Спосіб балансування напруги на конденсаторах з подвійним електричним шаром у накопичувачі енергії і накопичувач енергії, який реалізує цей спосіб

Реферат: Накопичувач енергії та спосіб балансування напруги на кожному з множини включених послідовно конденсаторів з подвійним шаром належить до галузі електротехніки, точніше накопичувачів електроенергії на з'єднаних послідовно конденсаторах з подвійним електричним шаром (КПШ). У способі, у якому за допомогою активних пристроїв, які живляться від напруги на зазначених КПШ, порівнюють напругу на окремих КПШ і розряджають КПШ з більшою напругою до рівня меншої напруги на КПШ, згідно з винаходом при зниженні сумарної напруги на зазначених КПШ нижче першого заздалегідь встановленого порогового рівня паралельно кожному з КПШ підключають розрядний резистор, а під час заряджання КПШ, при перевищенні сумарною напругою другого заздалегідь встановленого порогового рівня, який вище першого, розрядні резистори відключають від відповідних КПШ. У накопичувачі енергії, який включає множину включених послідовно КПШ, до кожної пари сусідніх КПШ підключені схема порівнювання напруг на КПШ і схема контрольованого перетікання заряду між ними, згідно з винаходом паралельно кожному КПШ приєднаний ланцюжок з послідовно з'єднаними розрядним резистором і парою керованих контактів бістабільного реле, яке підключене до виходу схеми порівняння сумарної напруги на усіх КПШ із заздалегідь встановленими пороговими напругами, причому вказана схема підключена до додаткового хімічного джерела струму. Технічний результат - забезпечення максимального накопичення енергії у накопичувачі. UA 111472 C2 (12) UA 111472 C2 UA 111472 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується галузі електротехніки, зокрема способів балансування напруги в накопичувачах енергії, що містять множину включених послідовно конденсаторів з подвійним електричним шаром (надалі - КПШ), які знаходять застосування в системах електростартерного пуску двигунів внутрішнього згоряння, гібридних автомобілях, електротранспорті, а також у резервних джерелах живлення. Конденсатори з подвійним електричним шаром характеризуються великою електричною ємністю, але вимагають застосування спеціальних схемотехнічних рішень для компенсації певних притаманних їм недоліків. Зокрема, в них присутні струми внутрішньої витоку, які можуть відрізнятися від зразка до зразка в декілька разів і залежать від температури. В процесі експлуатації значення ємності може деградувати на 30 %, а внутрішній опір збільшитися в 2 рази. У разі циклічних заряджань-розряджань множини включених послідовно КПШ розбіжність по ємності призведе до перенапруги і виходу з ладу тих із них, які втратять більшу частину ємності в порівнянні з іншими в послідовному ланцюжку. При тривалих паузах між заряджаннями відмінність в токах витоку призведе до розбіжності напруг на окремих КПШ, і при подальшому заряджанні це може також привести до надмірного заряду на тих з них, струми витоку яких мінімальні. Для запобігання перенапруги на окремих КПШ застосовують пристрої (схеми) балансування КПШ, які постійно контролюють напруги на окремих КПШ і примусово вирівнюють їх шляхом розряджання КПШ з більшою напругою до рівня КПШ з меншою напругою або шляхом перерозподілу заряду між окремими КПШ до досягнення рівності напруг. Відомий спосіб балансування напруги в накопичувачі енергії, що включає блок з множини з'єднаних послідовно КПШ для живлення навантаження, реалізований в пристрої за патентом США № 5977748, опубл. 