RU2569680C1

RU2569680C1 - Method for automatic control of technical condition of parallel accumulator battery and device for its implementation

Info

Publication number: RU2569680C1
Application number: RU2014130545/07A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Михайлов; Светлана Анатольевна Михайлова
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2015-11-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: according to the invention method for automatic control of technical condition of parallel accumulator battery includes data processing of test results at N+1 output terminals connecting the tested accumulator batteries at n test points, consecutive numbering of test points, scaling of current from each cell of accumulator battery with scaling factor from each test point, current values from each test point are summed up at the summation point and transferred through the communication channel to data processing unit, whereat summed current is converted to proportional voltage.

EFFECT: automation for automatic control of technical condition both for accumulator battery and its components by means of componentwise control of its operability.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для контроля состояния аккумуляторных источников питания, как отдельных аккумуляторов, так и батарей, состоящих из n параллельно включенных элементов. Знание электрических параметров аккумуляторных батарей позволяет производить диагностирование технического состояния на различных стадиях эксплуатации, а также принимать решение об их восстановлении или списании. Это в первую очередь важно для Li-ion аккумуляторов, применяемых в системах автономного электроснабжения на транспортных средствах, для которых характерен критерий минимизации массогабаритных показателей элементов данных систем.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to monitor the status of battery power sources, both individual batteries and batteries consisting of n elements connected in parallel. Knowing the electrical parameters of the batteries allows you to diagnose the technical condition at various stages of operation, as well as decide on their recovery or decommissioning. This is primarily important for Li-ion batteries used in autonomous power supply systems on vehicles for which the criterion of minimizing the overall dimensions of the elements of these systems is characteristic.

Особенность применения Li-ion аккумулятора сводится к тому, что [1, 2, 3]:The peculiarity of using a Li-ion battery is that [1, 2, 3]:

1. Разряд Li-ion аккумулятора ниже 3 B (примерно, до 2.2 В) (данный порог варьируется в пределах 0,5 B в зависимости от химического состава и геометрической формы аккумулятора) приводит к необратимым химическим процессам внутри аккумулятора, что делает его непригодным для дальнейшего использования. При разряде Li-ion аккумулятора нужно контролировать его напряжение и силу тока в цепи.1. The discharge of a Li-ion battery below 3 V (approximately up to 2.2 V) (this threshold varies within 0.5 V depending on the chemical composition and geometric shape of the battery) leads to irreversible chemical processes inside the battery, which makes it unsuitable for further use. When discharging a Li-ion battery, it is necessary to control its voltage and current in the circuit.

2. Li-ion аккумуляторы имеют низкую устойчивость к перезаряду. На отрицательном электроде на поверхности углеродной матрицы при значительном перезаряде становится возможным осаждение металлического лития, обладающего большой реакционной способностью к электролиту, а на катоде начинается активное выделение кислорода. Возникает угроза теплового разгона, повышения давления и разгерметизации. Поэтому заряд Li-ion аккумуляторов можно вести только до напряжения, рекомендуемого производителем. При увеличенном зарядном напряжении ресурс аккумуляторов снижается.2. Li-ion batteries have low resistance to overcharging. At a negative electrode on the surface of the carbon matrix with significant overcharging, it becomes possible to deposit lithium metal, which has a high reactivity to electrolyte, and active oxygen evolution begins at the cathode. There is a threat of thermal acceleration, increased pressure and depressurization. Therefore, the charge of Li-ion batteries can only be carried out to the voltage recommended by the manufacturer. With an increased charging voltage, the battery life decreases.

3. Работа аккумулятора на токах, отличающихся от нормального режима, заданного в документации производителем аккумуляторов и превышающего его емкость, возможна в кратковременных режимах. При коротком замыкании в литий-ионном аккумуляторе возникает бурная реакция взрывного типа, получившая название "вентиляция с выбросом пламени".3. Battery operation at currents that differ from the normal mode specified in the documentation by the battery manufacturer and exceeding its capacity is possible in short-term modes. In the event of a short circuit in a lithium-ion battery, a violent explosive reaction occurs, which is called "flame emission ventilation".

Для внутренней защиты Li-ion аккумулятора используют дополнительно введенный в аккумулятор слой сепаратора. В этом случае, при коротком замыкании из-за прорастания дендритов лития к положительному электроду, за счет локального разогрева слой сепаратора подплавляется и становится непроницаемым, предотвращая дальнейшее прорастание дендритов.For internal protection of a Li-ion battery, a separator layer added to the battery is used. In this case, during a short circuit due to the germination of lithium dendrites to the positive electrode, due to local heating, the separator layer is melted and becomes impermeable, preventing further dendrite germination.

Однако для повышения безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов в составе батареи обязательно применяется также и внешняя электронная защита, цель которой не допустить возможность перезаряда и переразряда каждого аккумулятора, от внутренних коротких замыканий (а в отдельных случаях и от внешних коротких замыканий) и чрезмерного разогрева.However, to increase the safety of operation of Li-ion batteries as part of the battery, external electronic protection is also necessarily applied, the purpose of which is to prevent the possibility of overcharging and overdischarge of each battery from internal short circuits (and in some cases from external short circuits) and excessive heating.

