Система контроля и управления высокомощных литий-ионных аккумуляторных батарей

УДК

621.316

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2019.1.161

Аннотация

Лесозаготовительная отрасль на сегодняшний день весьма прибыльна и продукция ее востребована. Однако условия работы техники в районах лесозаготовок в России со-ответствуют III–V категориям эксплуатации. Актуальными являются проблемы, связанные с работой техники в холодный период года. В полной мере это относится и к системам электропитания, основу которых в ряде случаев могут составлять высоко-энергетические литиевые химические источники тока, обеспечивающие надежную работу лесозаготовительной техники и образцов специальной техники в сложных условиях эксплуатации. По сравнению с традиционными электрохимическими системами (никель-кадмиевой, никель-металлгидридной и свинцово-кислотной) литий-ионные аккумуляторные батареи обладают такими преимуществами, как высокие напряжение и плотность энергии, широкий диапазон рабочих температур, длительный срок хранения. Однако данные источники тока имеют ряд недостатков, одним из которых является их пожаро- и взрывоопасность, т. е. возможность возникновения при определенных условиях неуправляемых химических реакций, приводящих к возгоранию и взрыву. В статье показана необходимость применения в высокомощных литий-ионных аккумуляторных батареях электронных средств защиты, рассмотрены системы контроля и управления с пассивной и активной балансировкой аккумуляторов, предложены рекомендации по их эксплуатации. Приведены результаты испытаний экспериментального образца литий-ионной стартерной аккумуляторной батареи.

Сведения об авторах

А.С. Афанасьев¹, канд. техн. наук
М.А. Болдырев¹, ст. науч. сотр.
П.С. Воронцов¹, науч. сотр.
В.М. Суслов¹, канд. техн. наук, вед. науч. сотр.
Ю.Т. Котов², д-р техн. наук, проф.
В.К. Вороницын², канд. техн. наук, зав. каф.
А.А. Камусин², д-р техн. наук, проф.
¹Филиал ФГБУ «46 ЦНИИ» Минобороны России, ул. Комарова, д. 13, г. Мытищи, Московская обл., Россия, 141006; е-mail: hit-el@mail.ru
²Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (Мытищинский филиал), 1-я Институтская ул., д. 1, г. Мытищи, Московская область, Россия, 141005; e-mail: kotov46@inbox.ru, voronitsyn@mgul.ac.ru

Ключевые слова

системы контроля и управления, высокомощная литий-ионная аккумуляторная батарея, пожаро- и взрывобезопасность, пассивная и активная балансировка

Для цитирования

Афанасьев А.С., Болдырев М.А., Воронцов П.С., Суслов В.М., Котов Ю.Т., Вороницын В.К., Камусин А.А. Система контроля и управления высоко-мощных литий-ионных аккумуляторных батарей // Лесн. журн. 2019. № 1. С. 161–170. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.161

Литература

1. Ганзбург М.Ф., Груздев А.И., Кузовков А.В., Трофименко В.И. Принципы построения систем контроля и защиты литий-ионных аккумуляторных батарей // Физические проблемы водородной энергетики: тез. докл. V рос. конф., Санкт-Петербург, 16–18 нояб. 2009 г. СПб., 2009. С. 205–206.
2. Горбунов А.А., Бургонутдинов А.М., Бурмистрова О.Н., Тимохова О.М. К вопросу увеличения срока службы работы лесовозного автомобильного транспорта в суровых климатических условиях // Фундаментальные исследования. 2015. № 2-10. С. 2092–2098.
3. Котиков В.М., Егоров Л.И., Ерхов А.В., Куликов М.И. Теория и конструкция машин и оборудования отрасли (Колесные и гусеничные лесные машины). Т. 1. Двигатели внутреннего сгорания: учеб. М.: МГУЛ, 2007. 353 с.
4. Протоколы испытаний № 2-2014, 3-2014, 4-2014 испытательной лаборатории Филиала ФГБУ «46 ЦНИИ» Минобороны России. Мытищи, 2014.
5. Румянцев А.М., Рыкованов А.С., Беляев С.С. Современные литий-ионные аккумуляторы. Батареи на их основе // Компоненты и технологии. 2015. № 5. С. 96–100.
6. Рыкованов А. Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей // Силовая Электроника. 2009. № 1. С. 52–55.
7. Садовников А.В., Макарчук В.В. Литий-ионные аккумуляторы // Молодой ученый. 2016. № 23. С. 84–89.
8. Силаев Г.В. Тракторы и автомобили с основами технической механики: учеб. для вузов. М.: МГУЛ, 2009. 370 с.
9. Таганова А.А. Современный рынок герметичных аккумуляторов для портативной аппаратуры // Современная электроника. 2009. № 1. С. 10–12.
10. Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока: Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации: справ. СПб.: Химиздат, 2005. 264 с.
11. Gao H.-Q., Zhang Z.-A., La Y.-Q., Li J., Liu Y.-X. // J. Cent. S. University Technol. Sci. And Technol. Mining and Met. 2008. Vol. 15, no. 6. 830 p.
12. Wen S. Cell Balancing Buys Extra Run Time and Battery Life //Analog Applications Journal. 2009. 1Q (1-й квартал). Pp. 14–18. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/an/slyt322/slyt322. pdf (дата обращения: 16.01.19).
13. 電子デバイス・産業用機器 [Electronic Devices/Industrial Equipment]. Panasonic Site. Режим доступа: http://industrial.panasonic.com/jp/ (дата обращения 17.10.18).

