to the “-” terminal of the modules and the entire battery, which is recognized by the BUB 9 unit using the current sensor 10. The microcontrollers 24 of the BUN 17 units, powered from the step-up voltage converters 23, simultaneously measure and constantly monitor voltage on each two adjacent drives 2 of modules 1 is measured via the measuring signal bus 29 using the ADC built into the microcontroller 24 and transmitting the received information and its identification number specified by block 15 through the bus of one-time commands 30 through serial communication channels 6 and 8 through the BOOM 7 unit to the BUB 9 unit. When the voltage on any single drive 2 goes beyond the permissible limits stored as settings in the memory of the BUB 9 microcontroller unit, the latter breaks the battery charging circuit with by the switch 11. Leveling device 4 of BUN 17 blocks under control of microcontrollers 24 and BOOM 7 blocks can carry out intramodular voltage equalization using the neighboring throttle equalization mechanism, redistributing energy between neighboring drives 2 of module 1 according to the results of current voltage measurements on neighboring drives 2 carried out by the microcontroller 24 and processed by the BOOM unit 7. In addition, the leveling device 4 of the BUN units 17 under the control of microcontrollers 24 and the BUB unit 9 can be one TERM intermodular perform voltage leveling, redistributing energy between modules 1 drives via selective alignment mechanism transformer voltages Storage modules and bidirectional energy transfer in a storage battery line. In this case, statistical data on the quality of its individual drives accumulated during battery operation can be taken into account. In more detail, the alignment device 4 operates as follows. In case of excess voltage on any drive 2 relative to the neighboring drive 2 of the battery, the microcontroller 24 closes the corresponding key 22 through the control circuit 37 of the driver 36 and ensures the transfer of energy from the efficiency of about 90% from the more charged drive 2 to the inductor 34 and then after opening the key 22 - to a less charged drive 2 through the corresponding diode 21. In this case, to prevent saturation of the inductor 34, the microcontroller 24 measures the current flowing through the inductor 34, and if the specified values are exceeded, changes accordingly stvuyuschim way driver 36 of the control parameters of the PWM signal. The mechanism of active transformer intermodular alignment works as follows. If the average voltage value of the drives of any module 1 is exceeded relative to other battery modules detected by the BUB 9 microcontroller unit, the latter issues a command via the serial communication channel 8 to the corresponding BOOM 7 unit, which is redirected by the microcontroller of this unit through the serial communication channel 6 to the corresponding microcontroller 24 block BUN 17. The microcontroller 24 through the driver 25 closes the key 22 with a PWM signal for a time corresponding to the value of the imbalance, while simultaneously controlling the current in the primary winding of the transformer 20 through the measuring signal bus 29 using a current sensor 28. When the key 22 is closed, the voltage of the selected drive 2 is applied to the primary winding of the storage transformer 20, and the magnetic flux begins to increase in the transformer 20 and, therefore, energy is accumulated. When locking the electronic key 22 and disconnecting the primary winding of the transformer 20 from the corresponding drive 2, the current through the primary winding of the transformer 20 decreases sharply, inducing an EMF in its secondary winding, unlocking the corresponding diode 21. A current starts to flow in the secondary winding of the transformer 20, which charges the storage capacitor 19 Highway 18 batteries. By changing the time parameters of the PWM signal in the primary circuit of the transformer 20, it is possible to control the amount of energy in the storage line 18. In this way, energy is transferred from an efficiency of about 70% of the selected drive 2 of the battery to the storage line 18. In the case of a decrease in the average voltage in the module relative to of other modules, the mechanism of selective energy transfer starts in the opposite direction to ensure the charge of the selected drive. The microcontroller 24 closes the key 22 through the driver 26 in the secondary circuit of the transformer 20, after opening which the EMF is induced in the primary winding of the transformer 20, the corresponding diode 21 opens, and the energy stored in the storage transformer 20 is transmitted to the selected drive 2, increasing the voltage on it. If it turned out that the storage line 18 is discharged, this will be detected by the BOOM 7 and BUB 9 units, as well as by the microcontrollers 24 of the BUN 17 units using the lower level comparators 32. Alignment schemes of 4 