Известен способ определения остаточной емкости кислотной свинцовой аккумуляторной батареи (а.с. №1619360, H01M 10/48, 1991 г.), где измеряют напряжение на аккумуляторной батарее, на основании анализа которого принимается решение об остаточной емкости кислотной свинцовой аккумуляторной батареи и пригодности ее дальнейшего использования.A known method for determining the residual capacity of an acid lead battery (AS No. 1619360, H01M 10/48, 1991), where they measure the voltage on the battery, on the basis of the analysis of which a decision is made on the residual capacity of the lead acid battery and its suitability further use.

Недостаток данного способа определяется неэффективностью контроля аккумуляторной батареи, обусловленной низкой информативностью измеряемого напряжения, не обеспечивающего исчерпывающие сведения о состоянии элементов аккумуляторной батареи.The disadvantage of this method is determined by the inefficiency of the battery control due to the low information content of the measured voltage, which does not provide comprehensive information about the state of the battery cells.

Известно устройство автоматического контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи (патент RU №2131158, кл. H01M 10/48, G01R 31/36, 1999), содержащее блок управления, на один из выходов которого подключен блок коммутации, блок для определения остаточной емкости аккумуляторной батареи в режиме импульсного разряда, зарядное устройство, блок сравнения, блок эталонной кривой, индикатор и измеритель внутреннего сопротивления, причем на другие выходы блока управления подключены зарядное устройство и индикатор, на вход блока управления подключен блок сравнения, входы которого соединены с выходами блока эталонной кривой и измерителя внутреннего сопротивления, входы которых через блок коммутации подключаются к испытываемому элементу аккумуляторной батареи.A device for automatically monitoring the technical condition of battery cells (patent RU No. 2111158, class H01M 10/48, G01R 31/36, 1999), comprising a control unit, at one of the outputs of which a switching unit is connected, a unit for determining the residual capacity of the battery in pulse discharge mode, a charger, a comparison unit, a reference curve block, an indicator and an internal resistance meter, with a charger and indicator connected to other outputs of the control unit, to the input of the control unit under the comparison unit is switched on, the inputs of which are connected to the outputs of the reference curve unit and the internal resistance meter, the inputs of which are connected through the switching unit to the tested battery cell.

Недостатком известного устройства при параллельном включении n элементов аккумуляторной батареи является сложность устройства контроля, которая приводит к завышенным массогабаритным показателям (необходимо организовать для n каналов передачи информации с n точек контроля гальванически связанных аккумуляторов коммутацию) устройства контроля и, следовательно, всей системы электроснабжения транспортных средств на базе гальванически связанных аккумуляторов. Кроме этого, как известно, надежность устройства контроля должна быть больше, чем надежность контролируемого объекта, в связи с чем сложность устройства контроля приводит также к низкой достоверности результатов контроля из-за отсутствия самоконтроля самого устройства контроля. Причем коммутация точек контроля гальванически связанных аккумуляторов разносит их контроль во времени, что исключает одновременный доступ к любому аккумулятору для контроля в произвольный момент времени, т.е. создает задержку обнаружения отказа конкретного аккумулятора и повышает вероятность развития процесса "вентиляции с выбросом пламени".A disadvantage of the known device with the parallel inclusion of n battery cells is the complexity of the control device, which leads to oversized weight and size indicators (it is necessary to arrange for n channels of information transmission from n control points of galvanically connected batteries switching) control devices and, therefore, the entire vehicle power supply system base of galvanically connected batteries. In addition, as you know, the reliability of the control device should be greater than the reliability of the controlled object, and therefore the complexity of the control device also leads to low reliability of the control results due to the lack of self-control of the control device itself. Moreover, switching control points of galvanically coupled batteries carries their control over time, which eliminates the simultaneous access to any battery for monitoring at an arbitrary point in time, i.e. creates a delay in detecting the failure of a particular battery and increases the likelihood of developing a process of "ventilation with the release of flame."

Наиболее близким техническим решением по способу (прототипом) является способ автоматического контроля технического состояния элементов параллельной аккумуляторной батареи (патент RU №2485639 H01M 10/48 от 27.04.2011), сводящийся к обработке информации результатов контроля в n+1 выходных зажимах подключения контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках, а также нумеруют последовательно контрольные точки, масштабируют токи от каждого элемента аккумуляторной батареи с коэффициентом масштабирования от каждой контрольной точки пропорционально номеру контрольной точки i, вычисляют предельное значение напряжение U_Σпр, соответствующее случаю, когда исправны все элементы контролируемой аккумуляторной батареиThe closest technical solution to the method (prototype) is a method for automatically monitoring the technical condition of elements of a parallel battery (patent RU No. 2485639 H01M 10/48 of 04/27/2011), which reduces to processing the information of the monitoring results in n + 1 output terminals for connecting controlled batteries in n control points, as well as sequentially number control points, scale the currents from each element of the battery with a scaling factor from each control point is proportional Checkpoint number i, calculated limit value U _Σpr voltage corresponding to the case where all the elements are serviceable controlled battery

масштабированные токи от каждой контрольной точки суммируют в точке суммирования и передают через канал связи в орган обработки информации, где преобразуют суммарный ток в пропорциональное напряжение U_Σ и вычитают данное напряжение из предельного значения напряжения UΣ_пр, а по величине результирующего напряжения U_Σпр-U_Σ идентифицируют номер элемента в аккумуляторной батарее, в котором возникло короткое замыкание.the scaled currents from each control point are summed at the summation point and transmitted through the communication channel to the information processing authority, where the total current is converted to a proportional voltage U _Σ and the voltage is subtracted from the voltage limit UΣ _pr , and the value of the resulting voltage U _Σпр -U _Σ identify the item number in the battery in which a short circuit has occurred.

