RU124993U1

RU124993U1 - HIERARCHICAL THREE-LEVEL SYSTEM FOR HIGH-VOLTAGE ELECTRIC ENERGY STORAGE BATTERY MANAGEMENT

Info

Publication number: RU124993U1
Application number: RU2012137569/07U
Authority: RU
Inventors: Олег Иванович Сидоренко; Владимир Александрович Подлипалин; Алексей Александрович Евсейкин; Светлана Владимировна Бузаджи; Наталия Андреевна Полулях; Константин Сергеевич Дистранов; Эдуард Евгеньевич Данилов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Системы управления хранением энергии" (ООО "СУХЭ")
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2013-02-20

Abstract

Иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая связанные с борнами накопителей батареи блоки управления накопителями нижнего уровня управления, микроконтроллеры которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерам связанных с клеммами модулей соответствующих блоков управления модулями накопителей среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллеру связанного с клеммами батареи блока управления батареей верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ по последовательному каналу связи с гальванической развязкой и к электромагнитному коммутатору батареи через блок управления коммутатором, отличающаяся тем, что в нее введен дублирующий канал связи экстренного реагирования, содержащий соединенные с борнами накопителей и с источниками соответствующих опорных напряжений компараторы верхнего и нижнего уровней напряжений накопителей блоков управления накопителями, подключенные через логический элемент ИЛИ к устройству гальванической развязки с открытым коллектором, соединенным по шине аварийного сигнала нижнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления накопителями, с источником питания соответствующего блока управления модулем через подтягивающий резистор и с входом устройства гальванической развязки с открытым коллектором, соединенным по шине аварийного сигнала верхнего уровня управлA hierarchical three-level control system for a high-voltage battery of electric energy storage devices, powered by a battery and containing control units for low-level storage devices connected to the battery storage devices, the microcontrollers of which are connected via galvanic isolation via an intramodular serial communication channel to the microcontrollers connected to the module terminals of the respective control units of the medium storage modules intermodule serial control level communication channel with galvanic isolation to the microcontroller of the top-level battery control unit connected to the battery terminals connected to the on-board charger and external computer via a serial communication channel with galvanic isolation and to the battery electromagnetic switch through the switch control unit, characterized in that A backup emergency response communication channel has been introduced, containing a compar connected to the drive bourns and to sources of corresponding reference voltages high and low voltage voltage drives of drive control units connected via an OR logic element to an open collector isolated on the alarm bus of the lower control level to each other for all drive control units, with the power supply of the corresponding control unit of the module via a pull-up resistor and with the input of the galvanic isolation device with an open collector connected via the alarm bus of the upper control level

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании батарей электрических накопителей энергии различной природы: от литий-ионных аккумуляторов до ионисторов и химических источников тока в составе автономных систем электроснабжения, в том числе на транспорте, в устройствах бесперебойного питания, в системах оперативного постоянного тока и сетевых накопителях электроэнергии.The proposed utility model relates to the field of electrical engineering and can be used to create batteries of electric energy storage devices of various nature: from lithium-ion batteries to ionistors and chemical current sources as part of autonomous power supply systems, including in transport, in uninterruptible power supply systems, in systems operational direct current and network drives of electricity.

Известна иерархическая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии [см. статью «Особенности построения аппаратуры контроля и защиты высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей для систем электроснабжения космических аппаратов» / труды НПП «ВНИИЭМ», 2011, Т.123, №4, с.29-34 авторов М.Ф.Ганзбург, А.И.Груздев, В.И.Трофименко (ОАО «АВЭКС»)].A well-known hierarchical control system for a high-voltage battery of electric energy storage [see article "Features of the construction of control and protection equipment for high-voltage lithium-ion batteries for spacecraft power supply systems" / Proceedings of NPP VNIIEM, 2011, V.123, No. 4, p.29-34 authors M.F. Ganzburg, A. I.Gruzdev, V.I. Trofimenko (JSC "AVEKS")].