Поступила 17.10.18

Ссылка на английскую версию:

The Control and Management System of High-Power Lithium-Ion Batteries

UDC 621.316
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.161

The Control and Management System of High-Power Lithium-Ion Batteries

A.S. Afanas’ev¹, Candidate of Engineering Sciences
M.A. Boldyrev¹, Senior Research Scientist
P.S. Vorontsov¹, Research Scientist
V.M. Suslov¹, Candidate of Engineering Sciences, Leading Research Scientist
Yu.T. Kotov², Doctor of Engineering Sciences, Professor
V.K. Voronitsyn², Candidate of Engineering Sciences, Head of Department
A.A. Kamusin², Doctor of Engineering Sciences, Professor
¹Branch of the 46th Central Rеsearch Institute of the Russian Defense Ministry,
ul. Komarova, 13, Mytishchi, Moscow Region, 141006, Russian Federation; е-mail: hit-el@mail.ru
²Bauman Moscow State Technical University, Mytishchi Branch, 1-ya Institutskaya ul., 1, Mytishchi, Moscow Region, 141005, Russian Federation; e-mail: kotov46@inbox.ru, vo-ronitsyn@mgul.ac.ru

Today the logging industry is very profitable and its products are highly-demanded. However, the operating conditions of vehicles in the Russian logging areas correspond to the 3rd – 5th operation categories. Topical issues connected with the vehicle operation in the cold period. It applies to power supply systems to the full extent. High-power lithium chemical current sources, which ensure reliable operation of logging vehicles and samples of special vehicles under difficult operating conditions, can be a base for the power supply systems. In comparison with traditional electrochemical systems (nickel-cadmium, nickel-metal hydride and lead-acid), lithium-ion batteries have such advantages as high voltage, and energy density, broad range of operating temperatures, long shelf life. However, these current sources have a number of drawbacks; one of which is risk of fire and explosion, i.e. the possibility of uncontrolled chemical reactions in certain conditions leading to flame development and detonation. The article shows the importance of usage electronic means of protection in high-power lithium-ion batteries; control and management systems with passive and active balancing of batteries; offered recommendations for their use. The results of testing an experimental sample of a lithium-ion starter battery are presented.

Keywords: control and management systems, high-power lithium-ion battery, fire and explosion safety, passive and active balancing.