Недостаток данного способа-прототипа определяется тем, что в рамках данного способа достоверно отслеживается отказ одного элемента в батарее, т.е. устройство по данному способу имеет ограничение в случае одновременного "короткого замыкания" в двух и более элементах аккумуляторной батареи. Данное событие хотя и имеет существенно меньшую вероятность, чем вероятность "короткого замыкания" одного аккумулятора в батарее, но при большом количестве элементов в аккумуляторных батареях становится возможным.The disadvantage of this prototype method is determined by the fact that in the framework of this method, the failure of one element in the battery is reliably tracked, i.e. the device according to this method has a limitation in the case of a simultaneous "short circuit" in two or more battery cells. This event, although it has a significantly lower probability than the probability of a "short circuit" of one battery in the battery, but with a large number of cells in the battery it becomes possible.

Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) является устройство автоматического контроля технического состояния элементов параллельной аккумуляторной батареи по способу-прототипу (патент RU №2485639 H01M 10/48 от 27.04.2011), содержащее n+1 выходных зажимов для подключения контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках и орган обработки информации, вход которого подключен к выходу канала связи, а также блок суммирования токов с коэффициентом масштабирования по каждому входу, пропорциональным номеру этого входа, причем i-й вход блока суммирования токов подключен к i-й точке контроля технического состояния соответствующих элементов аккумуляторной батареи, а выход блока суммирования токов соединен с входом канала связи, орган обработки информации содержит блок преобразования тока в напряжение, вычитатель, задатчик напряжения и аналого-цифровой преобразователь, причем вход органа обработки информации соединен с входом блока преобразования тока в напряжение, выход которого соединен с первым входом вычитателя, ко второму входу которого подключен задатчик напряжения, входы которого подключены к входам задания предельного значения напряжения, а выход вычитателя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к выходу органа обработки информации, являющегося выходом устройства, причем блок суммирования токов состоит из n резисторов, причем величина i-го резистора обратно пропорциональна его номеру i, первый конец i-го резистора подключен к i-му входу блока суммирования токов, а вторые концы всех резисторов блока суммирования токов объединены и подключены к его выходу.The closest technical solution to the invention (prototype) is a device for automatically monitoring the technical condition of elements of a parallel battery according to the prototype method (patent RU No. 2485639 H01M 10/48 of 04/27/2011), containing n + 1 output terminals for connecting controlled batteries in n control points and an information processing unit whose input is connected to the output of the communication channel, as well as a unit for summing currents with a scaling factor for each input proportional to the number of this input, and the i-th the current summing unit is connected to the i-th point of monitoring the technical condition of the corresponding battery cells, and the output of the current summing unit is connected to the input of the communication channel, the information processing unit contains a current to voltage conversion unit, a subtractor, a voltage regulator and an analog-to-digital converter, the input of the information processing unit is connected to the input of the current-to-voltage conversion unit, the output of which is connected to the first input of the subtractor, to the second input of which the unit is connected voltage, the inputs of which are connected to the input of the voltage limit value, and the output of the subtractor is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is connected to the output of the information processing organ, which is the output of the device, and the current summing unit consists of n resistors, and the value of the resistor is inversely proportional to its number i, the first end of the i-th resistor is connected to the i-th input of the current summing unit, and the second ends of all resistors of the current summing unit are combined and connected to it to go.

Недостаток данного устройства по способу-прототипу определяется тем, что в рамках данного способа достоверно отслеживается отказ одного элемента в батарее, т.е. устройство по данному способу имеет ограничение в случае одновременного "короткого замыкания" в двух и более элементах аккумуляторной батареи. Данное событие хотя и имеет существенно меньшую вероятность, чем вероятность "короткого замыкания" одного аккумулятора в батарее, но при большом количестве элементов в аккумуляторных батареях становится возможным.The disadvantage of this device according to the prototype method is determined by the fact that in the framework of this method, the failure of one element in the battery is reliably tracked, i.e. the device according to this method has a limitation in the case of a simultaneous "short circuit" in two or more battery cells. This event, although it has a significantly lower probability than the probability of a "short circuit" of one battery in the battery, but with a large number of cells in the battery it becomes possible.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является расширение функциональных возможностей. Техническим результатом является обеспечение высокой достоверности поэлементного контроля состояния батареи при одновременном отказе нескольких элементов аккумуляторной батареи во всем диапазоне режимов работы системы автономного электроснабжения.The problem solved by the invention is the expansion of functionality. The technical result is to ensure high reliability of the element-wise monitoring of the battery condition with the simultaneous failure of several battery cells in the entire range of operating modes of the autonomous power supply system.

Обобщая проведенный выше анализ особенностей функционирования Li-ion аккумуляторной батареи можно отметить, что при организации процесса контроля состояния Li-ion аккумуляторной батареи должен быть использован принцип параллельного контроля, сводящийся к тому, что любой аккумулятор батареи должен быть доступен для контроля, как короткого замыкания, так и превышения в нем тока в произвольный момент времени. В связи с этим особенностью данного решения является то, что при передаче информации о работоспособности гальванически связанных аккумуляторов, полученной в точках их контроля, необходимо использовать параллельный принцип организации процесса контроля, при котором структурно аккумуляторная батарея состоит из пронумерованных аккумуляторов, а процессу контроля в произвольный момент времени доступен любой аккумулятор батареи.Summarizing the above analysis of the functioning of a Li-ion battery, it can be noted that when organizing the process of monitoring the state of a Li-ion battery, the principle of parallel control should be used, which means that any battery in the battery should be accessible for monitoring as a short circuit, and excess current in it at an arbitrary moment in time. In this regard, the peculiarity of this solution is that when transmitting information about the operability of galvanically coupled batteries obtained at the points of their control, it is necessary to use the parallel principle of organizing the control process, in which the structurally rechargeable battery consists of numbered batteries, and the control process at any time Any battery is available at the time.

