Контроллер системы управления аккумуляторной батареей

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к контролю заряда аккумуляторной батареи в процессе эксплуатации.

Уровень техники

Из уровня техники известно программно-аппаратное устройство управления аккумуляторной батареей с беспроводным модулем (RU 194711 U1, 19.12.2019), которое содержит в себе измерительный модуль, который в свою очередь состоит из блока измерения температуры, блока измерения напряжения, блока обмена информацией с центральным модулем, и центральный модуль управления, который состоит из блока аналоговых входов, блока управления контакторами, блока обмена информацией с измерительным модулем, блок обмена информацией с внешними устройствами, который непосредственно подключен к аккумуляторной батарее и измеряет параметры состояния, а также модуль беспроводной связи для осуществления контроля заряда и разряда батареи.

Недостатками данного решения являются низкие надежность и безопасность, низкая защищенность как самой аккумуляторной батареи и элементов управления батареей, так и персонала, находящегося в непосредственной близости с аккумуляторной батареей, неприменимость в сложных аккумуляторных батареях с большим количеством входных и выходных сигналов, датчиков тока, контакторов, коммуникационных интерфейсов, отсутствие гибкой настройки контроллера, низкий ток балансировки, отсутствие поддержки многих интерфейсов подключения, отсутствие возможности использования контроллера для управления аккумуляторами напряжением от 24 до 2000 В.

Заявленное устройство позволяет в существенной мере преодолеть указанные недостатки, присущие аналогу.

Раскрытие сущности полезной модели

Задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание надежного и безопасного контроллера системы управления аккумуляторной батареей, обеспечивающего высокую защищенность как самой аккумуляторной батареи и элементов управления батареей, так и персонала, находящегося в непосредственной близости с аккумуляторной батареей, имеющего широкую применимость в сложных аккумуляторных батареях с большим количеством входных и выходных сигналов, датчиков тока, контакторов, коммуникационных интерфейсов, обеспечивающего автоматизацию процесса контроля и выдачи информации о состоянии заряда всех видов аккумуляторных батарей.

Технический результат полезной модели состоит в повышении защищенности как самой аккумуляторной батареи и элементов управления батареей, так и персонала, находящегося в непосредственной близости с аккумуляторной батареей.

Технический результат достигается за счет того, что контроллер системы управления аккумуляторной батареей включает блок измерения дискретных сигналов, блок измерения сигналов с внешних датчиков тока, блок измерения сигналов с внешних датчиков температуры, блок измерения напряжения высоковольтной сети до и после контакторов, блок контроля целостности высоковольтной сети, блок питания контроллера, центральный блок, блок внешних коммуникационных интерфейсов, блок питания контакторов, блок управления контакторами и блок выдачи дискретных сигналов.

Кроме того, блок измерения дискретных сигналов имеет восемь входов, два из которых имеют аппаратную схему защитного размыкания контакторов при снятии входного сигнала.

Кроме того, блок измерения сигналов с внешних датчиков тока имеет шесть входов для подключения до трех датчиков тока на эффекте Холла с униполярным питанием 5 В.

Кроме того, блок измерения сигналов с внешних датчиков температуры имеет два входа для подключения термисторов, используемых для контроля температуры контакторов и защитного размыкания контакторов при их перегреве.

Кроме того, блок измерения напряжения высоковольтной сети выполнен с возможностью детектирования сваривания силовых контактов контактора и неправильной работы схемы предварительного заряда емкостной нагрузки, подключенной к высоковольтной сети.

Кроме того, блок контроля целостности высоковольтной сети определяет нештатное размыкание высоковольтной цепи и выполняет защитное отключение аккумуляторной батареи.

Кроме того, центральный блок состоит из микроконтроллера, выполняющего функции защиты и определения состояния аккумуляторной батареи, энергонезависимой памяти, хранящей настройки контроллера и состояние аккумуляторной батареи, сторожевого таймера, детектирующего зависание управляющей программы микроконтроллера, перезапускающего микроконтроллер и выполняющего защитное размыкание контакторов, датчика температуры и влажности, используемого для защитного размыкания контакторов при опасно высокой влажности окружающего воздуха, и карты памяти, на которую сохраняются параметры аккумуляторной батареи на всем протяжении ее жизненного цикла.