Известная система на нижнем уровне управления содержит модули электрических накопителей энергии с датчиками температуры, блоками задания идентификационных номеров накопителей и модулей и индикаторами их состояния, а также с устройствами выравнивания, коммутации, контроля и управления, связанными по последовательному каналу связи с модулем измерения тока и контроллером последовательного канала на среднем уровне управления, подключенным по последовательному каналу связи с блоком управления батареей верхнего уровня управления, к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ. Для повышения надежности работы в известной системе осуществляется резервирование (дублирование) модулей контроля и управления на нижнем уровне управления, а также использование на среднем уровне управления резервного канала обмена.The known system at the lower control level contains modules of electric energy storage devices with temperature sensors, blocks for specifying the identification numbers of storage devices and modules and indicators of their status, as well as alignment, switching, monitoring and control devices connected via a serial communication channel to the current measurement module and controller serial channel at an average control level, connected via a serial communication channel with the battery control unit of the upper control level, to the boron ovomu charger and an external computer. To increase the reliability of the work in the known system, redundancy (duplication) of control and management modules is carried out at the lower control level, as well as the use of a backup exchange channel at the average control level.

Недостатком известной системы является ее сложность, а также невозможность экстренного автоматического отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки в аварийных ситуациях перезаряда или переразряда накопителей батареи при отказах микроконтроллеров системы.A disadvantage of the known system is its complexity, as well as the impossibility of an emergency automatic disconnection of the battery from the charger or load in emergency situations of overcharging or overdischarging battery drives in case of failures of the microcontrollers of the system.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данной полезной модели является иерархическая система управления батареей электрических накопителей энергии по заявке РФ на полезную модель №2012132679 от 30.07.2012 г.In terms of the set of similar essential features, the hierarchical control system for the battery of electric energy storage devices closest to this utility model is according to the RF application for utility model No. 20112132679 dated July 30, 2012.

Известная трехуровневая иерархическая система, запитанная от батареи, состоит из микроконтроллерных блоков управления накопителями (БУН) на нижнем уровне управления, подключенных по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерным блокам управления модулями (БУМ) накопителей на среднем уровне управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллерному блоку управления батареей (БУБ) верхнего уровня управления, связанному с бортовым зарядным устройством (БЗУ) и внешней ЭВМ и подключенному к электромагнитному коммутатору батареи.The well-known three-level hierarchical system, battery-powered, consists of microcontroller storage control units (BUN) at the lower control level, connected via an intramodular serial communication channel with galvanic isolation to the corresponding microcontroller control units (BOOM) of drives at the middle control level, connected via intermodular serial communication channel with galvanic isolation to the microcontroller battery control unit (BUB) of the upper control level connected with the on-board charger (BZU) and external computer and connected to the electromagnetic switch of the battery.

Недостатком известной системы, выбранной в качестве прототипа, является невозможность экстренного отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки в аварийных ситуациях, когда какой-либо батарейный накопитель энергии приблизился к состоянию перезаряда или переразряда, а связанные с ним микроконтроллеры блоков БУН, БУМ или БУБ находятся в состоянии отказа.A disadvantage of the known system selected as a prototype is the impossibility of an emergency disconnection of the battery from the charger or load in emergency situations, when any battery energy storage device has approached the state of overcharge or overdischarge, and the microcontrollers of the BUN, BOOM or BUB units connected to it are located in state of failure.

Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача создания иерархической трехуровневой системы управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии с дублирующим каналом связи экстренного реагирования, позволяющим автоматически отключать батарею от зарядного устройства или нагрузки при перезаряде или переразряде накопителей батареи, минуя микроконтроллеры системы.The claimed utility model was tasked with creating a hierarchical three-level system for controlling a high-voltage battery of electric energy storage devices with a backup emergency response communication channel that allows the battery to be automatically disconnected from the charger or load when the battery storage devices are recharged or overloaded, bypassing the system microcontrollers.