Для решения данной задачи в способе автоматического контроля технического состояния элементов параллельной аккумуляторной батареи, сводящегося к обработке информации результатов контроля в N+1 выходных зажимах подключения контролируемых аккумуляторов в N контрольных точках, нумерацию последовательно контрольных точек i=0, 1, …, n-1, n=N, масштабирование токов от каждого элемента аккумуляторной батареи с коэффициентом масштабирования для каждой контрольной точки, токи от каждой контрольной точки суммируют в точке суммирования и передают через канал связи в орган обработки информации, где преобразуют суммарный ток в пропорциональное напряжение U_Σ, при масштабировании токов от каждого элемента аккумуляторной батареи выбирают коэффициент масштабирования тока от i-й контрольной точки равным 2ⁱ, а путем аналого-цифрового преобразования напряжения U_Σ в органе обработки информации определяют соответствующий двоичный код K_Σи и, поразрядно инвертируя его, определяют код K_Σ, соответствующий сумме номеров отказавших в аккумуляторной батарее элементов, по двоичному коду K_Σ суммы номеров отказавших в аккумуляторной батарее элементов выделяют его составляющие в виде двоичных одноединичных кодовых слов K_s, соответствующих контрольной точке каждого отдельного отказавшего аккумулятора, которые формируют путем последовательной поразрядной конъюнкции кодового слова K_Σ, соответствующего сумме номеров отказавших в аккумуляторной батарее элементов, с кодовой словом-маской в виде двоичного одноединичного кода и инверсией предыдуще выделенных двоичных одноединичных кодовых слов (начальный инверсный код имеет вид

), по выделенным двоичным одноединичным кодовым словам K_s определяют номера конкретных отказавших элементов аккумуляторной батареи.To solve this problem, in a method for automatically monitoring the technical condition of elements of a parallel storage battery, which reduces to processing the information of the control results at N + 1 output terminals for connecting controlled batteries at N control points, sequentially numbering of control points i = 0, 1, ..., n-1 , n = N, the scaling of the currents from each element of the battery with a scaling factor for each control point, the currents from each control point are summed at the summation point and transmitted Through a communication channel to an information processing authority, where the total current is converted to a proportional voltage U _Σ , when scaling the currents from each battery cell, the current scaling factor from the i-th control point is 2 ⁱ , and by analog-to-digital voltage conversion U _Σ to organ information processing determined corresponding binary code and K _{v and,} bitwise inverting it, define K _Σ code, corresponding to the sum of numbers of failed in the battery elements of binary code K _Σ sum s numbers of failed in the battery elements emit its components as binary odnoedinichnyh codewords K _s, the respective reference point of each individual failed battery which is formed by sequential radix conjunction codeword K _Σ, corresponding to the sum numbers of failed in the battery elements, with the code word -mask in the form of a binary single-unit code and an inversion of the previously selected binary single-unit code words (the initial inverse code has the form

), the selected binary single-unit code words K _s determine the numbers of specific failed battery cells.

Устройство автоматического контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи содержит N+1 выходных зажимов для подключения контролируемых аккумуляторов в N контрольных точках и орган обработки информации, блок суммирования токов с коэффициентом масштабирования по каждому входу, состоящий из n=N резисторов, первый конец i-го резистора подключен к i-му входу блока суммирования токов, а вторые концы всех резисторов блока суммирования токов объединены и подключены к его выходу, причем i-й вход блока суммирования токов подключен к i-й точке контроля технического состояния соответствующих элементов аккумуляторной батареи, а выход блока суммирования токов через канал связи соединен с органом обработки информации, который содержит блок преобразования тока в напряжение, аналого-цифровой преобразователь, причем вход органа обработки информации соединен с входом блока преобразования тока в напряжение, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выходы органа обработки информации являются выходом устройства, кроме этого, вычислитель и элемент задержки сигнала, причем вход синхронизации аналого-цифрового преобразователя подключен к входу "Опрос" устройства и через элемент задержки сигнала с входом синхронизации вычислителя, а выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к первым информационным входам вычислителя, вторые информационные входы которого соединены с входами задания общего количества элементов в аккумуляторной батарее, выходы которого соединены с выходами органа обработки информации, кроме этого, в блоке суммирования масштабированных токов величина i-го резистора равнаThe device for automatically monitoring the technical condition of the battery cells contains N + 1 output terminals for connecting controlled batteries at N control points and an information processing unit, a current summing unit with a scaling factor for each input, consisting of n = N resistors, the first end of the i-th resistor connected to the i-th input of the current summing unit, and the second ends of all resistors of the current-summing unit are connected and connected to its output, the i-th input of the current summing unit n to the i-th point of monitoring the technical condition of the corresponding elements of the battery, and the output of the summation unit of the currents through the communication channel is connected to an information processing unit that contains a current to voltage conversion unit, an analog-to-digital converter, and the input of the information processing unit is connected to the input of the unit converting current to voltage, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter, and the outputs of the information processing organ are the output of the device, in addition, the calculator and signal delay component, the synchronization input of the analog-to-digital converter is connected to the Poll input of the device and through the signal delay element with the synchronization input of the calculator, and the outputs of the analog-digital converter are connected to the first information inputs of the calculator, the second information inputs of which are connected to the inputs of the common job the number of elements in the battery, the outputs of which are connected to the outputs of the information processing authority, in addition, in the summation unit of the scaled currents of quantities ina of the i-th resistor is equal to