Кроме того, блок внешних коммуникационных интерфейсов включает интерфейс USB для настройки контроллера, три интерфейса CAN и два интерфейса RS-485 для обмена с внешними устройствами.

Кроме того, блок управления контакторами имеет шесть умных полупроводниковых ключей со встроенными средствами детектирования короткого замыкания в цепи управления контактором и собственного перегрева.

Кроме того, блок выдачи дискретных сигналов имеет четыре выхода, сигнализирующие о режиме работы аккумуляторной батареи и управляющие вспомогательными исполнительными устройствами.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Структурная схема контроллера;

фиг. 2 - Структурная схема центрального блока.

На фигурах цифрами обозначены следующие элементы:

1 – Блок измерения дискретных сигналов;

2 – Блок измерения сигналов с датчиков тока;

3 – Блок измерения сигналов с датчиков температуры;

4 – Блок измерения напряжения высоковольтной сети до и после контакторов;

5 – Блок контроля целостности высоковольтной сети;

6 – Блок питания контроллера;

7 – Центральный блок;

8 – Блок внешних интерфейсов;

9 – Блок питания контакторов;

10 – Блок управления контакторами;

11 – Блок выдачи дискретных сигналов;

12 – Микроконтроллер;

13 – Энергонезависимая память;

14 – Сторожевой таймер;

15 – Датчик температуры и влажности;

16 – Карта памяти.

Осуществление полезной модели

Заявленное техническое решение может быть использовано на всех видах аккумуляторных батарей и распространяется, в том числе, как на стационарные аккумуляторы и моноблочные батареи, предназначенные для эксплуатации в стационарном положении (т.е. не перемещаемые с места на место) и постоянно соединенные с нагрузкой и питанием от источника постоянного тока, используемые, например, на электростанциях и подстанциях, в телекоммуникационных и телефонных системах и сетях, так и на перемещаемые с места на место аккумуляторы.

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи возникает задача ее защиты от перезаряда, а также контроля напряжения и сопротивления аккумуляторов, поскольку именно изменение сопротивления аккумуляторов характеризует ухудшение емкостной характеристики аккумуляторной батареи. Если не осуществлять постоянный мониторинг состояния аккумуляторов, аккумуляторная батарея может выйти из строя или привести к поломке использующего ее оборудования.

Устройство представляет собой контроллер модульной системы управления аккумуляторной батареей (BMS), и предназначено для обеспечения защиты аккумуляторной батареи по напряжению, току, температуре, и продления срока службы аккумуляторной батареи. Контроллер выполнен с возможностью управления балансировкой аккумуляторной батареи, а также ее зарядом и разрядом, с возможностью чтения параметров аккумуляторов, с возможностью управления нагревателем и/или охладителем аккумуляторной батареи, с возможностью логирования данных на microSD-карту.

Контроллер решает задачу управления аккумуляторными батареями (в том числе литий-ионными) с максимальным напряжением батареи до 2000В, что актуально для специальной строительной техники, электротранспорта и накопителей энергии.

Контроллер системы управления аккумуляторной батареей включает (фиг.1), установленные на единой печатной плате или в едином корпусе, блок 1 измерения дискретных сигналов, выход которого соединен со входом центрального блока 7, блок 2 измерения сигналов с внешних датчиков тока, выход которого соединен со входом центрального блока 7, блок 3 измерения сигналов с внешних датчиков температуры, выход которого соединен со входом центрального блока 7, блок 4 измерения напряжения высоковольтной сети до и после контакторов, выход которого соединен со входом центрального блока 7, блок 5 контроля целостности высоковольтной сети, имеющий двунаправленное соединение с центральным блоком 7, блок 6 питания контроллера, выходы которого соединены со входом центрального блока 7, со входом блока 11 выдачи дискретных сигналов, а также со входами вышеуказанных блоков 1-5, центральный блок 7, два выхода которого соединены со входом блока 9 питания контакторов и со входом блока 11 выдачи дискретных сигналов, а также имеющего двунаправленные соединения с блоком 8 внешних коммуникационных интерфейсов и блоком 10 управления контакторами, при этом выход блока 9 питания контакторов соединен со входом блока 10 управления контакторами.