Поставленная задача решается тем, что предложена иерархическая трехуровневая система управления высоковольтной батареей электрических накопителей энергии, запитанная от батареи и содержащая связанные с борнами накопителей батареи блоки управления накопителями нижнего уровня управления, микроконтроллеры которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к соответствующим микроконтроллерам связанных с клеммами модулей блоков управления модулями накопителей среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи с гальванической развязкой к микроконтроллеру связанного с клеммами батареи блока управления батареей верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ по гальванически развязанному последовательному каналу связи и к электромагнитному коммутатору батареи через блок управления коммутатором.The problem is solved by the fact that a hierarchical three-level control system for a high-voltage battery of electric energy storage devices is proposed, powered by a battery and containing control units for low-level storage devices connected to the battery storage devices, the microcontrollers of which are connected via galvanic isolation via an intermodular serial communication channel to the corresponding microcontrollers connected to the terminals of the modules of the control modules connected via an intermodular serial communication channel with galvanic isolation to the microcontroller of the top-level battery control unit connected to the battery terminals connected to the on-board charger and an external computer via a galvanically isolated serial communication channel and to the battery electromagnetic switch through the switch control unit.

Новым в предложенной системе является то, что в нее введен дублирующий канал связи экстренного реагирования, содержащий соединенные с борнами накопителей и с источниками соответствующих опорных напряжений компараторы верхнего и нижнего уровней напряжений накопителей блоков управления накопителями, подключенные через логический элемент ИЛИ к устройству гальванической развязки с открытым коллектором, соединенным по шине аварийного сигнала нижнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления накопителями, с источником питания соответствующего блока управления модулем через подтягивающий резистор и с входом устройства гальванической развязки с открытым коллектором, соединенным по выходу друг с другом для всех блоков управления модулями, с источником питания блока управления батареей через подтягивающий резистор и с входами микроконтроллера и блока управления коммутатором.New in the proposed system is that a redundant emergency response communication channel is introduced into it, which contains comparators of the upper and lower voltage levels of the drives of the drive control units connected to the accumulator burners and to the sources of the corresponding reference voltages, connected via an OR gate to an open-circuit galvanic isolation device a collector connected to the low-level alarm bus with each other for all drive control units, with a source Itani respective module control unit via a pullup resistor to the input device and a galvanic decoupling open collector coupled to the output of one another for all modules of the control units, a power source battery control unit through a pull-up resistor and input to the microcontroller and a switch control unit.

Технический результат заявленной полезной модели состоит в создании возможности экстренного автоматического отключения батареи от зарядного устройства или нагрузки при предаварийных состояниях накопителей батареи, минуя микроконтроллеры системы.The technical result of the claimed utility model consists in creating the possibility of an emergency automatic disconnection of the battery from the charger or load during the emergency conditions of the battery drives, bypassing the microcontrollers of the system.

На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленной системы.The figure shows a functional block diagram of the claimed system.