02.11.1999 р. Накопичувач енергії складається з блока конденсаторів, схеми обмеження заряджання, яка містить шунтувальний ланцюг, підключений паралельно кожному конденсатору блока, і схеми вимірювання, причому кожна схема вимірювання підключена паралельно до кожного конденсатору блока. Схема обмеження заряджання виробляє напругу заряджання або розряджання, ґрунтуючись на опорній напрузі, за допомогою шунтуючого струму повз конденсатор, коли схема вимірювання виявляє, що напруга на конденсаторі досягла значення опорної напруги. Після ініціалізації, коли всі конденсатори розряджають звичайним струмом розряду і заряджають звичайним струмом заряджання, в результаті заряджаючого струму кожен конденсатор досягає опорної напруги без необхідності включення шунтуючого струму. Недоліком відомого способу є те, що балансування відбувається тільки під час процесу попередньої ініціалізації, і передбачається, що в процесі експлуатації струми витоку всіх КПШ є рівними і незмінними в часі, що не відповідає дійсності. В результаті, після тривалої паузи в роботі або зберігання блока з таким пристроєм балансування залишкові напруги реальних КПШ можуть відрізнятися одна від одної на 0,5 В - 1 В і більше через велику різницю струмів витоку, і при подальшому інтенсивному заряджанні струмами в десятки і сотні ампер напруга на окремих КПШ може перевищити припустиму і вивести КПШ з ладу. Або, за наявності системи запобігання перенапруг - до недостатнього заряду "відстаючих" КПШ на ті ж 0,5 В - 1 В. Найбільш близьким за технічною сутністю до запропонованого способу є спосіб балансування напруги на кожному із множини включених послідовно конденсаторів з подвійним електричним шаром (КПШ) у накопичувачі енергії, в якому за допомогою активних електронних пристроїв, а саме операційних підсилювачів, транзисторів і резисторів, які живляться від напруги на зазначених КПШ, порівнюють напругу на окремих КПШ і розряджають КПШ з більшою напругою до рівня КПШ з меншою напругою. Спосіб-прототип, який називають способом активного балансування, реалізований в пристрої за заявкою США US 2004/0263121 A1, опубл. 30.12.2004 р. Недоліком відомого способу є те, що реальні операційні підсилювачі не працездатні при напругах живлення, менших ±1,2 В. Це означає, що при жорстких умовах глибокого розряду або тривалої паузи в роботі блока з КПШ, напруга на окремих КПШ стане нижче, ніж мінімально необхідна напруга живлення (Vmin) схеми балансування. Таким чином, при подальшому розряді вирівнювання напруги вже відбуватися не буде, і за рахунок струмів витоку розбалансування напруги між окремими КПШ може досягти значень до 0,5 В - 1 В. Отже, при черговому інтенсивному заряджанні, в той час, коли на окремих КПШ напруга вже досягне номінального значення (зазвичай 2,5 В - 2,7 В), на інших вона буде на ті ж 0,5 В - 1 В менше, що призведе до того, що максимальне значення накопиченої енергії не буде досягнуто. 1 UA 111472 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу способу балансування, що заявляється, поставлено завдання забезпечення накопичення максимальної енергії блоком КПШ за рахунок збереження функції балансування КПШ при розряді КПШ нижче напруги працездатності операційних підсилювачів. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі балансування напруги на кожному з множини включених послідовно конденсаторів з подвійним електричним шаром в накопичувачі енергії, в якому за допомогою активних електронних пристроїв, наприклад, операційних підсилювачів, транзисторів і резисторів, що живляться від напруги на зазначених конденсаторах, порівнюють значення напруги на окремих конденсаторах і розряджають конденсатори з більшою напругою до рівня меншої напруги на конденсаторах, відповідно до винаходу, що заявляється, проведені наступні вдосконалення: під час розряджання накопичувача енергії контролюють сумарну напругу на множині зазначених включених послідовно конденсаторів; при зниженні зазначеної сумарної напруги нижче першого заздалегідь встановленого порогового рівня, що відповідає мінімальній напрузі живлення активних електронних пристроїв, паралельно кожному з конденсаторів підключають розрядний резистор; під час заряджання накопичувача енергії, при перевищенні сумарною напругою другого заздалегідь встановленого порогового рівня, який вище першого, розрядні резистори відключають від відповідних конденсаторів. Причинно-наслідковий зв'язок між проведеними вдосконаленнями і технічним результатом полягає в тому, що за рахунок однакового розряджання всіх КПШ, при подальшому інтенсивному заряджанні всі КПШ заряджаються до напруги, близької