PL B1. Układ do wyrównywania napięć ogniw baterii akumulatorów, zwłaszcza dla siłowni telekomunikacyjnych prądu stałego

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02J 7/00 ( ) H01M 10/48 ( ) G01R 31/36 ( ) H01M 10/42 ( ) (54) Układ do wyrównywania napięć ogniw baterii akumulatorów, zwłaszcza dla siłowni telekomunikacyjnych prądu stałego (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT ŁĄCZNOŚCI - PAŃSTWOWY INSTYTUT BADAWCZY, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 13/06 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/12 (72) Twórca(y) wynalazku: PAWEŁ GODLEWSKI, Warszawa, PL RYSZARD KOBUS, Warszawa, PL ZBIGNIEW MĄKOSZA, Warszawa, PL KAZIMIERZ NIECHODA, Warszawa, PL KRZYSZTOF OLECHOWSKI, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Halina Rynkiewicz PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ do wyrównywania napięć ogniw baterii akumulatorów, zwłaszcza dla siłowni telekomunikacyjnych prądu stałego przeznaczony do stosowania w dziedzinie telekomunikacji, zwłaszcza w siłowniach telekomunikacyjnych prądu stałego. Układ jest stosowany głównie w badaniach parametrów baterii VRLA telekomunikacyjnych o średnich i dużych pojemnościach, przy czym stanowi element przenośnego urządzenia pomiarowego, czasowo instalowanego w obiektach telekomunikacyjnych. W znanych systemach zasilania urządzeń telekomunikacyjnych stosowane są co najmniej dwie baterie akumulatorów, złożone typowo z 24 połączonych szeregowo ogniw o znamionowym napięciu 2V każda. O dobrym stanie tych baterii świadczy zbliżona (z dokładnością 0,5%) wartość napięć ich ogniw - zwłaszcza w końcowej fazie ładowania i rozładowywania. Urządzeniem przeznaczonym do pomiarów napięć ogniw baterii w obiektach telekomunikacyjnych jest np. MIB1 prod. EP&M. Znane są sposoby wyrównywania napięć na poszczególnych ogniwach baterii akumulatorów, głównie kwasowych oraz urządzenia pozwalające na realizację tego zadania. Sposoby te można podzielić na czynne i bierne. Sposób czynny pozwala na uzupełnienie ładunku ogniw opóźnionych, wykazujących się niższym napięciem w stosunku do pozostałych. Do tego celu wykorzystuje się szereg małych przetwornic napięcia reagujących na obniżenie się napięcia danego ogniwa. Ogniwom tym dostarczany jest dodatkowy ładunek wyrównujący ich opóźnienie w procesie ładowania. Wymaga to zastosowania wielu takich przetwornic, po jednej na każde ogniwo. Znany sposób bierny polega na odbieraniu ogniwom części ładunku, tym większej, im ogniwo wykazuje wyższe napięcie w stosunku do odpowiadającego mu napięcia pracy buforowej. Odbywa się to poprzez bocznikowanie ogniwa rezystancją o wartości napięciowo zależnej. Obwód bocznikujący powoduje przepływ niewielkiego prądu będącego w określonym stosunku do prądu napięcia pracy buforowej. Im wyższe jest napięcie danego ogniwa, tym większy jest ten prąd bocznikujący. Prąd zespołu prostownikowego ładującego baterię składa się z prądu napięcia pracy buforowej, przepływającego przez ogniwo, oraz z prądu bocznikującego. Widać z tego, że prąd zespołu prostownikowego wzrasta o średnią wartość prądu bocznikującego. Poszczególne ogniwa nie są jednak utrzymywane w tych samych warunkach prądowych w stanie pracy buforowej. Prąd konserwujący ogniw jest różny w zależności od napięcia poszczególnego ogniwa i jest funkcją napięcia danego ogniwa. Znane są wyrównywacze wykonane w postaci indywidualnych układów dołączonych na stałe równolegle do zacisków ogniw. Dla baterii złożonej z 24 ogniw stosuje się 24 takie wyrównywacze