REFERENCES

1. Ganzburg M.F., Gruzdev A.I., Kuzovkov A.V., Trofimenko V.I. Printsipy postroyeniya sistem kontrolya i zashchity litiy-ionnykh akkumulyatornykh batarey [Design Concepts of Monitoring and Protection Systems of Lithium-Ion Batteries]. Fizicheskiye problemy vodorodnoy energetiki: tez. dokl. V ros. konf., Sankt-Peterburg, 16–18 noyab. 2009 g. [Physical Issues of Hydrogen Energy: Proceedings of the 5th Russian Conf., Saint Petersburg, November 16–18, 2009]. Saint Petersburg, 2009, pp. 205–206.
2. Gorbunov A.A., Burgonutdinov A.M., Burmistrova O.N., Timokhova O.M. K voprosu uvelicheniya sroka sluzhby raboty lesovoznogo avtomobil’nogo transporta v surovykh klimaticheskikh usloviyakh [To the Issue of Increasing the Service Life of Logging Transport in Harsh Climate]. Fundamental’nyye issledovaniya [Fundamental Re-search], 2015, no. 2-10, pp. 2092–2098.
3. Kotikov V.M., Egorov L.I., Erkhov A.V., Kulikov M.I. Teoriya i konstruktsiya mashin i oborudovaniya otrasli (Kolesnyye i gusenichnyye lesnyye mashiny). T. 1. Dvigateli vnutrennego sgoraniya: ucheb. [Theory and Design of Machines and Equipment of the Industry (Wheeled and Tracked Forest Vehicles). Vol. 1. Internal Combustion Engines: Textbook]. Moscow, MGUL Publ., 2007. 353 p. (In Russ.)
4. Protokoly ispytaniy № 2-2014, 3-2014, 4-2014 ispytatel’noy laboratorii Filiala FGBU «46 TSNII» Minoborony Rossii [Testing Records no. 2-2014, 3-2014, 4-2014 of the Testing Laboratory of Branch of the 46th Central Scientific Research Institute, Ministry of Defense, Russia]. Mytishchi, 2014.
5. Rumyantsev A.M., Rykovanov A.S., Belyayev S.S. Sovremennyye litiy-ionnyye akkumulyatory. Batarei na ikh osnove [Modern Lithium-Ion Batteries. Batteries Based on Them]. Komponenty i tekhnologii [Components and Technologies], 2015, no. 5, pp. 96–100.
6. Rykovanov A. Sistemy balansa Li-ion akkumulyatornykh batarey [Balance Systems of Li-ion Batteries]. Silovaya Elektronika [Power Electronics], 2009, no. 1, pp. 52–55.
7. Sadovnikov A.V., Makarchuk V.V. Litiy-ionnyye akkumulyatory [Lithium-Ion Batteries]. Molodoy uchenyy [Young Scientist], 2016, no. 23, pp. 84–89.
8. Silayev G.V. Traktory i avtomobili s osnovami tekhnicheskoy mekhaniki: ucheb. dlya vuzov [Tractors and Automobiles with the Basics of Engineering Mechanics: Textbook for Universities]. Moscow, MGUL Publ., 2009. 370 p. (In Russ.)
9. Taganova A.A. Sovremennyy rynok germetichnykh akkumulyatorov dlya portativnoy apparatury [Modern Market of Sealed Batteries for Portable Equipment]. Sovremen-naya elektronika, 2009, no. 1, pp. 10–12.
10. Taganova A.A., Bubnov Yu.I., Orlov S.B. Germetichnyye khimicheskiye istochniki toka: elementy i akkumulyatory. Oborudovaniye dlya ispytaniy i ekspluatatsii: spravochnik [Sealed Chemical Current Sources: Elements and Batteries. Equipment for Testing and Operation: Handbook]. Saint Petersburg, Khimizdat Publ., 2005. 264 p. (In Russ.)
11. Gao H.-Q., Zhang Z.-A., La Y.-Q., Li J., Liu Y.-X. J. Cent. S. University Technol. Sci. And Technol. Mining and Met., 2008, vol. 15, no. 6. 830 p.
12. Wen S. Cell Balancing Buys Extra Run Time and Battery Life. Analog Applications Journal, 2009, 1Q, pp. 14–18. Available at: http://www.ti.com/lit/an/slyt322/ slyt322.pdf (accessed 17.10.18).
13. 電子デバイス・産業用機器 [Electronic Devices/Industrial Equipment]. Panasonic Site. Available at: http://industrial.panasonic.com/jp/ (accessed 17.10.18).

Received on October 17, 2018

---

For citation: Afanas’ev A.S., Boldyrev M.A, Vorontsov P.S., Suslov V.M., Kotov Yu.T., Voronitsyn V.K., Kamusin A.A. The Control and Management System of High-Power Lithium-Ion Batteries. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 2019, no. 1, pp. 161–170. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.161