Блок измерения дискретных сигналов имеет восемь входов, два из которых имеют аппаратную схему защитного размыкания контакторов при снятии входного сигнала.

Блок измерения сигналов с внешних датчиков тока имеет шесть входов для подключения до трех датчиков тока на эффекте Холла с униполярным питанием 5 В.

Блок измерения сигналов с внешних датчиков температуры имеет два входа для подключения термисторов, используемых для контроля температуры контакторов и защитного размыкания контакторов при их перегреве.

Блок измерения напряжения высоковольтной сети детектирует сваривание силовых контактов контактора и неправильную работу схемы предварительного заряда емкостной нагрузки, подключенной к высоковольтной сети.

Блок контроля целостности высоковольтной сети определяет нештатное размыкание высоковольтной цепи и выполняет защитное отключение аккумуляторной батареи.

Центральный блок состоит (фиг. 2) из микроконтроллера 12, выполняющего функции защиты и определения состояния аккумуляторной батареи, энергонезависимой памяти 13, хранящей настройки контроллера и состояние аккумуляторной батареи, сторожевого таймера 14, детектирующего зависание управляющей программы микроконтроллера, перезапускающего микроконтроллер и выполняющего защитное размыкание контакторов, датчика 15 температуры и влажности, используемого для защитного размыкания контакторов при опасно высокой влажности окружающего воздуха, и карты памяти 16, на которую сохраняются параметры аккумуляторной батареи на всем протяжении ее жизненного цикла. Каждый из вышеуказанных элементов 13-16 имеет двунаправленное соединение с микроконтроллером 12.

Блок внешних коммуникационных интерфейсов включает интерфейс USB для настройки контроллера, три интерфейса CAN и два интерфейса RS-485 для обмена с внешними устройствами.

Блок управления контакторами имеет шесть умных полупроводниковых ключей со встроенными средствами детектирования короткого замыкания в цепи управления контактором и собственного перегрева.

Блок выдачи дискретных сигналов имеет четыре выхода, сигнализирующие о режиме работы аккумуляторной батареи и управляющие вспомогательными исполнительными устройствами.

Пример реализации.

Примером применения контроллера является аккумуляторная батарея электробуса, состоящая из шести идентичных параллельно соединенных аккумуляторных батарей. К контроллеру в каждой из батарей подключен один внешний датчик тока, высоковольтная сеть до и после контакторов, линия контроля целостности высоковольтной сети, три контактора, обеспечивающих заряд, разряд аккумуляторной батареи, а также предварительный заряд емкостной нагрузки, устройства измерения напряжения и температуры аккумуляторов. Для управления группой из шести аккумуляторных батарей используется отдельный контроллер, к которому подключены три внешних датчика тока, высоковольтная сеть до и после контакторов, линия контроля целостности высоковольтной сети, три контактора, обеспечивающих заряд, разряд всей сборки аккумуляторных батарей, а также предварительный заряд емкостной нагрузки, устройство измерения сопротивления изоляции между линиями высоковольтной сети и шасси электробуса.

Работа контроллера одной из шести аккумуляторных батарей осуществляется следующим образом.

После подачи питания контроллер выполняет чтение настроек из энергонезависимой памяти центрального блока, устанавливает связь с устройствами измерения напряжения и температуры аккумуляторов, выполняет калибровку подключенных датчиков тока. При получении от блока коммуникационных интерфейсов команды на разряд аккумуляторной батареи контроллер переводит контакторы в режим предварительного заряда емкостной нагрузки, с помощью блока измерения напряжения высоковольтной сети до и после контакторов контролирует выравнивание напряжений до и после контакторов, после выравнивания напряжений переводит контакторы в режим разряда, отключает контактор предварительного заряда емкостной нагрузки, контролирует ток через аккумуляторную батарею, а также напряжение и температуру каждого аккумулятора в отдельности. При обнаружении тока аккумуляторной батареи, величина которого выше установленного предела, напряжения и температуры любого из аккумуляторов вне разрешенного диапазона, нарушении целостности высоковольтной сети, превышении влажности окружающего воздуха установленного предела контроллер выполняет защитное размыкание контакторов, предотвращая повреждение аккумуляторной батареи или вред здоровью персонала, который с ней работает.

В отличиие от известных решений контроллер имеет существенно большие возможности по измерению внешних сигналов (дискретных и сигналов с датчиков тока) и подключению исполнительных устройств (контакторов), что позволяет реализовывать сложные батарейные системы.

Также по сравнению с известными решениями, в которых используются твердотельные реле, в предлагаемом контроллере для управления контакторами используются интеллектуальные ключи с контролем тока коммутации и собственной температуры, формирующие напряжение высокого уровня для питания обмоток контакторов.

Для управления режимами работы батареи в контроллере предусмотрено восемь дискретных входов, два из которых детектируют напряжение в диапазоне от 9 до 32В, остальные шесть подключаются к выходам типа «сухой контакт», «открытый коллектор» или «открытый сток» и детектируют замыкание сигнального входа на виртуальную землю устройства.

Контроллер имеет два канала измерения высокого (до 1000В) напряжения. Используя эти каналы для измерения напряжения на силовой шине до контакторов и после контакторов, устройство контролирует процесс предзаряда емкостей в нагрузке, а также детектирует залипание контакторов.

К контроллеру могут быть подключены два внешних термистора для измерения температуры в батарейном контейнере и/или температуры силового контактора. Программное обеспечение устройства позволяет настроить защитное размыкание контактора при его перегреве.

Контроллер непрерывно контролирует собственную температуру и влажность окружающего воздуха с помощью встроенных датчиков. Программное обеспечение контроллера позволяет настроить защитное размыкание всех контакторов при критически большой влажности окружающего воздуха.

В контроллере реализована схема активного контроля целостности высоковольтной сети (High voltage interlock loop, HVIL). Контроллер выдает модулированный сигнал в токовую петлю и контролирует в ней величину тока. При расхождении измеренного и требуемого значений тока устройство размыкает силовые контакторы. Данная функция позволяет защитить от нештатной эксплуатации аккумуляторной батареи в составе электротранспорта.

По сравнению с известными решениями, в предлагаемом контроллере увеличено количество приемопередатчиков шины CAN с одного до трех, что позволяет функционально разграничить коммуникационные шины, снять с них информационною нагрузку и повысить помехоустойчивость.

Контроллер с помощью внешнего устройства измеряет сопротивление изоляции между полюсами силовой цепи аккумуляторной батареи и шасси транспортного средства для недопущения эксплуатации аккумуляторной батареи в случае нарушения силовой структуры системы.

В зависимости от внутреннего программного обеспечения (ВПО), установленного на контроллер, он может выполнять функции как контроллера аккумуляторной батареи, так и функции контроллера батарейной системы, включающей до тридцати двух параллельно подключенных аккумуляторных батарей, каждая из которых контролируется такой же платой BMS, но уже с другим ВПО.

Контроллер с помощью установленного беспроводного адаптера решает задачу оперативного информирования о состоянии аккумуляторной батареи для прогнозирования сервисных работ и удаленной диагностики.

Преимуществами перед аналогами являются, в том числе:

поддержка всех основных интерфейсов подключения CAN, RS-485, Ethernet, Wi-Fi, 3G, USB (в том числе за счет установки дополнительного адаптера);

универсальность применения – возможность использовать контроллер BMS для управления аккумуляторными батареями напряжением от 24 до 2000 В.

Соединение всех элементов конструкции между собой выполнено сборочными операциями, и осуществляется на предприятии изготовителя, что обеспечивает функционально-конструктивное единство предлагаемого технического решения, и позволяет отнести данное решение к устройству (сборочной единице).

Выполнение предлагаемого контроллера вышеописанным образом обеспечивает повышение защищенности как самой аккумуляторной батареи и элементов управления батареей, так и персонала, находящегося в непосредственной близости с аккумуляторной батареей, за счет защитного размыкания контакторов и сигнализации об аварии при перегреве контактора, при сваривании силовых контактов контактора, при нарушении целостности высоковольтной сети, при высокой влажности окружающего воздуха. Кроме того, обеспечивается расширение применимости контроллера в сложных аккумуляторных батареях с большим количеством входных и выходных сигналов, датчиков тока, контакторов, коммуникационных интерфейсов. обеспечивается автоматизация процесса контроля и выдачи информации о состоянии заряда всех видов аккумуляторных батарей.