napięcia. Każdy wyrównywacz zawiera układ rozładowujący ogniwo prądem o stałej wartości, aktywowany mikrokontrolerem po przekroczeniu ustalonego napięcia (fabrycznie dobieranego do typu baterii). W znanym z patentu PL układzie do wyrównywania napięć w ogniwach baterii akumulatorów kwasowych, zwłaszcza VRLA, w stanie pracy buforowej wspólny układ procesorowy pomiarowo- -regulacyjny zawierający przetwornik DC/DC jest trwale połączony z ogniwami baterii akumulatorów. Znany z opisu patentowego PL układ modułów przekształtnika do konserwacji baterii akumulatorów składa się z połączonych ze sobą równolegle modułów przekształtnika, zapisujących wyniki, w tym napięcia ogniw (pomiar za pośrednictwem dzielników napięcia), w pamięci komputera. Znany z opisu patentowego US 6,983,212 B2 układ do wyrównywania napięć ogniw baterii akumulatorów jest przeznaczony do doładowywania w baterii akumulatorów o ogniwach połączonych szeregowo - ogniwa o najniższym napięciu w danym cyklu pomiarowym dla kontrolowanej (ładowanej lub rozładowywanej) baterii. Wadą powyższego rozwiązania jest konieczność zastosowania wspólnego regulowanego zasilacza dodawczego dołączonego indywidualnie przez dwa zestyki przekaźnika mechanicznego, dedykowanego do danego ogniwa, zaś budowa układu wymaga zastosowania indywidualnych przekaźników o dwóch zestykach zwiernych lub przełącznych dla każdego ogniwa baterii akumulatorów. Znane z opisu patentowego EP B1 urządzenie do pomiaru napięcia akumulatora ma zastosowanie w pojazdach z napędem akumulatorowym typu HEV lub PEV. W pojazdach tych musi być zapewniony odpowiedni stan naładowania akumulatorów i w związku z tym w sekcji kontroli akumulatora konieczne jest zastosowanie urządzenia do pomiaru napięcia celem dokładnych pomiarów napięcia każdego z ogniw w baterii akumulatora. Urządzenie posiada na wejściu liczne jednozestykowe przełączniki zgrupowane w sekcji pierwszej przełączników. Przełączniki te służą do dołączania urządzenia do wyjść ogniw kontrolowanej baterii, przy czym każda z par sąsiadujących przełączników

3 PL B1 3 z sekcji pierwszej sekwencyjnie połączona jest z dwoma odpowiadającymi wyjściami szeregowo połączonych ze sobą ogniw baterii akumulatora. W baterii akumulatora minus ogniwa pierwszego jest połączony z zestykiem zwiernym przekaźnika zerowego, plus ogniwa pierwszego połączony z minusem ogniwa drugiego jest połączony z zestykiem zwiernym przekaźnika pierwszego i tak dalej odpowiednio, a plus ogniwa ostatniego baterii akumulatora jest połączony z zestykiem zwiernym przekaźnika ostatniego. Przełączniki z sekcji pierwszej przełączników dołączone do wyjść dodatnich ogniw baterii akumulatorów są połączone ze sobą i są połączone z jedną elektrodą kondensatora oraz z zestykiem zwiernym pierwszego przełącznika należącego do sekcji drugiej przełączników, zaś zestyk ruchomy" pierwszego przełącznika należącego do sekcji drugiej przełączników dołączony jest do pierwszego wejścia wzmacniacza różnicowego. Przełączniki z sekcji pierwszej przełączników dołączone do wyjść ujemnych ogniw baterii są połączone ze sobą i są połączone z drugą elektrodą kondensatora oraz z zestykiem zwiernym drugiego przełącznika należącego do sekcji drugiej przełączników, którego zestyk ruchomy" jest dołączony do drugiego wejścia wzmacniacza różnicowego. Wyjście wzmacniacza różnicowego jest połączone z wejściem przetwornika A/D, którego wyjście, w przykładach wykonania urządzenia, może być opcjonalnie połączone z kontrolerem sekcji przełączników połączonym z