Силовая электроника №5'2012

Системы обеспечения функционирования Li-ion аккумуляторных батарей. Структуры и принципы построения

Рыкованов Алексей


Системы обеспечения Li-ion аккумуляторных батарей являются неотъемлемой частью самой батареи. При проектировании разработчик непременно сталкивается не только с выбором элементной базы, на основе которой и будет построена батарея, но и с тем, как структурно организовать построение системы обеспечения функционирования (СОФ).

Система обеспечения функционирования (СОФ, в зарубежной литературе — Battery Manager System, BMS) любой аккумуляторной батареи (АБ), состоящей из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, может быть построена по нескольким вариантам. Число таких вариантов в общем случае определяется оценочной формулой:

где Na — количество последовательно соединенных единичных аккумуляторных ячеек.

Данная формула определяет минимальное количество вариантов построения СОФ для АБ, каждая ячейка представляет собой единичный аккумулятор. Формула, таким образом, не учитывает того, что отдельная последовательно соединенная ячейка может состоять из нескольких параллельно соединенных аккумуляторов. Принципы построения подобных систем выходят за рамки данной статьи. Рассмотрим детально варианты построения СОФ.

Пусть Na = 56, число вариантов тогда Nвариантов = 7. Количество последовательно соединенных аккумуляторов можно условно разбить на несколько подгрупп, каждая из которых контролирует свою часть аккумуляторов в АБ и управляет общим устройством коммутации (включение/выключение АБ к нагрузке/зарядному устройству). Контролировать можно одну группу, состоящую из 56 ячеек; две группы из 28; четыре из 14; восемь из 7; 14 из четырех; 28 из двух; 56 из одной (есть вариант семь из восьми, который оценочная формула не учитывает). Итого восемь вариантов.

Формула предполагает приблизительную равнозначность каждой из подгрупп (подсистем), входящих в общую систему обеспечения, иначе число вариантов может значительно возрасти. Например, 56 ячеек можно условно разбить и на неравнозначные подгруппы: к примеру, одну для 30 ячеек, вторую для 20 ячеек, третью для шести. На практике неравнозначное разбиение встречается довольно редко, только когда это продиктовано жесткой необходимостью. Да и разработчику легче спроектировать одну «размножаемую» плату для подгрупп (например, 14 одинаковых плат, каждая из которых контролирует четыре ячейки — всего 56 последовательно соединенных аккумуляторов) и одну головную плату управления коммутаторами, чем проектировать целый набор различных плат. Это правило касается и системы баланса. Здесь она не рассматривается как самостоятельная подсистема и разделяется на подгруппы так же, как и сама СОФ.

Выбор того или иного варианта часто зависит от выбора элементной базы или предпочтений разработчика. Понятно, например, что мультиплексор на 56 входов в одной микросхеме не выпускается ни одним производителем. Чтобы контролировать напряжение каждого аккумулятора в последовательной цепочке, необходимо применять несколько мультиплексоров, а их общее количество зависит от числа коммутируемых входов каждого из мультиплексоров. Здесь-то и появляется мучительный выбор для разработчика СОФ — какие выбрать мультиплексоры, чтобы система получилась как можно проще и меньше — как по материальным, так и по временным затратам. Если смотреть с точки зрения элементной базы, то в общем случае на выбор варианта построения СОФ могут повлиять объем и место ее размещения, потребляемая СОФ энергия и т. д. Применение специализированных микросхем снижает площадь и объем плат СОФ, а также энергопотребление, но не всегда для заказчика использование «спецухи» является приемлемым.

Также выбор варианта построения СОФ может зависеть от конструктивной топологии размещения аккумуляторов в АБ. Например, выделяемый отсек в аппарате может быть в виде прямоугольного объема или нескольких равнозначных объемов, удобных для размещения групп аккумуляторов (мечта конструктора). Совсем другое дело, когда из-за размещения различного оборудования оставшееся для аккумуляторов место состоит из нескольких неравнозначных объемов, раскиданных по всему аппарату. Тогда на выбор того или иного варианта построения СОФ может оказать влияние конструктивное расположение аккумуляторов, а для проектировщика СОФ будет удобнее остановиться на одном из определенных вариантов.