до номінальної, що відповідно накопиченню максимальної енергії. Цей спосіб є способом пасивного балансування. Як найближчий аналог для пристрою, що реалізує описаний вище спосіб, який заявляється, вибраний накопичувач енергії, описаний в тій же публікації, що і найближчий аналог для заявленого способу балансування. Цей накопичувач енергії включає множину з'єднаних послідовно конденсаторів з подвійним електричним шаром і для кожної пари зазначених конденсаторів - операційний підсилювач, підсилювач струму, перший подільник напруги на двох резисторах, резистор зворотного зв'язку і струмообмежувальний резистор, причому в кожній парі сусідніх конденсаторів до позитивного виводу першого конденсатора, негативний вивід якого з'єднаний з позитивним виводом другого конденсатора з пари, підключені виводи позитивного живлення операційного підсилювача і підсилювача струму, виводи негативного живлення яких підключені до негативного виводу другого конденсатора з пари, а між зазначеними виводами напруги з конденсаторів підключені послідовно два резистори подільника напруги, середня точка яких з'єднана з неінвертуючим входом операційного підсилювача, інвертуючий вхід якого з'єднаний через резистор зворотного зв'язку з середньою точкою вказаної пари конденсаторів, яка через струмообмежуючій резистор з'єднана з виходом підсилювача струму, вхід якого підключений до виходу операційного підсилювача. Цьому пристрою також властивий описаний вище недолік для способу, який він реалізує, а саме неповне заряджання блока конденсаторів після глибокого розряджання або після тривалого зберігання і, відповідно, недостатня кількість запасеної енергії. В основу винаходу, що заявляється, щодо пристрою поставлена задача домогтися максимального значення запасеної в блоку КПШ енергії після глибокого розряду або тривалого зберігання. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому накопичувачі енергії, що включає множину з'єднаних послідовно конденсаторів з подвійним електричним шаром і для кожної пари зазначених конденсаторів - операційний підсилювач, підсилювач струму, перший подільник напруги на двох резисторах, резистор зворотного зв'язку і струмообмежувальний резистор, причому в кожній парі сусідніх конденсаторів до позитивного виводу першого конденсатора, негативний вивід якого з'єднаний з позитивним виводом другого конденсатора з пари, підключені виводи позитивного живлення операційного підсилювача і підсилювача струму, виводи негативного живлення яких підключені до негативного виводу другого конденсатора з пари, а між зазначеними виводами напруги до конденсаторів підключені послідовно два резистори першого подільника напруги, середня точка яких з'єднана з неінвертуючим входом операційного підсилювача, інвертуючий вхід якого з'єднаний через резистор зворотного зв'язку з середньою точкою вказаної пари конденсаторів, яка через струмообмежувальний резистор пов'язана з виходом підсилювача струму, вхід якого підключений до виходу операційного підсилювача, відповідно до винаходу, що заявляється, проведені наступні удосконалення: накопичувач додатково містить бістабільні реле з сумарним числом пар керованих контактів, яке дорівнює або більше числа конденсаторів в накопичувачі, розрядні резистори, по одному для кожного з множини зазначених конденсаторів, хімічне джерело струму, другий резистивний 2 UA 111472 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 подільник напруги, джерело двох порогових напруг, два розв'язуючі діоди, двопороговий компаратор і розв'язуючий конденсатор, а паралельно кожному конденсатору додатково підключено ланцюжок з послідовно включеного розрядного резистора і пари керованих контактів бістабільного реле, обмотка якого одним кінцем з'єднана з загальною шиною, а іншим кінцем через розв'язуючий конденсатор - з виходом двопорогового компаратора, перший і другий входи якого з'єднані відповідно з першим і другим виходом джерела двох порогових напруг, третій вхід двопорогового компаратора з'єднаний із середньою точкою другого резистивного подільника напруги, один