Особенности организации и применения ячеек активной балансировки с расширенным диапазоном срабатывания ключей шунтирующих цепей в ионисторных модулях и накопителях акционерного общества «Элеконд»
DOI:
https://doi.org/10.22213/2413-1172-2021-3-68-77Ключевые слова:
ионистор, накопитель электрической энергии, ячейка активной балансировки, перенапряжение, шунтирующая цепьАннотация
Дано решение проблемы недостатка уровня напряжения для полного отпирания МОП-транзисторов, используемых в качестве ключей в шунтирующих цепях ячеек активной балансировки ионисторных накопителей. В частности представлена доработка широко распространенной двухполюсной схемы ячейки активной балансировки ионистора, состоящей из схемы сравнения и шунтирующей цепи с ключом на МОП-транзисторе. Актуальность проблемы подтверждается результатами анализа характеристик ключевых МОП-транзисторов при уровне отпирающего напряжения 2,5…2,7 В с выхода схемы сравнения. Показано, что этого напряжения недостаточно для обеспечения сопротивления канала, соответствующего полностью открытому транзистору, и протекания заданных токов шунтирования во всем диапазоне внешних воздействующих факторов, особенно при воздействии пониженной температуры от +15 до -60 °С. Представленное в статье решение по доработке схемы ячейки активной балансировки заключается в том, что между узлом сравнения и шунтирующей цепью вводятся схемы повышения напряжения. Их применение позволяет увеличивать напряжение на затворе ключевого МОП-транзистора в два, три, четыре и т. д. раз, что обеспечивает надежное срабатывание ключа шунтирующей цепи для разных токов шунтирования. Особенностью разработанных схем ячеек является трехполюсное включение, при котором подключение дополнительного вывода производится к соседней ионисторной ячейке. Такой способ включения разработанных ячеек активной балансировки обеспечивает удвоение отпирающего напряжения на затворе и является достаточным для надежного отпирания ключа на МОП-транзисторе при всех токах шунтирования при уровне напряжения зарядки ионисторов в накопителе 2,5…2,7 В. При шунтирующих токах порядка десятков ампер показана необходимость перехода к квазичетырехполюсному включению разработанной ячейки активной балансировки за счет разделения подводящих цепей питания (измерительных цепей) схемы сравнения и шин питания схемы повышения уровня с шунтирующей цепью. Показаны способы включения разработанных ячеек, позволяющие умножать отпирающее напряжение на затворе ключевого МОП-транзистора в три, четыре и более число раз. Приведены схемы и критерии необходимости применения такого включения. Практическая апробация разработанных трехполюсных и квазичетырехполюсных ячеек активной балансировки, проведенная на ионисторных накопителях электрической энергии АО «Элеконд», показала удовлетворительную стойкость и работоспособность при воздействии всей совокупности внешних воздействующих факторов.Библиографические ссылки
Ibanez F.M. Analyzing the Need for a Balancing System in Supercapacitor Energy Storage Systems. IEEE Trans Power Electron, 2018, vol. 33, no. 3, pp. 2162-2171.
Zheng Z., Wang K., Li Y., Liu H. and Chang F. A Modular-Cascaded Active-Balanced Storage System for Electric Transportation. IEEE Transportation Electrification Conf., 2018, pp. 1-6.
Матвеев А. И., Андреев С. А. Динамическая коммутация ионисторов в источниках питания элементов телеметрических систем // Аграрный научный журнал. 2019. № 1. С. 76-81.
Parvini Y., Siegel J.B., Stefanopoulou A.G. and Vahidi A. Supercapacitor electrical and thermal modeling identification and validation for a wide range of temperature and power applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, vol. 63, no. 3, pp. 1574-1585.
Степаненко В. П., Мальшаков И. Н. Перспективы применения в горной промышленности суперконденсаторных накопителей и возобновляемых источников энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень (Научно-технический журнал). 2017. № 6. С. 153-163.
German R., Sari A., Briat O., Vinassa J.-M. and Venet P. Impact of voltage resets on supercapacitors aging. IEEE Trans. Ind. Electron., 2016, vol. 63, no. 12, pp. 7703-7711. DOI: 10.1109/TIE.2016.2594786.
Акулинин С. А., Наролина Т. С., Проскурина И. С. Вопросы надежности систем аккумуляции и хранения энергии на основе модулей суперконденсаторов // Энергия - ХХI век. 2018. № 2 (102). С. 17-32.
Keshmiri V., Westerberg D., Andersson Ersman P. A silicon-organic hybrid voltage equalizer for supercapacitor balancing. IEEE J. Emerg. Sel. Top. Circuits Syst., 2017, vol. 7, no. 1, ppP. 114-122.
Li H., Peng J., He J., Huang Z., Pan J. and Wang J. Synchronized Cell-Balancing Charging of Supercapacitors: A Consensus-Based Approach. IEEE Trans Industrial Electron, 2018, vol. 65, no. 10, pp. 8030-8040.
Особенности и применение ионисторов в электротехнике / С. Б. Бибиков, А. А. Мальцев, Б. В. Кошелев, А. В. Гелиев // Практическая силовая электроника. 2016. № 3. С. 44-55.
Shili S., Hijazi A., Sari A., Lin-Shi X. and Venet P. Balancing Circuit New Control for Supercapacitor Storage System Lifetime Maximization. IEEE Trans. Power Electron, 2017, vol. 32, no. 6, pp. 4939-4948.
Стародубцева В. А., Шкляев М. О. Активная балансировка суперконденсаторов // Интеллектуальные системы в производстве. 2017. Т. 15, № 1. С. 41-46. DOI: 10.22213/2410-9304-2017-1-41-46.
Martin Ibanez F., Idrisov I., Martin F. and Rujas A. Design Balancing Systems for Supercapacitors Based on Their Stochastic Model. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2020, vol. 35, no. 2, pp. 733-745.
Кожушко Ю. В., Бондаренко А. Ф. Балансировка напряжения модульного накопителя энергии источника питания для контактной микросварки // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2017. № 4-5. С. 15-23.
Проблема мониторинга и балансировки аккумуляторных батарей транспортных средств / А. П. Иншаков, Ю. Б. Федотов, С. С. Десяев, Д. В. Байков // Вестник мордовского университета. 2016. Т. 26, № 1. С. 40-49. DOI: 10.15507/0236-2910.026.201601.040-049.
Шаркович Р. П. Оптимизация устройства балансировки Li-ION аккумуляторной батареи для гибридных автомобилей и электромобилей // Системный анализ и прикладная информатика. 2016. № 4. С. 38-44 (in Russ.).
Tavakoli A. Control and analysis of a modular bridge for battery cell voltage balancing. IEEE Trans. Power Electron., 2018, vol. 33, no. 11, pp. 9722-9733.
Горбачев В., Кочемасов В., Хорев С. Ионисторы // Компоненты и технологии. 2020. № 7 (228). С. 10-15.
Амелин С. А., Амелина М. А. Модель МОП-транзистора для использования в ключевом режиме // Практическая силовая электроника. 2019. № 4 (76). С. 17-26.
Ловшенко И. Ю., Стемпицкий В. Р., Шандарович В. Т. Физико-топологическая модель полевого транзистора, учитывающая деградацию эксплуатационных характеристик при влиянии ионизирующего излучения // Инфокоммуникационные и радиоэлектронные технологии. 2019. Т. 2, № 4. С. 466-475.