Рассмотрим более детально три основных варианта: одну группу из всех 56 ячеек; восемь из семи; 56 из одной.

Вариант «56 из одной»

Обсуждение начнем с крайнего варианта — 56 групп, каждая из одной ячейки (в данном случае аккумулятора). В данном случае каждый аккумулятор контролируется собственным устройством, все они связываются с устройством координации, связи и управления коммутаторов АБ по гальванически развязанному каналу связи (рис. 1)

Вариант построения СОФ — 56 групп, каждая из одной ячейки

Рис. 1. Вариант построения СОФ — 56 групп, каждая из одной ячейки

Каждый аккумулятор контролируется устройствами А1–А56. Эти устройства отслеживают напряжение и температуру каждого аккумулятора и передают данные в головное устройство координации и управления (УКиУ). Сами А1–А56 не принимают участия в вынесении тех или иных решений, их роль — передать данные УКиУ. Головное УКиУ осуществляет управление блоком коммутации (БК) АБ, контроль токов заряда/разряда и связь между СОФ АБ и внешним ПК или ЭВМ (если АБ находится на борту того или иного необитаемого аппарата) через порт RSxxx (или другой). В данном случае для рассмотрения способов построения СОФ ни количество коммутаторов в БК, ни сам порт не являются определяющими, поэтому на рис. 1 они показаны схематически. В состав устройств А1–А56 входит и балансировочное устройство (БУ).

Такой вариант подразумевает:

  • наличие 56 плат, состоящих либо из специализированных микросхем, либо микроконтроллеров общего назначения (без учета системы баланса);
  • плату УКиУ, датчик тока, устройство индикации и т. д.;
  • БК.

Из этого следует, что необходимо разместить и закрепить 56 плат контроля и балансировки непосредственно на каждом аккумуляторе. Эти платы питаются от самих аккумуляторов, на которые они установлены. УКиУ, как и БК, должны питаться отдельно или от всей цепочки последовательно соединенных аккумуляторов или от их части. При питании от части аккумуляторов эти аккумуляторы в процессе эксплуатации будут нагружаться больше, что может потребовать увеличения балансировочных токов в БУ. Для уменьшения тока потребления в режиме ожидания (или буферном режиме) УКиУ может отключить платы первого уровня от питания, но для этого необходимо предусмотреть специальный провод в шлейфе и возможность такого отключения.

Из данной структурной схемы также следует, что необходим достаточно скоростной интерфейс между платами контроля А1–А56 и блоком УКиУ. Каждый блок А1–А56 должен передавать данные о напряжении и температуре аккумулятора и принимать данные о включении или выключении своего балансировочного устройства (БУ). Скорость передачи данных будет зависеть от скорости обновления данных в системе. Если предположить, что данные должны меняться не реже, чем каждые 0,25 с, то необходимо обеспечить скорость (1+4+4) × 8 × 56 × 4 = 16 128 бит/с информации (если предположить, что объем передачи данных таков: 1 ячейка по 8 бит + 1 ячейка по 4×8 бит + 1 ячейка 4×8 бит каждая; для 56 устройств четыре раза в секунду). С учетом дополнительных мер помехоустойчивости (введением битов четности/нечетности, передачи адресов, служебной информации и т. д.) скорость передачи должна быть не менее 20 000 бит/с.

Если блоки А1–А56 строить не на специализированных микросхемах, то скорость передачи можно значительно снизить за счет передачи не символьной информации (например, U1 = 3,68 В), а в некотором коде (например, U1 = 3,68 В соответствует числу в двоичной форме — 10010111 в диапазоне 2,5–4,5 В). Однако в данном случае необходимо определиться с точностью передаваемых данных, то есть по цене деления младшего разряда. Скорость передачи данных можно также снизить, если каждое устройство во время работы будет передавать данные о состоянии аккумулятора не каждые 0,25 с, а только по необходимости — тогда, когда заданные параметры выходят или могут выйти за установленные пределы. Однако для принятия решения головным УКиУ циркуляция данных должна быть периодической от каждого блока А1–А56.