где i - порядковый номер контролируемого аккумулятора (i=0, .., n-1), R_i, - i-й резистор блока суммирования масштабированных токов, R₀ - нулевой резистор блока суммирования масштабированных токов.where i is the serial number of the monitored battery (i = 0, .., n-1), R _i , is the i-th resistor of the summed scaled current unit, R ₀ is the zero resistor of the summed scaled current unit.

На фиг. 1 представлена принципиальная блок-схема устройства, а на фиг. 2 - последовательность формирования из двоичного кода K_Σ, соответствующего сумме номеров отказавших в аккумуляторной батареи элементов двоичных одноединичных кодовых слов K_s, соответствующих контрольной точке каждого отдельного отказавшего аккумулятора.In FIG. 1 is a schematic block diagram of a device, and FIG. 2 is a sequence of generating from a binary code K _Σ corresponding to the sum of the numbers of elements of binary single unit code words K _s that failed in the storage battery and correspond to the control point of each individual failed battery.

Устройство содержит контролируемую аккумуляторную батарею (АБ) с n+1 выходных зажимов для подключения n контролируемых аккумуляторов в n контрольных точках, блок суммирования токов 1, канал связи 2, орган обработки информации 3. Орган обработки информации 3 в свою очередь включает блок преобразования тока в напряжение 4, аналого-цифровой преобразователь 5, элемент задержки сигнала 6 и цифровой вычислитель 7.The device contains a controlled battery (AB) with n + 1 output terminals for connecting n controlled batteries at n control points, a unit for summing currents 1, a communication channel 2, an information processing unit 3. The information processing unit 3, in turn, includes a current conversion unit in voltage 4, analog-to-digital converter 5, signal delay element 6 and digital computer 7.

Входы блока суммирования токов 1 подключены к точкам контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи (АБ), а выход к входу канала связи 2. Выход канала связи 2 подключен к входу органа обработки информации 3. В органе обработки информации 3 его вход соединен с входом блока преобразования тока в напряжение 4. Выход блока преобразования тока в напряжение 4 соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя 5, вход синхронизации которого через элемент задержки сигнала 6 соединен с входом синхронизации цифрового вычислителя 7 и с входом "Опрос" устройства, а цифровые выходы аналого-цифрового преобразователя 5 соединены с первыми информационными входами цифрового вычислителя 7, к вторым информационным входам которого подключены входы задания количества элементов в аккумуляторной батарее n, а выход подключен к выходу органа обработки информации 3, являющемуся выходом устройства автоматического контроля технического состояния элементов АБ.The inputs of the summation unit of currents 1 are connected to points for monitoring the technical condition of the battery cells (AB), and the output is to the input of the communication channel 2. The output of the communication channel 2 is connected to the input of the information processing unit 3. In the information processing unit 3, its input is connected to the input of the conversion unit current into voltage 4. The output of the current-to-voltage conversion unit 4 is connected to the analog input of the analog-to-digital converter 5, the synchronization input of which is connected through the delay element of signal 6 to the synchronization input of the digital calculator a splitter 7 and with the input "Poll" of the device, and the digital outputs of the analog-to-digital converter 5 are connected to the first information inputs of the digital calculator 7, the second information inputs of which are connected to the inputs for setting the number of elements in the battery n, and the output is connected to the output of the information processing organ 3, which is the output of the device for automatic control of the technical condition of the battery elements.

Блок преобразования тока в напряжение 4 может быть совмещен с операцией суммирования, которая осуществляется в точке суммирования S₁ для токов от точек контроля элементов аккумуляторной батареи, и при включении точки суммирования S₁ в точку суммирования S₂ схемы на операционном усилителе реализуется сумматор в виде, приведенном на фиг. 1.The unit for converting the current to voltage 4 can be combined with the operation of summation, which is carried out at the summation point S ₁ for currents from the control points of the battery cells, and when the summation point S ₁ is switched _on to the summation point S _{2 of the} circuit, the adder is implemented in the form, shown in FIG. one.

Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

При автоматическом контроле технического состояния элементов аккумуляторной батареи (АБ) через n+1 выходных зажима подключены контролируемые аккумуляторы к n контрольным точкам. В начальном состоянии нумеруют последовательно контрольные точки и определяют их общее количество n и устанавливают это значение на вторых информационных входах цифрового вычислителя 7.When automatically monitoring the technical condition of the battery cells (AB), n + 1 output terminals connect controlled batteries to n test points. In the initial state, the control points are numbered sequentially and their total number n is determined and this value is set at the second information inputs of the digital computer 7.