кінець якого з'єднаний із загальною шиною, а другий кінець - з позитивним виводом першого конденсатора і анодом першого діода, катод якого підключений до катода другого діода і виводів живлення джерела двох порогових напруг і двопорогового компаратора, а анод другого діода з'єднаний з позитивним полюсом хімічного джерела струму, негативний вивід якого з'єднаний із загальною шиною, з якою з'єднаний негативний вивід останнього конденсатора з подвійним електричним шаром множини. Технічний результат, як і у відношенні способу балансування що заявляється, полягає у забезпеченні можливості повного заряджання всіх конденсаторів множини до максимально допустимої напруги, після їх повного розряджання або тривалого зберігання і, відповідно, накопичення максимально можливої енергії. Нижче винахід більш детально описаний за допомогою доданих креслень. На фіг. 1 показаний графік зміни напруг на парі з множини КПШ за способом-прототипом. Напруга першого КПШ зображено пунктирною лінією, а другого - суцільною. На фіг. 2 показаний графік зміни напруг на парі з множини КПШ відповідно до винаходів, що заявляються. На фіг. 3 зображена структурна схема запропонованого пристрою. На фіг. 4 показаний графік зміни напруг на парі з множини КПШ, на виході двопорогового компаратора Vcom і на обмотці бістабільного реле Vc relay в запропонованому пристрої. Напруга першого КПШ зображена пунктирною лінією, а другого - суцільною. Спосіб-прототип, істотні ознаки якого включені в спосіб, що заявляється, реалізується наступним чином: Нехай вихідна напруга на першому КПШ з пари - V1, а на другому - V2 (фіг. 1). В процесі так званого активного балансування значення напруг зближуються при одночасному зниженні напруги на другому КПШ до рівня Vmin. (інтервал Т1). При падінні напруги нижче Vmin - рівня працездатності реальних підсилювачів схеми, вони вже не можуть виконувати балансування і через різниці струмів витоку КПШ, під час паузи розряд піде за різними кривими (інтервал Т2), в результаті чого утворюється різниця напруг ΔV на КПШ. При інтенсивному заряджанні від зовнішнього джерела після паузи (інтервал Т), напруги на КПШ зростатимуть синхронно, зберігаючи різницю ΔV, так як час для балансування занадто малий. Після заряджання (інтервал Т3) видно, що схема балансування починає знову вирівнювати напруги на КПШ. Наявність різниці ΔV напруги на КПШ не дозволяє зарядити обидва КПШ до максимуму і, отже, накопичити максимум енергії. Запропонований спосіб реалізується наступним чином: Нехай напруга на першому КПШ з пари V1, а на другому V2 (фіг. 2). В процесі роботи активного балансування значення напруг зближуються при одночасному зниженні напруги на другому КПШ до рівня Vmin (інтервал Т1). Коли сумарна напруга на блоку КПШ стає менше першого встановленого порогового рівня Vp1, що відповідає мінімальній напрузі живлення активних електронних пристроїв (відповідає напрузі Vmin на КПШ), паралельно кожному КПШ підключають розрядні резистори, і вони швидше, ніж у прототипі, розряджаються майже до 0 В (інтервал Т2 пасивного балансування). При інтенсивному заряджанні від зовнішнього джерела після паузи (інтервал Т), напруги на КПШ ростуть синхронно. При відсутності різниці напруг і в момент, коли напруга перевищує другий заздалегідь встановлений пороговий рівень Vp2 (фіг. 2), який вище, ніж Vp1, розрядні резистори (резистори так званого пасивного балансування) відключають від відповідних КПШ. Після заряджання (інтервал Т3) видно, що вирівнювати напруги на КПШ немає необхідності, тобто балансування не потрібно. Відсутність різниці ΔV напруги на КПШ дозволяє зарядити обидва КПШ до максимуму напруги, отже, накопичити максимум енергії. Один з варіантів реалізації пристрою, що заявляється, представлений на фіг. 3, де зображена його структурна схема. Пристрій містить блок послідовно з'єднаних КПШ 1, операційний підсилювач 2, підсилювач струму 3, подільник напруги 4, резистор зворотного зв'язку 5, струмообмежувальний резистор 6, бістабільне реле 7, хімічне джерело струму 8, другий резистивний подільник напруги 9, джерело двох порогових напруг 10, перший і другий діоди 11, 12, двопороговий компаратор 13, розв'язуючий конденсатор 14, розрядний резистор 15, контакти бістабільного реле - 16. 