Как видно из очень оценочных рассуждений, скорости передачи данных хотя и велики, но не являются критическими, и современные устройства вполне могут с этим справиться. Необходимо при этом обратить внимание на то, что блок УКиУ должен не только работать на такой скорости, но и успевать обрабатывать получаемую информацию и реагировать на команды внешнего ПК или ЭВМ (если это необходимо). Его быстродействие должно превышать быстродействие блоков А1–А56. При этом потребление УКиУ будет значительным по сравнению с другими блоками. Увеличение скорости обмена данными приводит к увеличению энергопотребления А1–А56, так как они вынуждены работать на частоте передачи данных блока УКиУ. В любом случае при проектировании или эксплуатации готового СОФ это обстоятельство необходимо учитывать, скорость передачи данных должна быть прямо пропорциональна количеству ячеек и величине тока разряда АБ. Чем больше ток разряда, тем быстрее напряжение на ячейке достигнет конечного значения и может упасть до нуля, и тем чаще необходимо опрашивать устройства А1–А56, чтобы избежать этого. На практике обычно редко кто-либо собирает АБ, состоящую более чем из 60 последовательно соединенных аккумуляторов, и обычно быстродействия системы хватает, чтобы не загубить аккумуляторы на третьем цикле заряда/разряда.

Вне зависимости от того, каким образом будут выполнены БУ (активные или пассивные, управляемые/неуправляемые), на рис. 1 они показаны как отдельные блоки, входящие в состав A1–A56, и могут управляться от УКиУ, которое передаст команду на включение БУ в конкретный блок (A1 – A56). БУ может быть выполнено как единый блок (или блоки), не входящий в состав устройств A1–A56. Тогда управлять им должно УКиУ по отдельному или тому же каналу связи, что также налагает дополнительные функции на этот блок.

Тем не менее подобные готовые устройства встречаются на рынке. Они позиционируются в большинстве случаев как универсальные СОФ и могут выпускаться или под конкретные типоразмеры аккумуляторов, или как небольшие блоки, которые можно установить практически на любой аккумулятор. Для систем построения СОФ данного варианта характерна полная толерантность к способам подключения аккумуляторов в АБ. Действительно, если на каждом аккумуляторе установлена плата контроля и все они подсоединены к головной плате СОФ, то системе все равно, как соединены аккумуляторы — последовательно, параллельно или это вообще две разные батареи (как по напряжению, так и по емкости), работающие одновременно на одно и то же устройство. В любом случае при достижении конечных напряжений головное устройство СОФ отключит АБ от нагрузки или заряда.

К особенностям эксплуатации СОФ данного варианта можно отнести следующее: перед монтажом всей системы электропитания каждой плате, монтируемой на аккумулятор, должен быть присвоен свой уникальный номер для работы в сети таких устройств. Номера, как адреса устройств, в одной системе не должны повторяться, они могут быть уже установлены производителем и указаны на платах или присваиваться вручную (перемычки, джамперы, переключатели и т. д.) либо устанавливаться самим потребителем. В головном устройстве тогда должна быть соответствующая функция для прошивки адресов, и каждая плата перед установкой в систему должна пройти процедуру присвоения уникального адреса. Возможно также, что уже существуют системы с автоматическим распределением адресов. Все эти вопросы необходимо выяснить перед началом монтажа и эксплуатации систем данного типа.

Взаимодействие внутри системы этого типа не обязательно может быть построено с применением последовательных интерфейсов. Например, платы A1–A56 могут не передавать никаких данных в головное устройство, а просто выставлять «лог.1» на одном для всех проводе, сигнализируя, что напряжение на каком-то аккумуляторе вышло за установленные пределы. Тогда отпадает необходимость в процедуре прошивки адресов. Так были сделаны дешевые СОФ китайских производителей на заре производства литий-ионных аккумуляторов.