Заявленная система запитана от батареи и содержит связанные с борнами «+» и «-» накопителей батареи блоки управления накопителями 1 нижнего уровня управления, микроконтроллеры 2 которых подключены по внутримодульному последовательному каналу связи 3 с гальванической развязкой 4 к микроконтроллерам 5 связанных с клеммами «+» и «-» модулей соответствующих блоков управления модулями накопителей 6 среднего уровня управления, подключенных по межмодульному последовательному каналу связи 7 с гальванической развязкой 8 к микроконтроллеру 9 связанного с клеммами «+» и «-» батареи блока управления батареей 10 верхнего уровня управления, подключенному к бортовому зарядному устройству и внешней ЭВМ (на чертеже не показаны) по последовательному каналу связи 11 с гальванической развязкой (на чертеже не показана) и к электромагнитному коммутатору батареи (на чертеже не показан) через блок управления коммутатором 12. Блоки управления накопителями 1 содержат соединенные с борнами «+» и «-» накопителей и источниками соответствующих опорных напряжений Uon1 и Uon2 компараторы верхнего 13 и нижнего 14 уровней напряжений накопителей, подключенные через логический элемент ИЛИ 15 к устройству гальванической развязки 16 с открытым коллектором, соединенным по шине 17 аварийного сигнала нижнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления накопителями 1, с источником питания +U_м соответствующего блока управления модулем 6 через подтягивающий резистор 18 и с входом устройства гальванической развязки 19 с открытым коллектором, соединенным по шине 20 аварийного сигнала верхнего уровня управления друг с другом для всех блоков управления модулями 6, с источником питания +U_б блока управления батареей 10 через подтягивающий резистор 21 и с входами микроконтроллера 9 и блока управления коммутатором 12.The claimed system is battery-powered and contains the control units of the lower level controllers 1 connected to the battery “+” and “-” batteries, the microcontrollers 2 of which are connected via an internal module communication channel 3 with galvanic isolation 4 to the microcontrollers 5 connected to the “+” terminals and “-” of the modules of the respective control units of the drives of the middle control level 6, connected via an intermodular serial communication channel 7 with galvanic isolation 8 to the microcontroller 9 communication the data with the terminals “+” and “-” of the battery of the battery control unit 10 of the upper control level connected to the on-board charger and external computer (not shown in the drawing) via a serial communication channel 11 with galvanic isolation (not shown in the drawing) and to the electromagnetic the battery switch (not shown in the drawing) through the control unit of the switch 12. Storage control units 1 contain connected to the “+” and “-” drives and the sources of the corresponding reference voltages Uon1 and Uon2 comparators of the upper 13 and lower 14 drive voltage levels connected via OR 15 to an open collector 16 connected via the low-level alarm bus 17 to each other for all drive control units 1, with a power supply + U _{m of the} corresponding control unit for module 6 through a pull-up resistor 18 and with the input of the galvanic isolation device 19 with an open collector connected to each other for all control units via the alarm bus 20 of the upper control level eniya modules 6, a power source + U _b battery control unit 10 via a pull-up resistor 21 and the inputs from the microcontroller 9 and a switch control unit 12.

Заявленная система работает следующим образом.The claimed system operates as follows.