Цифровой вычислитель 7 может быть реализован в виде микропроцессорной системы, которая выполняет как вычислительные операции, так и логические для реализации процесса выделения двоичных одноединичных кодовых слов K_s путем последовательной поразрядной конъюнкции кодового слова K_Σ, соответствующего сумме номеров отказавших в аккумуляторной батарее элементов, и позволяет идентифицировать номера конкретных элементов аккумуляторной батареи.Digital computer 7 can be implemented as a microprocessor system that performs both computational and logical operations to implement the process of extracting binary single-unit codewords K _s by sequential bitwise conjunction of the codeword K _Σ corresponding to the sum of the numbers of elements that failed in the battery and allows identify the numbers of specific battery cells.

В рабочем состоянии в блоке суммирования 1 для i-й контрольной точки аккумуляторной батареи АБ сопротивления резисторов выбирают

при этом через них протекал ток, соответствующий весу разряда,In working condition in the summing unit 1 for the i-th control point of the battery AB resistance resistors choose

at the same time a current flowing through them, corresponding to the weight of the discharge,

где i - порядковый номер контролируемого аккумулятора (i=0, 1, …, n-1), R_i - i-й резистор блока суммирования масштабированных токов, R₀ - нулевой резистор блока суммирования масштабированных токов, E - напряжение аккумуляторов в батареи, а I₀ - ток от первой контрольной точки.where i is the serial number of the monitored battery (i = 0, 1, ..., n-1), R _i is the i-th resistor of the summed scaled current unit, R ₀ is the zero resistor of the summed scaled current unit, E is the voltage of the batteries in the batteries, and I ₀ is the current from the first control point.

В данном устройстве в общей точке суммирования S₁ блока 1 (фиг. 1) суммируются масштабированные токи от аккумуляторов А₀, А₁, A_n-1, величина каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться с коэффициентами, равными нулю или единице, т.е. только токи разрядов, значения которых равны 1. При этом на входе блока суммирования масштабированных токов 2 формируется цифровой двоичный (бинарный) код K_Σ=a₀a₁a₂a₃… a_k… a_n-1, в котором k-й бит a_k равен нулю, если в соответствующем аккумуляторе A_k возникло короткое замыкание, т.е. данный код является инверсным к коду номера отказавшего элемента аккумуляторной батареи. Причем для каждого k-го разряда выбирается вес вдвое больше, чем вес (k-1)-го. Данный код преобразуется в точке суммирования S в аналоговую величину тока I_Σ, которая определяется соотношениемIn this device, at the common summation point S _{1 of} block 1 (Fig. 1), the scaled currents from the accumulators A ₀ , A ₁ , A _n-1 are summed, the value of each of which is proportional to the weight of the digital binary digit, and must be summed with coefficients equal to zero or unit, i.e. only discharge currents whose values are equal to 1. At the same time, a digital binary (binary) code K _Σ = a ₀ a ₁ a ₂ a ₃ ... a _k ... a _n-1 in which the kth bit a _k is zero if a short circuit occurs in the corresponding battery A _k , i.e. This code is inverse to the number code of the failed battery cell. Moreover, for each k-th category, the weight is chosen twice as much as the weight of the (k-1) th. This code is converted at the summation point S into an analog current value I _Σ , which is determined by the ratio

где E - напряжение элемента аккумуляторной батареи; k - номер разряда входного кода N; a_k - значение k-го разряда (ноль или единица); N - количество разрядов входного кода.where E is the voltage of the battery cell; k is the bit number of the input code N; a _k is the value of the kth digit (zero or one); N is the number of bits of the input code.

Суммарный ток I_Σ по однопроводному каналу связи 2 передают в орган обработки информации 3. В органе обработки информации 3 суммарный ток I_Σ в блоке преобразования тока в напряжение 4 преобразуют в пропорциональное напряжениеThe total current I _{Σ is} transmitted through a single-wire communication channel 2 to the information processing authority 3. In the information processing authority 3, the total current I _Σ in the current to voltage conversion unit 4 is converted to a proportional voltage

где k_U/I - коэффициент преобразования ток - напряжение преобразователя 4 (отношение приращения выходного напряжения преобразователя 4 к приращению входного тока при линейной функции преобразования).where k _{U / I} is the conversion factor current - voltage of the converter 4 (the ratio of the increment of the output voltage of the converter 4 to the increment of the input current with a linear conversion function).

Например, при коэффициенте преобразования тока в напряжение 1 Ом напряжение, пропорциональное сумме токов на выходе блока преобразования тока в напряжение 4 от каждой точки контроляFor example, at a current to voltage conversion factor of 1 Ω, a voltage proportional to the sum of the currents at the output of the current to voltage conversion unit 4 from each control point

где E - напряжение элемента аккумуляторной батареи; k - номер разряда входного кода N; a_k - значение k-го разряда (ноль или единица); N - количество разрядов входного кода, R₀ - нулевой резистор блока суммирования масштабированных токов.where E is the voltage of the battery cell; k is the bit number of the input code N; a _k is the value of the kth digit (zero or one); N is the number of bits of the input code, R ₀ is the zero resistor of the summed block of scaled currents.