Из-за гибкости и некоторой универсальности системы СОФ данного типа часто приобретают «на пробу», то есть для обкатки тех или иных вариантов построения систем электропитания перед вынесением окончательного решения и проектированием собственной СОФ. Они популярны у всевозможных энтузиастов и изобретателей, а также могут применяться и в учебных целях, где в процессе обучения каждый раз могут собираться разные по составу АБ.

На рис. 2 приведены варианты реализации СОФ, построенной по принципу размещения отдельной платы на аккумулятор. На рис. 2б показана плата, рассчитанная на два типоразмера аккумуляторов с креплением на токовыводы (борны) над перемычками. Второй вариант платы крепится на стойки, приклеенные к корпусу аккумулятора, над его предохранительным клапаном (рис. 2в). Такая плата имеет небольшие размеры и может устанавливаться на разные типы аккумуляторов.

Примеры реализации СОФ

Рис. 2. Примеры реализации СОФ: а) батарея из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; б) и в) платы контроля первого уровня, устанавливаемые на каждый аккумулятор фирмы Clean Energy

На платах видны линейки SMD-резисторов пассивной системы баланса с транзисторами, светодиод для визуализации процесса баланса, гальванически развязанный интерфейс в виде оптопар для связи с головной частью СОФ и т. д. Шлейф изготавливается с помощью обжимного инструмента по месту. На рис. 2а показана батарея, состоящая из 32 последовательно соединенных аккумуляторов, общее напряжение которой составляет более 100 В. Монтаж АБ можно произвести довольно быстро, важно при этом не перепутать «плюс» с «минусом» аккумулятора при установке плат. Судя по рисункам, правило четкой ориентации не распространяется на шлейф, подсоединение к разъему сделано симметричным вне зависимости от расположения плат (на рисунке не показана головная плата, устройства коммутации, датчик тока, LCD-индикатор и т. д.).

Количество плат (их общая площадь), объем элементной базы, применяемой при построении систем (и ее потребление от аккумуляторов) в рассмотренном варианте заставляет разработчиков оптимизировать и искать другие способы построения СОФ.

Вариант «восемь из семи»

Рассмотрим контроль восьми групп из семи аккумуляторов каждая. В данном варианте аккумуляторы в группе контролируются одним на всех устройством. Все подобные устройства (А1–А8) связываются с устройством координации, связи и управления коммутаторов АБ (рис. 3).

Вариант построения СОФ: восемь групп из семи ячеек

Рис. 3. Вариант построения СОФ: восемь групп из семи ячеек

Устройства контроля первого уровня А1–А8 контролируют группу аккумуляторов G1–G7 — такие параметры, как напряжение и температура. На рис. 3 показаны датчики температур в виде терморезисторов Rt1–Rt4. Данные передаются в УКиУ, осуществляющие такие же функции, как и в рассмотренном выше варианте. БУ выполнено в виде единого блока для группы аккумуляторов G1–G7 и управляется или от устройства второго уровня (УКиУ) или от внутреннего контроллера устройства А1.

При таком построении СОФ количество блоков уменьшается до восьми. Устройства контроля группы аккумуляторов А1–А8 передают данные или по запросу УКиУ, или при необходимости, когда заданные параметры выходят или могут выйти за установленные пределы. Часть задач по обработке данных возлагается на устройства первого уровня А1–А8, вследствие чего объем передаваемой и принимаемой информации снижается. УКиУ осуществляет управление БК АБ, контроль токов заряда/разряда и связь между СОФ АБ и ПК или внешней ЭВМ через порт RSxxx.

При заряде устройствам А1–А8 можно передать только среднее напряжение для всех аккумуляторов в АБ. Сами устройства А1–А8, приняв эти данные, вырабатывают решения о балансировке аккумуляторов в своей группе.

Как видно из схемы построения СОФ, часть функций контроля передана на устройства А1–А8, что снижает требования по быстродействию к блоку УКиУ.

Такой вариант подразумевает:

  • наличие восьми плат, состоящих либо из специализированных микросхем, либо микроконтроллеров общего назначения (без учета системы баланса);
  • плату УКиУ, датчик тока, устройство индикации и т. д.;
  • БК.