blocks of BUN 17 in this case will transfer energy from the most charged drives 2 to the storage line 18 until the voltage is established within it within acceptable limits, the values of which are stored as settings in the non-volatile memory of the BUB 9. If, however, during the balancing process, the voltage in the storage the line 18 will exceed the upper threshold level, the comparators 31 in the BUN units 17 will work, and the microcontrollers 24 will stop transmitting energy to the storage line 18, and having received the corresponding coma Bub row from the block 9 can move to the energy storage in the transmission mode 2, thereby discharging a storage line 18 and reducing the stress therein. In battery discharge mode, current flows through the battery in the opposite direction to the charge, transferring battery power to the load. At the same time, mechanisms of selective and neighboring voltage equalization according to the results of measurements at the lower control level and processing of this information at the upper level continue to work. If there is a overdischarge of any drive 2, then the BUB 9 unit, having received information about it from the corresponding microcontroller 24 of the lower control level, breaks the load circuit using the switch 11, and the corresponding equalization device 4 under the control of the microcontroller 24 will conduct a controlled energy transfer to this drive is from the common storage line 18. In the energy storage mode, there is no current in the battery power circuit. In this case, both intra-module and inter-module voltage equalization on the battery drives can be simultaneously performed using the described alignment mechanisms. In any of the operating modes, the BUN 17 units measure the temperature of the respective drives 2 on one of its born using temperature sensors 3 via the bus of the measuring signals 29 and transmit the measured values via the serial communication channel 6 to the BOOM 7 unit, which performs thermal regulation in the storage modules ( not shown in the drawing). In the event of overheating or overcooling of the drives 2, the microcontrollers 24 and the blocks BOOM 7 and BUB 9 give the corresponding information via serial communication channels 6, 8 and 14 to an external computer. This information also contains data on the number of drives in the modules and the number of modules in the battery, data on the state of the drives, the voltage values on the modules and the battery, the presence of emergency situations in the battery (overheating, overcharging, overdischarge, microcontroller failures, etc.). As a half-bridge driver 36 with integrated electronic keys, an IR 3553 MPBF (International Rectifier) chip can be used.

Claims (1)

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая микроконтроллерные блоки управления накопителями на нижнем уровне управления, подключенные по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам управления модулями накопителей на среднем уровне управления, подключенным по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку управления батареей верхнего уровня управления, связанному с бортовым зарядным устройством и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи и подключенному к соединенным последовательно с батарейными модулями накопителей датчику тока и коммутатору, блоки управления накопителями которой содержат устройство выравнивания заряда и устройство контроля и управления в виде единой конструктивной схемы для каждого накопителя батареи, в которой устройство выравнивания выполнено в виде устройства двунаправленной передачи энергии от отдельного накопителя в сквозную накопительную магистраль батареи постоянного тока и обратно, содержащую параллельно соединенные конденсаторы блоков управления накопителями, подключенные параллельно вторичным обмоткам обратно-ходового накопительного трансформатора, повышающего в сторону накопительной магистрали, с зашунтированными диодами электронными ключами в первичной и вторичной обмотках трансформатора, устройство контроля и управления блоков управления накопителями выполнено на основе запитанного от накопителя через повышающий преобразователь напряжения микроконтроллера, подключенного к электронным ключам в первичной и вторичной обмотках трансформатора устройства выравнивания через драйвер и драйвер с гальванической развязкой соответственно, запитанные от повышающего преобразователя напряжения, первичная обмотка трансформатора соединена с борном «+» соответствующего накопителя через плавкий предохранитель и датчик тока и через электронный ключ - с борном «-» накопителя и общим проводом повышающего преобразователя напряжения, микроконтроллера и драйверов управления электронными ключами устройства выравнивания, выходы датчика тока, датчика температуры и борн «+» накопителя подключены к шине измерительных сигналов микроконтроллера, к шине разовых команд которого подключены блок задания идентификационного номера накопителя, индикатор