Напряжение U_Σ поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 5, на выходе которого при подаче сигнала на вход "Опрос" устройства формируется соответствующий двоичный код K_Σи, который является поразрядно инверсным к кодам, соответствующим номерам отказавших элементов аккумуляторной батареи. Данный код K_Σи поступает на первые информационные входы цифрового вычислителя 7 и по сигналу "Опрос", задержанному на элементе задержки 6, поразрядно инвертируется, т.е. определяется код K_Σ, соответствующий сумме номеров отказавших в аккумуляторной батарее элементов. Величина задержки сигнала τ на элементе 6 выбирается таким образом, чтобы все переходные процессы на выходе аналого-цифрового преобразователя 5 завершились.The voltage U _{Σ is} supplied to the input of the analog-to-digital converter 5, at the output of which, when the signal is input to the "Poll" input of the device, the corresponding binary code K _{Σи is generated} , which is bitwise inverse to the codes corresponding to the numbers of the failed battery cells. This code K _{Σ and} arrives at the first information inputs of the digital calculator 7 and is bitwise inverted by the "Poll" signal delayed by the delay element 6, i.e. the code K _Σ is determined, which corresponds to the sum of the numbers of the elements that failed in the battery. The delay value of the signal τ at element 6 is selected so that all transients at the output of the analog-to-digital Converter 5 are completed.

В цифровом вычислителе 7 по двоичному коду K_Σ суммы номеров отказавших в аккумуляторной батарее элементов выделяют его составляющие в виде двоичных одноединичных кодовых слов K_s, соответствующих контрольной точке каждого отдельного отказавшего аккумулятора. Последовательность операций по выделению двоичных одноединичных кодовых слов K_s приведена на фиг. 2. Данные номера формируют путем последовательной поразрядной конъюнкции кодового слова K_Σ, соответствующего сумме номеров отказавших в аккумуляторной батарее элементов, с кодовым словом-маской в виде двоичного одноединичного кода и инверсией предыдуще выделенных двоичных одноединичных кодовых слов (начальный инверсный код имеет вид

).In the digital computer 7 using the binary code K _{Σ, the} sum of the numbers of the elements that failed in the battery distinguishes its components in the form of binary single-unit code words K _s corresponding to the control point of each individual failed battery. The sequence of operations for extracting binary single unit codewords K _{s is} shown in FIG. 2. These numbers are formed by sequential bitwise conjunction of the code word K _Σ corresponding to the sum of the numbers of the elements that failed in the battery, with a code word mask in the form of a binary single unit code and inversion of the previously selected binary single unit code words (the initial inverse code has the form

)

В результате выполненной последовательности в цифровом вычислителе 7 операций, в случае технически неисправных аккумуляторов (если произошло "короткое замыкание" в аккумуляторах) на его выходе по выделенным двоичным одноединичным кодовым словам K_s идентифицируют номера конкретных элементов аккумуляторной батареи, в которых и возникло короткое замыкание.As a result of the sequence performed in the digital computer, 7 operations, in the case of technically faulty batteries (if a "short circuit" occurred in the batteries), the numbers of the specific elements of the battery in which the short circuit occurred are identified by its allocated binary single-unit code words K _s .

Таким образом, осуществляется контроль состояния АБ через поэлементный контроль аккумуляторов A с идентификацией номеров сразу нескольких элементов АБ, что позволяет поддержать аккумуляторные батареи в готовности к применению при работе системы автономного электроснабжения. Причем любой аккумулятор батареи доступен для контроля в любой момент времени. Предложенный способ контроля состояния батареи Li-ion аккумуляторов может быть использован и для контроля состояния других типов аккумуляторных батарей. При получении информации о неисправном аккумуляторе на выходе устройства формируется номер отказавшего аккумулятора для принятия решения об устранении аварийной ситуации.Thus, the state of the battery is monitored through the element-wise control of the batteries A with the identification of the numbers of several elements of the battery at once, which makes it possible to keep the batteries ready for use when the autonomous power supply system is operating. Moreover, any battery is available for monitoring at any time. The proposed method for monitoring the state of a Li-ion battery can be used to monitor the status of other types of batteries. Upon receipt of information about a faulty battery, the number of the failed battery is formed at the device output to make a decision on eliminating the emergency.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРАUSED BOOKS

1. Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. СПб.: Химиздат - 2005. - 262 с.1. Taganova A.A., Bubnov Yu.I., Orlov S.B. Sealed chemical current sources. Elements and batteries. Equipment for testing and operation. St. Petersburg: Khimizdat - 2005 .-- 262 p.

2. Скундин A.M. Литий-ионные аккумуляторы: современное состояние, проблемы и перспективы // Электрохимическая энергетика. - 2001. Т. 1. С. 5-15.2. Skundin A.M. Lithium-ion batteries: current status, problems and prospects // Electrochemical energy. - 2001.V. 1.P. 5-15.

3. Кедринский И.А., Дмитриенко В.Е., Грудянов И.И. Литиевые источники тока. М.: Энергоиздат, - 1992, - 247 с.3. Kedrinsky I.A., Dmitrienko V.E., Grudyanov I.I. Lithium current sources. M .: Energoizdat, - 1992, - 247 p.

4. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Государственное изд-во физико-математической литературы. - 1963. - С. 15, формула 121.1.4. Gradshtein I.S., Ryzhik I.M. Tables of integrals, sums, series and products. M .: State publishing house of physical and mathematical literature. - 1963. - S. 15, formula 121.1.