БУ выполнено в едином блоке и входит в состав блоков A1–A8 вне зависимости от способа балансировки (активная или пассивная). Единый блок для активных систем баланса будет занимать меньше места, так как выходные обмотки трансформатора могут быть намотаны на один сердечник БУ.

Данный вариант построения СОФ для мощных и высоковольтных аккумуляторных батарей в том или ином виде (в нашем случае подварианты — два из 28, четыре из 14, 14 из четырех, 28 из двух) является основным в международной практике построения СОФ АБ, и в Интернете найдется множество тому примеров. Самым важным критерием построения СОФ в данном варианте является оптимизация числа контролируемых аккумуляторов в единой группе (28, 14, 8, 7, 4, 2). Здесь на выбор подварианта будут влиять такие факторы, как:

  • способ размещения групп аккумуляторов в модуле и их контроля;
  • максимальное число электронных компонентов и их энергопотребление, которое можно себе позволить при построении АБ;
  • способ монтажа и наладки АБ в готовом модуле;
  • ремонтопригодность вне изготовителя.

Обычно ключевыми являются факторы, которые носят больше конструктивный и эргономический характер, чем способствуют оптимизации системы по количеству электронных компонентов, входящих в состав изделия. Количество аккумуляторов, контролируемых одним блоком, не превышает 12–14, чем и определяется количество блоков первого уровня в АБ. Блоки первого уровня проектируются таким образом, чтобы перекрывать определенный диапазон подключаемых аккумуляторов, например к одному блоку можно подсоединить 8–12 аккумуляторов, или от двух до четырех. Такой диапазон позволяет гибко добавлять или убирать из АБ аккумуляторы, но налагает ограничение на их минимальное количество (в нашем примере восемь или два).

На рис. 4 показана построенная по рассматриваемому варианту СОФ российской фирмы «Литий-ионные технологии при ФТИ им. А. Ф. Иоффе». На рисунке видны платы первого уровня с пассивной системой баланса и возможностью подключения от шести до десяти последовательно соединенных аккумуляторов (на заднем плане), головная плата и плата питания (контактора, вентиляторов, головной платы, индикаторов и т. д.), контактор, датчик тока, предохранитель и LCD-индикатор. Платы первого уровня питаются от своей группы аккумуляторов. АБ с данным комплектом может разряжаться токами до 300 А. Головная плата имеет последовательный порт RS232 для вывода данных на ПК или в систему автоматики.

СОФ АБ

Рис. 4. СОФ АБ: платы первого уровня, контролирующие группу последовательно соединенных аккумуляторов

Как и в предыдущем варианте, каждая плата должна иметь свой уникальный адрес для работы в сети подобных устройств. Обычно адрес устанавливается с помощью переключателей, потребитель вряд ли запутается, ведь число плат, применяемых совместно в одной АБ, редко превышает 3–4 шт. (при подключении до 8–10 аккумуляторов к одной плате). Не исключены и другие варианты установки адресов, необходимо ознакомиться с документацией производителя или проектировать СОФ АБ удобным для эксплуатации образом.

Заметим, что данный вариант построения СОФ АБ позволяет заряжать группу аккумуляторов, контролируемую одной платой первого уровня, отдельно. Заряд и балансирование группы аккумуляторов в АБ возлагается на устройство нижнего уровня. Это позволяет не проектировать высоковольтное ЗУ (в нашем случае для 56 последовательно соединенных аккумуляторов, что составляет около 230 В), а обойтись группой низковольтных зарядных устройств (для 10 аккумуляторов выходное напряжение холостого хода ЗУ — 42 В), каждое из которых подключается через свой коммутатор к группе аккумуляторов. Каждый коммутатор управляется от своей платы первого уровня. Такой подход хотя и может выглядеть несколько громоздко и требует применения многоштырькового разъема, но позволяет удешевить систему в целом.