3 UA 111472 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Пристрій, що заявляється, працює наступним чином: Нехай напруга на першому КПШ з пари - V1, а на другому - V2 (фіг. 4). У процесі роботи схеми активного балансування, значення напруг зближуються при одночасному зниженні напруги на другому КПШ до рівня Vmin (Інтервал Т1). Далі починається дія пасивного балансування (інтервал Т2). Двопороговий компаратор 13 порівнює напруги з виходу джерела двох порогових напруг 10 і другого резистивного подільника напруги 9, і в момент, коли напруга з подільника 9 стає менше першої порогової напруги Vp1, напруга на виході компаратора Vcom встановлюється на високому рівні. Конденсатор 14 при заряджанні створює позитивний струм в обмотці бістабільного реле 7, контакти 16 якого замикаються і підключають паралельно до КПШ розрядні резистори 15, напруги на КПШ порівняно швидко і синхронно зменшуються, не створюючи різниці напруг. Реле 7 споживає енергію тільки під час перемикання. Після закінчення інтервалу Т2 починається інтенсивне заряджання накопичувача енергії, який триває протягом інтервалу Т. У момент перевищення напругою на виході другого подільника 9 напруги другого порогового рівня, стан двопорогового компаратора 13 змінюється на нульовий, і розв'язуючий конденсатор 14 при розряджанні створює негативний струм в обмотці бістабільного реле 7 (Т2-Т3), яке змінює свій стан, розмикає контакти 16 і залишається в цьому стані, не споживаючи енергії. Після заряджання (інтервал Т3) видно, що вирівнювати напруги на КПШ немає необхідності, тобто балансування не потрібно. Відсутність різниці ΔV напруги на КПШ дозволяє зарядити обидва КПШ до максимуму напруги, отже накопичити максимум енергії. Приклад реалізації Був зібраний блок з шести послідовно з'єднаних КПШ 1 ємністю по 100 Ф з системою балансування, зібраною на операційних підсилювачах 2 типу TS921 з підключеним, згідно опису, підсилювачем струму 3 у вигляді компліментарної пари з npn (MJD44H11) і pnp (MJD45H11) транзисторів, які включені як емітерний повторювач і до виходу яких підключені струмообмежувальні резистори 6 опором 5 Ом. Блок був заряджений до напруги 15 В (2,5 В х 6), потім розряджений до напруги 8,1 В (1,35 В х 6). Один з КПШ 1 примусово дозарядили до 1,5 В. Система балансування розрядила його до рівня інших КПШ 1 менш ніж за 1 годину (інтервал T1), потім через зовнішнє навантаження блок розрядили до приблизно 1,3 В на кожний КПШ, що близько до мінімальної напруги ±1,3 В живлення операційних підсилювачів 2 (загальна напруга стала менша за 7,8 В). Перша порогова напруга на виході джерела 10 двох порогових напруг була задано 3,9 В. На виході другого резистивного подільника напруги 9, напруга стала менша за 3,9 В, і стан двопорогового компаратора 13 швидко змінився з 7,8 В на виході до 0 В. У момент перепаду напруги, розв'язуючий конденсатор 14 створив в обмотці бістабільного реле 7 (обмотка розрахована на 3 В) струм протягом 30-40 мс, бістабільне реле 7 за 20 мс перемкнулося в стан замкнутих контактів 16, після чого залишилося в цьому положенні після зняття напруги на обмотці. Паралельно кожному КПШ 1 контактами 16 реле 7 підключені розрядні резистори 15 по 5 кОм. Через 48 годин (інтервал Т2) напруга на всіх КПШ 1 знизилося до 0,4 В (сумарна напруга на блоку - 2,4 В). Розкид напруг на окремих КПШ 1 не перевищував 20 мВ. Живлення компаратора зберігалося через діод 11 на рівні напруги хімічного джерела 8 струму (літієва батарея) близько 6 В. Після цього до блока конденсаторів підключили зовнішній зарядний пристрій напругою 12 В і струмом заряджання 10 А. Через 6,5 секунд напруга на виході другого подільника 9 напруги перевищила рівень другої порогової напруги (4,1 В), двопороговий компаратор 13 переключився в нульовий стан, і розв'язуючий конденсатор 14 розрядився через обмотку бістабільного реле 7 за 30-40 мс. Реле переключилося за 20 мс в стан розімкнутих контактів 16, після чого залишилося в цьому положенні без споживання енергії. Через 20 секунд після початку заряджання загальна напруга на блоку КПШ 1 досягла 12 В, і заряджання припинилося. Напруга на кожному КПШ 1 досягла 2 В, і розбаланс не перевищував 30 мВ. Цієї напруги достатньо для роботи системи активного балансування. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Спосіб балансування напруги на кожному з множини включених послідовно конденсаторів з подвійним електричним шаром в накопичувачі енергії, в якому за допомогою активних електронних пристроїв, які живляться від напруги на зазначених конденсаторах, порівнюють напругу на окремих конденсаторах і розряджають конденсатори з більшою напругою до рівня меншої напруги на конденсаторах, який відрізняється тим, що під час розряджання накопичувача енергії контролюють сумарну напругу на множині зазначених включених 4 UA 111472 C2 5 10 15 20 25 30 35 послідовно конденсаторів і при зниженні її нижче першого заздалегідь встановленого порогового рівня, що відповідає мінімальній напрузі живлення активних електронних пристроїв, паралельно кожному з конденсаторів підключають розрядний резистор, а під час заряджання накопичувача енергії, при перевищенні сумарною напругою другого заздалегідь встановленого порогового рівня, який вище першого, розрядні резистори відключають від відповідних конденсаторів. 2. Накопичувач енергії, який включає множину включених послідовно конденсаторів з подвійним електричним шаром і для кожної пари зазначених конденсаторів - операційний підсилювач, підсилювач струму, перший подільник напруги на двох резисторах, резистор зворотного зв'язку і струмообмежувальний резистор, причому в кожній парі сусідніх конденсаторів до позитивного виводу першого конденсатора, негативний вивід якого з'єднаний з позитивним виводом другого конденсатора з пари, підключені виводи позитивного живлення операційного підсилювача і підсилювача струму, виводи негативного живлення яких підключені до негативного виводу другого конденсатора з пари, а між зазначеними напругами живлення послідовно включені два резистора першого подільника напруги, середня точка яких з'єднана з неінвертуючим входом операційного підсилювача, інвертуючий вхід якого з'єднаний через резистор зворотного зв'язку з середньою точкою вказаної пари конденсаторів, яка через струмообмежувальний резистор з'єднана з виходом підсилювача струму, вхід якого підключений до виходу операційного підсилювача, який відрізняється тим, що додатково містить бістабільні реле, сумарне число пар керованих контактів яких дорівнює або більше числа конденсаторів з подвійним електричним шаром, розрядні резистори, по одному для кожного з множини зазначених конденсаторів, хімічне джерело струму, другий резистивний подільник напруги, джерело двох порогових напруг, два розв'язуючі діоди, двопороговий компаратор і розв'язуючий конденсатор, причому паралельно кожному конденсатору з подвійним електричним шаром підключений ланцюжок з послідовно включених розрядного резистора і пари керованих контактів бістабільного реле, обмотка якого одним кінцем з'єднана з загальною шиною, а іншим кінцем через розв'язуючий конденсатор - з виходом двопорогового компаратора, перший і другий входи якого з'єднані відповідно з першим і другим виходом джерела двох порогових напруг, третій вхід двопорогового компаратора з'єднаний із середньою точкою другого резистивного подільника напруги, один кінець якого з'єднаний із загальною шиною, а другий кінець - з позитивним виводом першого конденсатора з подвійним електричним шаром і анодом першого діода, катод якого підключений до катода другого діода і виводом живлення джерела двох порогових напруг і двопорогового компаратора, а анод другого діода з'єднаний з позитивним полюсом хімічного джерела струму, негативний вивід якого з'єднаний з загальною шиною, з якою з'єднаний негативний вивід останнього конденсатора з подвійним електричним шаром з множини. 5 UA 111472 C2 6 UA 111472 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7