Claims

1. Способ автоматического контроля технического состояния элементов параллельной аккумуляторной батареи, включающий обработку информации результатов контроля в N+1 выходных зажимах подключения контролируемых аккумуляторов в N контрольных точках, нумерацию последовательно контрольных точек i=0, 1, …, n-1, n=N, масштабирование токов от каждого элемента аккумуляторной батареи с коэффициентом масштабирования для каждой контрольной точки, токи от каждой контрольной точки суммируют в точке суммирования и передают через канал связи в орган обработки информации, где преобразуют суммарный ток в пропорциональное напряжение U_Σ, отличающийся тем, что при масштабировании токов от каждого элемента аккумуляторной батареи выбирают коэффициент масштабирования тока от i-й контрольной точки равным 2ⁱ, а путем аналого-цифрового преобразования напряжения U_Σ в органе обработки информации определяют соответствующий двоичный код K_Σи и, поразрядно инвертируя его, определяют код K_Σ, соответствующий сумме номеров отказавших в аккумуляторной батарее элементов, по двоичному коду K_Σ суммы номеров отказавших в аккумуляторной батареи элементов выделяют его составляющие в виде двоичных одноединичных кодовых слов K_s, соответствующих контрольной точке каждого отдельного отказавшего аккумулятора, которые формируют путем последовательной поразрядной конъюнкции кодового слова K_Σ, соответствующего сумме номеров отказавших в аккумуляторной батарее элементов, с кодовым словом-маской в виде двоичного одноединичного кода и инверсией предыдуще выделенных двоичных одноединичных кодовых слов (начальный инверсный код имеет вид

), по выделенным двоичным одноединичным кодовым словам K_s определяют номера конкретных отказавших элементов аккумуляторной батареи.1. A method for automatically monitoring the technical condition of elements of a parallel battery, including processing information of the results of control at N + 1 output terminals for connecting controlled batteries at N control points, sequentially numbering control points i = 0, 1, ..., n-1, n = N , scaling of currents from each element of the battery with a scaling factor for each control point, the currents from each control point are summed at the summation point and transmitted through the communication channel to the processing unit information chambers, where the total current is converted to a proportional voltage U _Σ , characterized in that when scaling the currents from each battery cell, the current scaling factor from the ith test point is 2 ⁱ , and by analog-to-digital voltage conversion U _Σ in the body information processing determine the appropriate binary code and K _{v and,} bit by bit inverting it, determine the code K _Σ, corresponding to the amount of rooms in the failed battery cell, binary code K _Σ sum number in a failed battery cells secrete its components as binary codewords odnoedinichnyh K _s, corresponding to each control point of the failed battery which is formed by sequential radix conjunction codeword K _Σ, the sum of numbers corresponding to the failed battery cell, a code slovom- mask in the form of a binary single-unit code and the inversion of the previously selected binary single-unit code words (the initial inverse code has the form

2. Устройство автоматического контроля технического состояния элементов параллельной аккумуляторной батареи, содержащее N+1 выходных зажимов для подключения контролируемых аккумуляторов в N контрольных точках и орган обработки информации, блок суммирования токов с коэффициентом масштабирования по каждому входу, состоящий из n=N резисторов, первый конец i-го резистора подключен к i-му входу блока суммирования токов, а вторые концы всех резисторов блока суммирования токов объединены и подключены к его выходу, причем i-й вход блока суммирования токов подключен к i-й точке контроля технического состояния соответствующих элементов аккумуляторной батареи, а выход блока суммирования токов через канал связи соединен с органом обработки информации, который содержит блок преобразования тока в напряжение, аналого-цифровой преобразователь, причем вход органа обработки информации соединен с входом блока преобразования тока в напряжение, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выходы органа обработки информации являются выходом устройства, отличающееся тем, что в устройство введен цифровой вычислитель и элемент задержки сигнала, причем вход синхронизации аналого-цифрового преобразователя подключен к входу "Опрос" устройства и через элемент задержки сигнала к входу синхронизации цифрового вычислителя, а выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к первым информационным входам цифрового вычислителя, вторые информационные входы которого соединены с входами задания общего количества элементов в аккумуляторной батарее, выходы которого соединены с выходами органа обработки информации, кроме этого, в блоке суммирования масштабированных токов величина i-го резистора равна

где i - порядковый номер контролируемого аккумулятора (i=0, .., n-1), R_i - i-й резистор блока суммирования масштабированных токов, R₀ - нулевой резистор блока суммирования масштабированных токов. 2. A device for automatically monitoring the technical condition of elements of a parallel battery, containing N + 1 output terminals for connecting controlled batteries at N control points and an information processing unit, a current summing unit with a scaling factor for each input, consisting of n = N resistors, the first end the i-th resistor is connected to the i-th input of the current summing unit, and the second ends of all resistors of the current-summing unit are connected and connected to its output, the i-th input of the summing unit the current source is connected to the i-th point of monitoring the technical condition of the corresponding battery cells, and the output of the current summing unit through the communication channel is connected to an information processing unit that contains a current to voltage conversion unit, an analog-to-digital converter, and the input of the information processing unit the input of the unit for converting current to voltage, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter, and the outputs of the information processing organ are the output of the device, characterized the fact that a digital calculator and a signal delay element are introduced into the device, and the synchronization input of the analog-to-digital converter is connected to the Poll input of the device and through the signal delay element to the synchronization input of the digital calculator, and the outputs of the analog-to-digital converter are connected to the first information inputs a digital computer, the second information inputs of which are connected to the inputs of the job the total number of elements in the battery, the outputs of which are connected to the outputs of the processing authority information, other than that, in the scaled current summation unit value of the i-th resistor is equal to

where i is the serial number of the monitored battery (i = 0, .., n-1), R _i is the i-th resistor of the summed currents block, R ₀ is the zero resistor of the summed currents block.