sekcją pierwszą przełączników, z sekcją drugą przełączników i z sekcją trzecią przełączników połączoną ze wzmacniaczem różnicowym albo z sekcją kontroli napięcia odniesienia połączoną z sekcją pierwszą przełączników, z sekcją drugą przełączników i z przetwornikiem D/A, połączonym ze wzmacniaczem różnicowym. Wadą znanego urządzenia do pomiaru napięcia baterii akumulatora, w którym są zastosowane: kondensator, wzmacniacz różnicowy, przetwornik A/D, przetwornik D/A, kontroler sekcji przełączników i sekcja kontroli napięcia odniesienia oraz wiele sekcji przełączników jednozestykowych - jest jego skomplikowana budowa. Znany jest z opisu patentowego US 7,081,737 B2, układ do wyrównywania napięć ogniw baterii, w którym indywidualne układy wyrównywaczy o regulowanym prądzie obciążenia dołączone są trwale do każdego ogniwa kontrolowanej baterii. Typowym przykładem zastosowania są baterie do komputerów przenośnych (netebooki i netbooki). Rozwiązanie jest ekonomiczne dla baterii o małej liczbie ogniw. Wadą przy stosowaniu w znanych rozwiązaniach przekaźników elektromechanicznych dołączających miernik jest konieczność instalowania liczby 2-zestykowych przekaźników, równej liczbie ogniw, zaś przekaźniki zajmują dużo miejsca, a podczas ich pracy wytwarza się hałas, ponadto pomiar zajmuje 1 sekundę dla każdego ogniwa (ze względu na oczekiwanie na ustabilizowanie się styków) i łączny czas wykonania pomiaru dla całej baterii wynosi 24 sekundy. Ponadto w znanych rozwiązaniach układy do wyrównywania napięć ogniw baterii akumulatorów w siłowni telekomunikacyjnej (typowo 24 ogniwa) pracują wszystkie równocześnie, przy czym w celu realizacji wyrównywania napięć", układy dołączone do różnych ogniw muszą pracować z odpowiednimi, określonymi przez układ sterowania, zróżnicowanymi prądami. Układ do wyrównywania napięć ogniw baterii akumulatorów, zwłaszcza dla siłowni telekomunikacyjnej prądu stałego według wynalazku charakteryzuje się tym, że zestyki ruchome" przekaźników o numerach parzystych, połączone ze sobą i z wejściem pomiarowym ujemnym układu pomiaru napięcia, są jednocześnie połączone z końcówką czwartą układu obciążenia prądowego, zaś zestyki ruchome" o numerach nieparzystych, połączone ze sobą i z wejściem pomiarowym dodatnim układu pomiaru napięcia, są jednocześnie połączone z zestykiem zwiernym przekaźnika układu obciążenia, przy czym zestyk ruchomy" przekaźnika układu obciążenia jest połączony z końcówką trzecią układu obciążenia prądowego. Zaletą układu według wynalazku jest zapewnienie realizacji bardzo pożądanej (i kosztownej w innych znanych rozwiązaniach) funkcji wyrównywania napięć", kosztem niewielkiej rozbudowy układowej i programowej w stosunku do najoszczędniejszych znanych rozwiązań do pomiaru napięć ogniw wieloogniwowej baterii, szybka i cicha praca układu, możliwość zabezpieczania baterii akumulatorów przed przekroczeniem wartości granicznej napięć ogniw baterii, łatwość przystosowania do obsługi więcej niż jednej baterii akumulatorów oraz możliwość zastosowania w przenośnych urządzeniach pomiarowych do instalowania w obiektach telekomunikacyjnych celem prowadzenia badań parametrów baterii VRLA telekomunikacyjnych o średnich i dużych pojemnościach, przy czym zastosowanie w układzie przekaźników elektronicznych, z których każdy jest wspólny dla dwóch sąsiednich ogniw, doprowadziło do zmniejszenia liczby przekaźników i ich układów sterujących, a tym samym do uproszczenia budowy układu i zmniejszenia gabarytów urządzeń, w których układ jest stosowany.

4 4 PL B1 Jako przekaźniki mogą być stosowane miniaturowe i energooszczędne (pobór mocy < 2 mw) przekaźniki elektroniczne typu OptoMOS Układ do wyrównywania napięć ogniw baterii akumulatorów, zwłaszcza dla siłowni telekomunikacyjnej prądu stałego według wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu. W układzie do wyrównywania napięć ogniw baterii akumulatorów, zwłaszcza dla siłowni telekomunikacyjnej prądu stałego, według wynalazku, minus ogniwa pierwszego -Og1 jest połączony z zestykiem zwiernym 2 przekaźnika zerowego p00, plus ogniwa pierwszego +Og1 połączony z minusem ogniwa drugiego -Og2 jest połączony z zestykiem zwiernym 2 przekaźnika pierwszego p01, i tak dalej odpowiednio, a plus ogniwa ostatniego +OgN baterii jest połączony z zestykiem zwiernym 2 przekaźnika ostatniego pn, a zestyki ruchome" 1 przekaźników o numerach parzystych p00, p02,...pn, połączone ze sobą i z wejściem pomiarowym ujemnym - Vin układu pomiaru napięcia AD, ponadto jednocześnie połączone są z końcówką czwartą 4 układu obciążenia prądowego obc, zaś zestyki ruchome" 1 przekaźników o numerach nieparzystych p01, p03,...pn-1 połączone ze sobą i z wejściem pomiarowym dodatnim +Vin układu pomiaru napięcia AD, ponadto jednocześnie połączone są z zestykiem zwiernym 2 przekaźnika układu obciążenia pz, przy czym zestyk ruchomy" 1 przekaźnika układu obciążenia pz jest połączony z końcówką trzecią 3 układu obciążenia prądowego obc. Układ obciążenia pz dołączany jest na określony czas do ogniwa baterii wyznaczonego przez sterujący zewnętrzny układ procesorowy połączony z układem pomiaru napięcia AD. W rozwiązaniu, w którym zastosowano jednozestykowe przekaźniki elektroniczne, wykorzystano fakt, że do celów kontrolnych w obiektach telekomunikacyjnych wystarczy 3-krotny pomiar napięć ogniw (bloków) baterii akumulatorów w ciągu 1 minuty, gdyż systemy kontroli wymagają pomiaru co 1 minutę w stanach dynamicznych i co 15 minut w stanach statycznych, oraz że pomiar napięć poprzez szybkie przekaźniki elektroniczne dołączające przetwornik A/D kolejno do badanych ogniw/bloków baterii zajmuje pojedyncze sekundy, i że pomiędzy pomiarami istnieje znacząca przerwa czasowa. W rozwiązaniu zrealizowano wyrównywanie napięć ogniw baterii poprzez dodatkowe obciążanie ogniwa, które w ostatnim cyklu pomiarowym miało napięcie najwyższe. Przełączaniem przekaźników elektronicznych, samym pomiarem oraz dołączaniem obciążenia do ogniwa o najwyższym napięciu steruje mikroprocesor zgodnie z opracowanym na potrzeby przedmiotowego układu programem komputerowym wspomagającym wynalazek, w którym to programie uwzględniono, że układ pomiaru napięcia AD wykonuje cyklicznie pomiary wszystkich ogniw baterii, co parę sekund. W przerwach pomiędzy cyklami pomiarowymi przekaźniki dołączają do wejść pomiarowych dodatniego +Vin i ujemnego -Vin ogniwo o najwyższej wartości zmierzonego napięcia. Równolegle do układu pomiaru napięcia AD dołączone są szeregowo połączone zestyki przekaźnika układu obciążenia pz i układ obciążenia prądowego obc, o działaniu niezależnym od polaryzacji napięcia ogniw baterii, a mianowicie do wejścia pomiarowego ujemnego -Vin dołączona jest jedna strona układu obciążenia prądowego obc, którego druga strona dołączona jest do zestyku ruchomego 1 przekaźnika układu obciążenia pz, a zestyk zwierny 2 przekaźnika układu obciążenia pz dołączony jest do wejścia pomiarowego dodatniego +Vin. Podczas kontrolowania (ładowania lub rozładowywania) baterii - jeden wspólny element - układ obciążenia prądowego obc jest dołączany do ogniwa baterii o najwyższym w danym cyklu pomiarowym napięciu, za pomocą zestyków elektronicznych przekaźników, wspólnych dla dwu sąsiednich ogniw, przy czym układ obciążenia prądowego obc jest dołączany na czas przerwy pomiędzy pomiarami (np. na 9 sekund w cyklu 10 sekund). Zastosowany układ pomiaru napięcia AD z przetwornikiem A/D mierzy napięcie dodatnie lub ujemne pomiędzy wejściem pomiarowym dodatnim +Vin i wejściem pomiarowym ujemnym -Vin. Mierzone napięcie pochodzi z wybranego ogniwa, przy czym wyznaczenie mierzonego ogniwa następuje poprzez zwarcie zestyków dwu dołączonych do niego przekaźników, i tak dla pomiaru napięcia pierwszego ogniwa zwierane są zestyki przekaźnika zerowego (p00) i przekaźnika pierwszego (p01), dla pomiaru napięcia ogniwa drugiego zwierane są zestyki przekaźnika pierwszego (p01) i przekaźnika drugiego (p02), dla pomiaru napięcia ogniwa trzeciego - zestyki przekaźnika drugiego (p02) i przekaźnika trzeciego (p03), a dla pomiaru napięcia ostatniego ogniwa - zestyki przekaźnika przedostatniego (pn-1) i przekaźnika ostatniego (pn) spośród dołączonych do danej baterii, przy czym naprzemiennie na przetwornik A/D podawane jest napięcie dodatnie lub ujemne. Praca układu według wynalazku jest sterowana przez zewnętrzny układ procesorowy połączony z układem pomiaru napięcia AD do pomiaru napięć dodatnich i ujemnych. Zewnętrzny układ procesorowy okresowo dokonuje oceny napięć poszczególnych ogniw baterii i steruje załączeniem dwu prze-

5 PL B1 5 kaźników, od przekaźnika zerowego p00 do przekaźnika ostatniego pn, dołączanych do ogniwa o najwyższym napięciu oraz steruje załączaniem przekaźnika układu obciążenia pz. Zewnętrzny układ procesorowy działający zgodnie z opracowanym programem komputerowym wspomagającym wynalazek, decyduje, do którego ogniwa i na jak długi czas dołączany jest układ obciążający. Układ według wynalazku wchodzi w skład urządzenia pomiarowego, czasowo instalowanego w obiektach telekomunikacyjnych celem prowadzenia badań parametrów baterii VRLA telekomunikacyjnych o średnich i dużych pojemnościach i podczas pracy urządzenia mierzy napięcia całej baterii i poszczególnych ogniw w trakcie kontrolnego ładowania i wyładowania baterii. Prowadzone są również (nie objęte zgłoszeniem) pomiary prądu ładowania/wyładowania i temperatury pozwalające na pełną ocenę parametrów baterii, w tym jej pojemności. Pomiary napięcia ogniw pozwalają na prowadzenie badań w taki sposób, aby żadne z ogniw nie uległo uszkodzeniu na skutek przekroczenia napięć granicznych, a zastosowany układ wyrównujący pozwala na wyrównanie, w pewnym zakresie, napięć poszczególnych ogniw baterii. Zastrzeżenie patentowe Układ do wyrównywania napięć ogniw baterii akumulatorów, zwłaszcza dla siłowni telekomunikacyjnych prądu stałego, sterowany układem procesorowym, zintegrowany z układem pomiaru napięć ogniw baterii mierzącym napięcia dodatnie oraz ujemne, zawierający przetwornik A/D i jednozestykowe przekaźniki elektroniczne, dołączony do biegunów wszystkich ogniw baterii zestykami przekaźników elektronicznych przy zastosowaniu konfiguracji styków i ogniw zapewniającej liczbę styków o jeden większą niż liczba ogniw, w którym w baterii akumulatora minus ogniwa pierwszego jest połączony z zestykiem zwiernym przekaźnika zerowego, plus ogniwa pierwszego połączony z minusem ogniwa drugiego jest połączony z zestykiem zwiernym przekaźnika pierwszego i tak dalej odpowiednio, a plus ogniwa ostatniego baterii akumulatora jest połączony z zestykiem zwiernym przekaźnika ostatniego, zaś zestyki ruchome" przekaźników dołączone do wyjść dodatnich ogniw baterii są połączone ze sobą, a zestyki ruchome" dołączone do wyjść ujemnych ogniw baterii są połączone ze sobą, znamienny tym, że zestyki ruchome" (1) przekaźników o numerach parzystych (p00, p02,...pn), połączone ze sobą i z wejściem pomiarowym ujemnym (-Vin) układu pomiaru napięcia (AD), są jednocześnie połączone z końcówką czwartą (4) układu obciążenia prądowego (obc), zaś zestyki ruchome" (1) o numerach nieparzystych (p01, p03,...pn-1), połączone ze sobą i z wejściem pomiarowym dodatnim (+Vin) układu pomiaru napięcia (AD), są jednocześnie połączone z zestykiem zwiernym (2) przekaźnika układu obciążenia (pz), przy czym zestyk ruchomy" (1) przekaźnika układu obciążenia (pz) jest połączony z końcówką trzecią (3) układu obciążenia prądowego (obc).

6 6 PL B1 Rysunek Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)