состояния накопителя и компараторы верхнего и нижнего уровней, подключенные к накопительной магистрали батареи через самовосстанавливающийся предохранитель, выходы последовательного интерфейса микроконтроллера блоков управления накопителями подключены через устройства гальванической развязки к внутримодульному последовательному каналу связи, подключенному к соответствующему блоку управления модулем среднего уровня управления, соединенному с клеммами «+» и «-» соответствующего модуля накопителей, а также с выводами «+» и «-» накопительной магистрали батареи, отличающаяся тем, что в устройство выравнивания блоков управления накопителями системы введен второй канал активного выравнивания на основе накопительного дросселя, подключенного одним своим выводом через датчик тока дросселя к борну «-» накопителя, являющегося точкой последовательного соединения двух смежных накопителей, а другим - к выходу запитанного от преобразователя напряжения и управляемого от микроконтроллера полумостового драйвера со встроенными и зашунтированными диодами электронными ключами, подключенными с одного плеча полумоста к борну «+» накопителя через датчик тока и плавкий предохранитель, а с другого к борну «-» соседнего накопителя и к шине измерительных сигналов микроконтроллера, подключенной к выходу датчика тока накопительного дросселя. A hierarchical three-level control system for a high-voltage battery of electric energy storage devices, powered by a battery and containing microcontroller control units for drives at the lower control level, connected via an intramodular serial communication channel with galvanic isolation to the corresponding microcontroller control units for storage modules at an average control level connected via an intermodular serial channel connection with galvanic isolation to microcontroller unit the control window of the upper control battery connected to the on-board charger and external computer via a galvanically isolated serial communication channel and connected to the current sensor and switch connected in series with the battery modules of the drives, the drive control units of which contain a charge balancing device and a control and monitoring device in the form a single design for each battery drive, in which the alignment device is designed as a bi-directional device transferring energy from a separate drive to the through-pass storage line of the DC battery and vice versa, containing parallel-connected capacitors of the drive control units, connected in parallel to the secondary windings of the reverse-drive storage transformer, increasing towards the storage line, with electronic keys in the primary and secondary windings shunted by diodes transformer, the control and management device for drive control units is based on a powered from the drive through the step-up voltage converter of the microcontroller connected to the electronic keys in the primary and secondary windings of the transformer of the alignment device through the driver and the driver with galvanic isolation, respectively, powered from the step-up voltage converter, the primary winding of the transformer is connected to the “+” boron of the corresponding drive through a fuse and current sensor and through an electronic key - with a boron “-” drive and a common wire of a voltage boost converter of the microcontroller and electronic key management drivers for the alignment device, the outputs of the current sensor, temperature sensor, and the “+” drive of the drive are connected to the measuring signal bus of the microcontroller, to the one-time command bus of which the drive identification number setting unit, drive status indicator, and upper and lower comparators are connected levels connected to the battery storage line through a resettable fuse, outputs of the microcontroller serial interface block drive control devices are connected via galvanic isolation devices to the intramodular serial communication channel connected to the corresponding control unit of the mid-level control module connected to the “+” and “-” terminals of the corresponding drive module, as well as to the “+” and “-” terminals of the storage line batteries, characterized in that in the alignment device of the drive control units of the system a second active alignment channel is introduced based on a storage choke connected by one they output through the throttle current sensor to the “-” burner of the drive, which is the point of serial connection of two adjacent drives, and the other to the output of the half-bridge driver powered by the voltage converter and controlled by the microcontroller with integrated electronic keys and shunted diodes connected from one shoulder of the half-bridge to the “+” burner of the drive through the current sensor and fuse, and from the other to the “-” boron of the neighboring drive and to the microcontroller measuring signal bus connected to the output an ode to the accumulator choke current sensor.