При отсутствии отказов в системе обмен информацией между микроконтроллерами 2, 5 и 9 блоков управления БУН, БУМ и БУБ соответственно осуществляется по последовательным каналам связи 3 и 7 через устройства гальванической развязки 4 и 8 соответственно. В случае отказа каналов связи 3, 7, устройств гальванической развязки 4, 8, либо микроконтроллеров 2, 5 и 9 обмен информацией между иерархическими уровнями управления батареей прекращается, и если при этом произойдет перезаряд или переразряд какого-либо накопителя батареи, то отключить батарею от зарядного устройства или нагрузки через канал последовательной связи будет невозможно. Однако, в этом случае начинает работать дублирующий канал связи экстренного реагирования, а именно: сигналы о перезарядке накопителя с выхода компаратора 13, подключенного к опорному напряжению Uon1, соответствующего верхнему уровню напряжения накопителя, либо переразряде с выхода компаратора 14, подключенного к опорному напряжению Uon2, соответствующего нижнему уровню напряжения накопителя, через логический элемент ИЛИ 15 поступят на вход устройства гальванической развязки 16 с открытым коллектором и на шину 17 аварийного сигнала нижнего уровня управления. Шина 17 объединяет все другие такие выходы блоков БУН 1 соответствующего батарейного модуля накопителей по схеме «монтажное ИЛИ» и соединена с подтягивающим к источнику питания +U_м блока БУМ 6 резистором 18 и входом устройства гальванической развязки 19 с открытым коллектором соответствующего блока управления модулем 6. Выходы устройств гальванической развязки 19 всех блоков БУМ 6 объединены шиной 20 аварийного сигнала верхнего уровня управления по схеме «монтажное ИЛИ» и соединены с подтягивающим к источнику питания +U_б блока управления БУБ 10 резистором 21 и входом блока управления коммутатором батареи 12, поэтому аварийный сигнал, возникший на нижнем уровне управления батареей, отключит батарею через блок управления коммутатором 12, минуя микроконтроллеры блоков управления БУН, БУМ и БУБ. При этом, для сообщения о срабатывании компараторов 13 и 14 аварийный сигнал верхнего уровня с шины 20 заводится также на вход микроконтроллера 9 блока управления батареей 10. Компараторы 13, 14 блока управления 1 накопителем могут быть выполнены на операционном усилителе LM2901D (Texas Instruments), логический элемент 15 ИЛИ - на микросхеме SN74LVC08AD (Texas Instruments), устройства гальванической развязки с открытым коллектором 16, 19 - на оптопаре FODM8801A (Fairchild).In the absence of failures in the system, the exchange of information between microcontrollers 2, 5 and 9 of the control units BUN, BOOM and BUB, respectively, is carried out via serial communication channels 3 and 7 through galvanic isolation devices 4 and 8, respectively. In the event of a failure of communication channels 3, 7, galvanic isolation devices 4, 8, or microcontrollers 2, 5, and 9, the exchange of information between hierarchical levels of battery management is terminated, and if this results in overcharging or overdischarge of any battery storage device, disconnect the battery from charger or load via serial communication will be impossible. However, in this case, a backup emergency response communication channel starts to work, namely: signals about recharging the drive from the output of the comparator 13 connected to the reference voltage Uon1, corresponding to the upper voltage level of the drive, or overdischarge from the output of the comparator 14 connected to the reference voltage Uon2, corresponding to the lower level of the drive voltage, through an OR 15 logic element, they will be fed to the input of the galvanic isolation device 16 with an open collector and to the alarm bus 17 of the lower level alarm vnya management. The bus 17 combines all other such outputs of the BUN 1 units of the corresponding battery storage module according to the “mounting OR” scheme and is connected to the resistor 18 pulling up to the power supply + U _m of the BOOM 6 unit and the input of the galvanic isolation device 19 with the open collector of the corresponding control unit of module 6. galvanic isolation device 19 outputs all blocks PCB 6 combined emergency bus 20 of the upper level control signal on a "mounting OR 'and connected to the pull-up to a power source + U _b of the control unit CU 10, a resistor 21 and the input battery switch control unit 12, so the alarm arising on a lower-level battery control, battery disconnect switch through the control unit 12, bypassing the microcontroller BUN control units MCU and Bub. Moreover, to report the operation of comparators 13 and 14, a high-level alarm signal from bus 20 is also sent to the input of microcontroller 9 of battery control unit 10. Comparators 13, 14 of drive control unit 1 can be executed on an operational amplifier LM2901D (Texas Instruments), a logical element 15 OR - on the chip SN74LVC08AD (Texas Instruments), galvanic isolation device with an open collector 16, 19 - on the optocoupler FODM8801A (Fairchild).

Claims

A hierarchical three-level control system for a high-voltage battery of electric energy storage devices, powered by a battery and containing control units for low-level storage devices connected to the battery storage devices, the microcontrollers of which are connected via galvanic isolation via an intramodular serial communication channel to the microcontrollers connected to the module terminals of the respective control units of the medium storage modules intermodule serial control level communication channel with galvanic isolation to the microcontroller of the top-level battery control unit connected to the battery terminals connected to the on-board charger and external computer via a serial communication channel with galvanic isolation and to the battery electromagnetic switch through the switch control unit, characterized in that A backup emergency response communication channel has been introduced, containing a compar connected to the drive bourns and to the sources of the corresponding reference the upper and lower voltage levels of the drives of the drive control units connected via an OR logic element to an open collector isolation device connected to each other for all drive control units via the lower level alarm bus, with the power supply of the corresponding control unit of the module via a pull-up resistor and with the input of the galvanic isolation device with an open collector connected via the alarm bus of the upper control level communication with each other for all module control units, with a battery control unit power supply through a pull-up resistor and with inputs of the microcontroller and the switch control unit.