Вариант «один для 56»

Рассмотрим контроль состояния всех 56 аккумуляторов одним устройством. Данный вариант, как крайний случай построения системы обеспечения, можно реализовать несколькими способами. Построение СОФ с распределенными обязанностями подразумевает, что внутри системы существует несколько подсистем, которые делят свои обязанности между собой. Способ построения СОФ, где одно устройство (микроконтроллер) выполняет все функции контроля АБ, рассматривать не будем, так как это очевидное решение «в лоб», требующее больших вычислительных мощностей и микроконтроллеров со множеством выводов (6–8 портов ввод/вывод). Вариант построения системы контроля с распределенными обязанностями показан на рис. 5.

Вариант построения СК всех 56 аккумуляторов

Рис. 5. Вариант построения СК всех 56 аккумуляторов

В данном варианте контроль токов, напряжений и температур (I, U, t) аккумуляторов выполняется разными блоками, обозначенными на рис. 5. Так как обязанности распределены, то каждый блок несет свою долю ответственности за контроль необходимых параметров внутри системы. Распределение обязанностей уменьшает требование к быстродействию каждого блока, что оптимизирует энергопотребление всей системы. БУ может быть выполнено как единый блок или состоять из нескольких подблоков. На рис. 3 оно показано как единый блок. БУ может управляться от блока контроля напряжений U (что оптимально с точки зрения отсутствия дублирования функции измерения напряжений на аккумуляторах) или быть независимым и работать как самостоятельный блок.

Каждый блок может иметь одинаковый статус и передавать данные через единый порт RSxxx (показан пунктиром), минуя УКиУ и передавая ему только необходимую для принятия решений информацию. При таком построении адресное пространство взаимодействия блоков должно быть четко распределено внутри системы. Если связь с внешней ЭВМ организовать посредством блока УКиУ, то часть функций по передаче данных будет возлагаться на него (на рис. 3 порт RSxxx показан сплошной линией). Организация связей между блоками внутри СОФ не обязательно должна быть осуществлена только с помощью последовательного интерфейса. В некоторых случаях достаточно выставить на общий провод «лог.1» для обозначения возникновения того или иного события, что может упростить построение взаимодействия между блоками внутри СОФ.

Блок контроля напряжений U должен обладать достаточным быстродействием, чтобы следить за напряжениями 56 аккумуляторов, выдавать данные для БУ и организации взаимодействия с другими блоками. Однако быстродействия современных микроконтроллеров, имеющих в своем составе АЦП, достаточно для выполнения этой функции. Предположим, что необходимо измерить 64 раза (для усреднения данных) напряжение на каждом аккумуляторе — всего 64 × 56 = 3584 измерения за 0,25 с, то есть скорость должна быть не менее 14 336 измерений в секунду. Современные микроконтроллеры могут выполнять более 200 000 измерений в секунду (без учета всевозможных переходных процессов). Если требования по быстродействию обновления данных снизить (например, с 0,25 с до 1, поскольку напряжение на аккумуляторах не меняется быстро даже в конце разряда на токах до 0,5 Сн), то и быстродействие блока U можно уменьшить.

Способ увеличения быстродействия измерения напряжений — многоканальность. АЦП и микроконтроллеры со встроенным АЦП имеют не один, а несколько аналоговых входов для преобразования «напряжение–код». Если одновременно подать (через специальный драйвер уровней) не одно, а несколько напряжений на все входы, то можно сократить время обновления данных. Например, в один период времени будут измеряться напряжения на G1, G7, G14 и т. д. аккумуляторах. Само АЦП будет последовательно считывать напряжения на разных аналоговых входах.

Препятствием для построения блока U будет относительно низкое быстродействие ключей коммутации напряжений аккумуляторов для подачи в блок измерения (если для измерения применять, например, оптопары, а не воспользоваться другими способами построения мультиплексорной и измерительной частей блока U). Тогда блок измерения напряжений будет состоять из нескольких внутренних подблоков. При таком построении схема будет приобретать черты схемы «восемь из семи».

