CC BY
142Решетневскуе чтения. 2017
УДК 621.316
УСТРОЙСТВО БАЛАНСИРОВКИ ЭЛЕМЕНТОВ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
А. В. Иванов*, А. А. Правикова, Н. Н. Цебенко, А. Г. Юдинцев
Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники Российская Федерация, 634034, г. Томск, ул. Белинского, 53 Е-mail: [email protected]
Приведено описание модуля контроля и управления, предназначенного для работы в составе литий-ионной аккумуляторной батареи космического аппарата.
Ключевые слова: контроль параметров, литий-ионная аккумуляторная батарея, выравнивание ячеек.
ELEMENT BALANCING DEVICE OF LITHIUM ION BATTERIES
А. V. Ivanov*, A. A. Pravikova, N. N. Tsebenko, A. G. Yudintsev
Scientific Research Institute of Automation and Electromechanics of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics 53, Belinsky Str., Tomsk, 634034, Russian Federation Е-mail [email protected]
The article describes the monitoring and control module intended for operation in the lithium-ion battery of the spacecraft.
Keywords: parameter control, lithium-ion rechargeable battery, cell equalization.
Как известно, аккумуляторные батареи на основе Li-ion аккумуляторов используются повсеместно. Практически все перспективные космические аппараты оснащаются литий ионными аккумуляторными батареями (ЛИАБ) [1]. К их достоинствам можно отнести: высокие удельные характеристики, герметичность, большое количество циклов заряд/ разряд (до 1000) и ряд других особенностей [2].
Аккумуляторы имеют немного отличающиеся характеристики: внутреннее сопротивление, токи саморазряда в режиме хранения, скорость деградации электродных материалов и т. д. При заряде/ разряде все эти факторы приводят к появлению «окна» (рис. 1), которое приводит к снижению емкости батареи.
В настоящее время в состав аккумуляторных батарей с целью повышения их надежности и продления срока службы, вводится блок со схемой контроля параметров аккумуляторов. Общепринятое название этого блока - модуль контроля и управления (МКУ). МКУ также обеспечивает выравнивание напряжений на последовательно соединенных аккумуляторах [3].
Для космических аппаратов большое значение имеет нивелирование разбаланса напряжений единичных литий ионных аккумуляторов. Существует два метода выравнивания заряда на ячейках аккумуляторной батареи: «пассивный» и «активный» [4]. Принцип активного выравнивания состоит в том, что параллельно аккумуляторной ячейке с наименьшим напряжением подключается источник питания. Принцип пассивного выравнивания заключается в том, что параллельно аккумуляторной ячейке с наивысшим напряжением подключается разрядный резистор.
С целью повышения надежности и снижения массы в НИИ АЭМ ТУСУР был разработан модуль кон-
троля и управления, реализующий пассивный способ выравнивания [5]. МКУ состоит из устройства контроля напряжения аккумуляторов - три модуля измерения напряжения (МИН), устройства контроля напряжения АБ (входит в состав модуля МИН № 3), устройства контроля температуры - модуль измерения напряжения (МИС), устройства балансировки аккумуляторов, входит в состав модуля управления (МУ). Структурная схема МКУ представлена на рис. 2. МУ содержит следующие функциональные модули: модуль контроллеров (МК); модуль коммутации балансировочных резисторов (МКБР); устройство сопряжения с измерительными модулями (УС МИ); модуль питания (МП).
МП формирует внутреннюю шину питания 27 В для питания МКБР и внутреннюю шину переменного напряжения 27 В / 50 кГц из которого формируются необходимые питающие напряжения. Контроль температуры ЛИАБ осуществляется посредством пяти-канального модуля МИС. Контроль напряжений ЛИАБ осуществляется посредством трёх модулей МИН.
Для повышения надежности применено резервирование. Первый примененный способ резервирования -это нагруженный резерв. Таким способом подключены измеритель напряжения, измеритель сопротивления, канал модуля питания, контроллер, шина управления и ячейки коммутации. Второй способ резервирования -ненагруженный резерв. Таким способом подключены источники питания и интерфейсы Я^485.
Проведенный анализ условий работы компонентов и материалов в составе МКУ, позволяют утверждать, что прибор будет сохранять работоспособность 20 лет, включая режим летной эксплуатации в составе КА 15 лет.
Космическое и специальное электронное приборостроение
Ыаккцм.
Рис. 1. «Окно» разбаланса, снижающее емкость
Рис. 2. Структурная схема МКУ
Схемотехнические решения, примененные в МКУ, позволили добиться разности напряжений на ячейках аккумуляторной батарее в конце выравнивания менее 5 мВ и обеспечивают МКУ соответствие требованиям ГОСТ РВ 6601 по восприимчивости и по создаваемым электромагнитным помехам.
Библиографические ссылки
1. Хромов А. В. Литий-ионные аккумуляторные батареи низкоорбитальных космических аппаратов // Вопросы электромеханики, 2016. Т. 152. С. 20-28.
2. Рыкованов А. Система баланса Li-ion аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2009. № 1, С. 52-55.
3. Варламов Д. О., Яблочкин С. И., Еременко В. Г. Устройство выравнивания напряжения на ячейках Li-Ion аккумуляторной батареи и его моделирование в программе P-Spice // Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров: материалы международной научно-технической конференции ААИ, посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ», 2012. С. 9-14.
4. Moore S., Schneider P. A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems // SAE Technical Paper 2001-01-0959, 2001.
5. Иванов А. В., Правикова А. А. Система выравнивания и контроля для литий-ионных аккумуляторных батарей // Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем : сб. тезисов конф. ; АО «ИСС». Железногорск, 2017. С. 92-93.
References
1. Khromov A. V. Litiy-ionnye akkumulyatornye batarei nizkoorbital'nykh kosmicheskikh apparatov [Lithium-ion batteries of low-orbit spacecraft] // Voprosy elektromekhaniki, 2016. Vol. 152. p. 20-28. (In Russ.).
2. Rykovanov A. Sistema balansa Li-ion akkumulya-tornykh batarey [Balancing system for Li-ion rechargeable batteries] // Silovaya elektronika. 2009, Vol. 1. Pp. 52-55. (In Russ.)
3. Varlamov D. O., Yablochkin S. I., Eremenko V. G. Ustroystvo vyravnivaniya napryazheniya na yacheykakh Li-Ion akkumulyatornoy batarei i ego modelirovanie v programme P-Spice [Device for voltage equalization on cells of Li-Ion battery and its simulation in P-Spice program] // Avtomobile- i traktorostroenie v Rossii: prio-ritety razvitiya i podgotovka kadrov: materialy mezhdu-narodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii AAI, pos-vyashchennoy 145-letiyu MGTU "MAMI", 2012. p. 9-14.
4. Moore S., Schneider P. A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems // SAE Technical Paper 2001-01-0959, 2001.
5. Ivanov A. V., Pravikova A. A. Sistema vyravni-vaniya i kontrolya dlya litiy-ionnykh akkumulyatornykh batarey [Balancing and monitoring system for lithium-ion batteries] // Razrabotka, proizvodstvo, ispytaniya i ekspluatatsiya kosmicheskikh apparatov i sistem: sb. tezisov konf. ; AO "ISS", Zheleznogorsk, 2017. Pp. 92-93. (In Russ.)
© Иванов А. В., Правикова А. А., Цебенко Н. Н., Юдинцев А. Г., 2017