На практике реализация данного варианта построения СОФ встречается в том или ином виде (неважно, с распределенными обязанностями или без) только до определенного числа последовательно соединенных аккумуляторов в АБ. При увеличении числа последовательно соединенных аккумуляторов СОФ АБ неизбежно будет дробиться на более мелкие подсистемы, приобретая вид варианта «восемь из семи». Это происходит не только из-за схемотехнических сложностей, но и, как отмечалось выше, из-за удобства проектирования, монтажа, отладки, а также в связи с ограниченным набором элементной базы выпускаемой мировыми производителями. Максимальное число последовательно соединенных аккумуляторов в АБ, при построении системы данного варианта, встречавшееся автору, – всего 24 аккумулятора (около 100 В). Система построена без распределения обязанностей, поэтому СОФ была выполнена на одной плате и содержала всего один (но очень крупный, 8–10 портов ввод/вывод) микроконтроллер.

В заключение приведем пример построения «смешанной» системы контроля (рис. 6). На рисунке видно, что здесь нет необходимости в «толстом» соединительном жгуте от каждого аккумулятора, так как платы баланса устанавливаются непосредственно на борны аккумуляторов, а напряжение и температура каждого подается в СОФ через шлейф, легко монтируемый с помощью обжимного инструмента. Единственные провода, которые необходимо зачищать и подсоединять клеммы — это силовые.

АБ с ЗУ, система баланса которой выполнена как вариант 1, а СОФ построена по схеме 2 и/или 3

Рис. 6. АБ с ЗУ, система баланса которой выполнена как вариант 1, а СОФ построена по схеме 2 и/или 3

* * *

В обзоре приведены основные принципы построения систем обеспечения функционирования аккумуляторных батарей, состоящих из литий-ионных аккумуляторов.

Как было показано, СОФ АБ, особенно относительно высоковольтных (свыше 48 В), можно построить несколькими способами (их плюсы и минусы отмечены в таблице). Однако деление на варианты носит условный характер. Разработчику ничто не мешает при проектировании конкретной АБ объединить в проектируемой СОФ принципы всех представленных схемотехнических решений — например, при построении блока измерения напряжений воспользоваться вариантом 1, при построении других блоков применить принципы вариантов 2 и 3. Объединяя достоинства тех или иных способов построения систем контроля, можно получить приемлемый вариант для каждой конкретной задачи.

Таблица.

Варианты построения СОФ Достоинства Недостатки
56 групп из одной ячейки Минимальное количество проводов, идущих от аккумуляторов к системе первого и второго уровня СОФ;
простота построения схемотехнических решений;
простота монтажа любой АБ.
Неоптимальное энергопотребление за счет циркуляции большого объема данных и числа комплектующих (как минимум одна микросхема на один аккумулятор);
необходимость в специальных мерах защиты данных при передаче/приеме на высоких скоростях или в применении специальных помехоустойчивых интерфейсов (например, CAN).
Восемь групп из семи аккумуляторов каждая Меньшее число электронных компонентов по сравнению с предыдущим вариантом; снижение энергопотребления за счет меньшего количества микросхем (контроллеров) и снижения скорости обмена данными внутри системы;
модульность построения, что сокращает время на поиск неисправностей при наладке и ремонте всей системы.
Более сложное строение блоков по сравнению с предыдущим вариантом; необходимость в соединительном жгуте, идущем от групп аккумуляторов к блокам первого уровня;
в некоторых случаях требуется определенная последовательность при соединении блоков с аккумуляторами.
Одно устройство на 56 аккумуляторов Минимизация электронных компонентов, входящих в состав СОФ, за счет перераспределения обязанностей между блоками;
снижение энергопотребления и оптимизация массо-габаритных показателей системы.
Еще более сложное строение каждого блока;
отсутствие модульности в том виде, который присущ предыдущим вариантам;
более сложные монтаж и наладка конечного изделия.

Литература

  1. Рыкованов А. С. Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2009. № 1.
  2. Рыкованов А. С. Элементная база систем обеспечения функционирования Li-ion аккумуляторных батарей // Компоненты и технологии. 2012. № 8.
  3. Рыкованов А. С. Способы балансирования портативных железо-фосфатных Li-ion аккумуляторных батарей // Компоненты и технологии. 2012. № 10.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_05_61.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо