Батарейная установка высокой мощности и способ управления батарейной установкой высокой мощности
Изобретение относится к аккумуляторным батареям большой мощности, в частности, для силовых приводов транспортных средств. Технический результат - обеспечение контроля отдельных батарейных модулей и их отключение при неисправности, в частности, для силовых приводов транспортных средств. Батарейная установка высокой мощности содержит электронное оборудование для контроля батарейной установки и множество батарейных модулей, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один перезаряжаемый аккумуляторный элемент и которые последовательно электрически соединены посредством линии рабочего тока таким образом, что во время работы по линии рабочего тока протекает рабочий ток. По меньшей мере, один из батарейных модулей сконструирован в виде буферного батарейного модуля, содержащего обходной выключатель и обходную линию, которые сконструированы и размещены таким образом, что при переключении обходного выключателя из нормального рабочего положения в положение обхода ток протекает по обходной линии в обход батарейного модуля. Электронное оборудование для контроля батарейной установки содержит блок контроля для каждого буферного батарейного модуля, который контролирует выделенный батарейный модуль и обнаруживает состояние неисправности модуля. При обнаружении состояния неисправности батарейного модуля одним из блоков контроля модулей электронное оборудование для контроля батарейной установки измеряет ток в линии рабочего тока и переключает обходной выключатель соответствующего буферного батарейного модуля (6) из нормального рабочего положения в положение обхода в тот в тот момент, когда по линии рабочего тока протекает ток меньшей величины, чем заданное предельное значение.3 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к батарейной установке высокой мощности, через которую протекает сильный ток и которая применима, в частности, в силовых приводах транспортных средств. Батарейная установка высокой мощности содержит множество батарейных модулей, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один перезаряжаемый аккумуляторный элемент, и которые последовательно электрически соединены посредством линии рабочего тока таким образом, что во время работы по линии рабочего тока протекает рабочий ток.
Батарейные установки высокой мощности применяются во многих передвижных устройствах, в которых требуется большая емкость и через которые могут протекать сильные токи порядка нескольких десятков или сотен ампер. Примерами применения батарейных установок высокой мощности являются передвижные инструменты или даже транспортные средства, в частности электромобили, в которых обычно генерируются максимальные токи в интервале от 100 А до около 400 А. Тем не менее батарейная установка высокой мощности также необходима в других электрических устройствах, в частности устройствах, которые содержат электродвигатель, а для запуска электродвигателя необходимы сильные токи.
Из уровня техники известно, что в случае использования батарейных установок необходимо осуществлять контроль отдельных аккумуляторных элементов во избежание повреждения или разрушения батарей, которое может происходить, например, вследствие избыточного заряда или неисправностей внутри аккумулятора.
Для предотвращения избыточного заряда отдельных элементов батарейной установки, содержащей множество перезаряжаемых аккумуляторных батарей, в заявке DE 10 2004 013 351 А1 предложено устройство для распределения заряда и контроля множества последовательно соединенных перезаряжаемых аккумуляторных батарей. Отдельные перезаряжаемые аккумуляторы контролируют путем регистрации входного напряжения, градиента напряжения и температуры во время зарядки. В случае неисправности посредством переменного импеданса прерывают или уменьшают подачу зарядного тока в соответствующую перезаряжаемую батарею, в результате чего активизируется режим обхода.
Опасные состояния могут возникать не только при зарядке, в частности, вследствие избыточного заряда, но также во время работы. Из уровня техники известно, что должны контролироваться различные рабочие состояния батарей и батарейных установок, и, как только возникает неисправность, неисправная аккумуляторная батарея должна изолироваться от батарейной установки. Одна из таких систем управления батарейной установкой предложена, например, в заявке 2008/0084182 А1.
В заявке US 2007/0212596 А1 описана система аварийного отключения батарейных установок, содержащих один или несколько аккумуляторных элементов, в частности ионно-литиевых аккумуляторных батарей, при отклонении определенных контролируемых параметров от контрольных значений. Например, проверяется температура аккумуляторных батарей. Если, по меньшей мере, в одном из элементов превышена заданная температура, все элементы могут отключаться электронным способом. В качестве альтернативы или дополнительно зарядовое состояние и цикл зарядки элементов могут контролироваться контрольным устройством. Также может контролироваться напряжение и(или) внутренний импеданс электрохимических элементов.
В заявке US 2002/0074861 А1 предложено устройство для отсоединения аккумулятора в транспортном средстве. В случае неисправности, когда безопасности транспортного средства или его пассажиров угрожает короткое замыкание, загорание, авария или аналогичная опасность, происходит отключение аккумулятора в транспортном средстве. Дополнительно предусмотрено, что устройство отключения может приводиться в действие и выключаться, чтобы тем самым полностью не обездвиживать транспортное средство. В качестве альтернативы, предусмотрен конденсатор во избежание полного прекращения подачи напряжения на аккумулятор даже в случае короткого замыкания или перепада напряжений, что позволяет осуществлять аварийное отключение. Это аварийное отключение предпочтительно обеспечивается посредством транзистора, который действует как выключатель, отсоединяющий аккумулятор.
Во многих областях применения аккумуляторных батарей, например в электромобилях, необходимо надежное и максимально быстрое отсоединение аккумулятора в случае неисправности. По этой причине в известном уровне техники для отсоединения неисправного аккумулятора или включения режима обхода используется сильноточный переключатель, рассчитанный на сильные рабочие токи аккумулятора. Тем не менее недостатком сильноточного переключателя является его очень высокая стоимость. Кроме того, для каждого аккумулятора или аккумуляторного элемента должен использоваться отдельный сильноточный переключатель. Это многократно увеличивает расходы, в особенности, когда в электромобилях используется большое число аккумуляторных элементов.
Помимо использования сильноточных переключателей также известен способ, в котором нарушают линию питания или линию рабочего тока отдельного аккумуляторного элемента, например, путем ее разрыва, чтобы она, по меньшей мере, разъединилась в случае серьезной неисправности.
Соответственно, в основу изобретения положена задача создания усовершенствованной батарейной установки высокой мощности с возможностью осуществления контроля отдельных батарейных модулей и их отсоединения при обнаружении состояния неисправности.
Эта задача решена за счет батарейной установки высокой мощности, признаки которой охарактеризованы в п.1, и за счет способа управления батарейной установкой высокой мощности, признаки которого охарактеризованы в п.15. В зависимых пунктах формулы изобретения, относящихся к соответствующим независимым пунктам, охарактеризованы предпочтительные неочевидные варианты осуществления батарейной установки высокой мощности согласно изобретению и способа согласно изобретению, соответственно.
Через батарейную установку высокой мощности согласно изобретению протекает сильный рабочий ток. Его максимальная величина обычно составляет, по меньшей мере, порядка нескольких десятков ампер, часто от 100 до около 400 ампер. Рабочим током является зарядный ток, от которого заряжается батарейная установка высокой мощности, или разрядный ток потребления энергии батарейной установки высокой мощности. Подразумевается, что в контексте настоящего изобретения термин "сильный рабочий ток" означает зарядный или разрядный ток порядка, по меньшей мере, 10 А, предпочтительно, по меньшей мере, 20 А. Батарейные установки высокой мощности такого рода особо применимы в силовых приводах транспортных средств, например, транспортных средств с электрическим приводом. Далее в описании рассмотрена батарейная установка высокой мощности для силовых приводов транспортных средств, и изобретение будет более подробно пояснено со ссылкой на силовой привод и электромобиль такого рода без ограничения общей применимости изобретения.
Батарейная установка высокой мощности содержит электронное оборудование для контроля батарейной установки и множество батарейных модулей. Каждый батарейный модуль содержит, по меньшей мере, один перезаряжаемый аккумуляторный элемент. Аккумуляторный элемент, который является закрытым устройством, может накапливать или испускать электроэнергию, иными словами, аккумуляторный элемент может заряжаться или разряжаться. Для этого необходимы химически активные вещества, которые содержаться в элементе. С точки зрения изобретения химически активными веществами являются электрохимически активные вещества положительного или отрицательного электрода, которые участвуют в окислительной или восстановительной реакции в процессе зарядки и разрядки. Электроды должны быть электрически изолированы друг от друга внутри аккумуляторного элемента. Тем не менее с помощью соответствующего электролита должен обеспечиваться перенос ионов между электродами.
Например, в ионно-литиевом аккумуляторном элементе химически активными веществами являются вещества, которые обеспечивают обратимое накопление или потерю несущих заряд ионов лития. Они являются основными компонентами положительного или отрицательного электрода. Например, положительный электрод может содержать окись лития и кобальта. Во время зарядки электрод испускает ионы лития, при этом ионы кобальта окисляются. Отрицательный электрод содержит, например, углерод, который восстанавливается при зарядке элемента, и при этом является акцептором ионов лития. Электролит состоит из органического растворителя или смеси растворителей и проводящей соли.
Аккумуляторный элемент согласно изобретению содержит электролит и химически активные вещества. В процессе работы аккумуляторного элемента не происходит пополнение, добавление или отвод ни химически активных веществ, ни электролита. Иными словами, не происходит добавление или извлечение ни электролита, ни химически активных веществ, и количество веществ в аккумуляторном элементе не подвергается какому-либо влиянию извне в процессе зарядки или разрядки, когда в аккумуляторный элемент втекает ток или из него вытекает ток. Элемент содержит все компоненты, необходимые для накопления энергии и обеспечивающие его зарядку и разрядку.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления аккумуляторный элемент имеет корпус, в котором содержатся химически активные вещества и электролит. Корпус закрыт таким образом, что в процессе работы элемента невозможно извлечение или пополнение ни химически активных веществ, ни электролита.
Аккумуляторный элемент содержит, по меньшей мере, одну пару электродов, включающую положительный электрод и отрицательный электрод. Таким образом в простейшей конфигурации аккумуляторный элемент содержит всего два электрода. Например, в цилиндрических элементах один отрицательный электрод и один положительный электрод свернуты в рулон. Аккумуляторный элемент предпочтительно имеет корпус с одним соединением для каждого электрода. Тем не менее один аккумуляторный элемент также может иметь множество положительных и отрицательных электродов. Типичные аккумуляторные элементы такого рода имеют конструкцию из нескольких слоев, которые расположены поверх друг друга или рядом друг с другом и площадь поверхности которых значительно превышает их толщину. Они имеют приблизительно одинаковые площади поверхности и образуют многослойную структуру внутри аккумуляторного элемента. Например, часто используются призматические аккумуляторные элементы с кубовидным корпусом. Обычно как положительные, так и отрицательные электроды соединены параллельно внутри аккумуляторного элемента.
Аккумуляторный элемент имеет два соединения (вывода), один из которых обеспечивает контакт с одним или несколькими положительными электродами, а другой вывод обеспечивает контакт с одним или несколькими отрицательными электродами, что позволяет подсоединять аккумуляторный элемент к электрической цепи.
Множество батарейных модулей в батарейной установке высокой мощности последовательно электрически подсоединено к линии рабочего тока, в результате чего во время работы батарейной установки высокой мощности по линии рабочего тока протекает рабочий ток (разрядный ток или зарядный ток). Линия рабочего тока соединяет, по меньшей мере, два соседних батарейных модуля. Тем не менее с точки зрения изобретения термин линия рабочего тока также используется для обозначения линии внутри батарейной установки высокой мощности, которая ведет к соединениям батарейной установки с нагрузкой.
По меньшей мере, один из батарейных модулей батарейной установки высокой мощности сконструирован в виде буферного батарейного модуля. Он содержит обходной выключатель и обходную линию. Обходной выключатель сконструирован таким образом, что при его нахождении в нормальном рабочем положении рабочий ток протекает через соответствующий (обходной) батарейный модуль. Обходная линия сконструирована и размещена таким образом, что при переключении обходного выключателя из нормального рабочего положения в положение обхода ток протекает по обходной линии в обход буферного батарейного модуля. Когда выключатель находится в положении обхода, рабочий ток протекает по обходной линии, а не через буферный батарейный модуль, как ранее, и не происходит короткого замыкания аккумуляторного элемента извне. Батарейная установка высокой мощности содержит блок контроля для каждого буферного батарейного модуля. Этот блок контроля модулей контролирует соответствующий буферный батарейный модуль и обнаруживает состояние неисправности модуля.
Способ согласно изобретению включает следующие стадии.
Обходные батарейные модули системы контролируются посредством блоков контроля модулей батарейной установки высокой мощности. Они обнаруживают состояния неисправности одного из батарейных модулей в случае его возникновения. Электронное оборудование для контроля батарейной установки измеряет ток в линии рабочего тока. Если батарейный модуль неисправен, проверяется, является ли величина тока в линии рабочего тока меньшей, чем заданное предельное значение, которое обычно определяется в зависимости от используемого обходного выключателя батарейной установки высокой мощности. Как только величина тока становится меньшей, чем предельное значение, обходной выключатель переключается из нормального рабочего положения в положение обхода. В результате, рабочий ток поступает в обход (соответствующего) буферного батарейного модуля, состояние неисправности которого было обнаружено, и протекает по обходной линии. Таким образом, в этом случае рабочий ток больше не протекает через неисправный батарейный модуль, и поступает в обход. Рабочий ток продолжает протекать через неповрежденные батарейные модули батарейной установки высокой мощности.
Преимуществом батарейной установки высокой мощности согласно изобретению является то, что в результате обнаружения состояния неисправности предотвращается внешнее короткое замыкание посредством обходного выключателя. Обходной выключатель сконструирован таким образом, что в случае неисправности рабочий ток отводится по отдельной обходной линии вместо подачи в обход неисправного батарейного модуля через соединители батарейного модуля. Следовательно, батарейный модуль больше не входит в силовую цепь батарейной установки высокой мощности, будучи отсоединенным от нее. Это означает, что если батарейный модуль содержит один аккумуляторный элемент, этот аккумуляторный элемент будет отсоединен. Этим способом предотвращается внешнее короткое замыкание в каждом из аккумуляторных элементов, иными словами, между их клеммами не может возникнуть короткое замыкание.
В случае обхода неисправного батарейного модуля посредством его соединений произошло бы внешнее короткое замыкание модуля. Если в батарейном модуле или электрохимическом аккумуляторном элементе происходит внешнее короткое замыкание, расходуется вся энергия, накопленная в аккумуляторном элементе, как в случае внутреннего короткого замыкания.
Например, известно, что в традиционных ионно-литиевых элементах с раствором органического электролита внутренние короткие замыкания приводят к состояниям, в которых в результате спонтанного выброса энергии происходит взрыв и загорание элемента. Соответственно, в целом короткое замыкание должно предотвращаться в аккумуляторе любого рода, содержащем электрохимически химически активные вещества. Это может надежно делаться с помощью выключателя аккумулятора согласно изобретению и модифицированной маршрутизации тока по обходной линии.
Электронное оборудование для контроля батарейной установки содержит все блоки контроля батарейных модулей, которые должны контролироваться, а также любые другие компоненты. Электронное оборудование для контроля батарейной установки обеспечивает все функции, необходимые для контроля и управления батарейной установкой высокой мощности. В частности, оно может содержать микропроцессор или другое аппаратное обеспечение. Некоторые из его функций могут обеспечиваться посредством программного обеспечения. Оно предпочтительно также способно выполнять дополнительные функции, например, связи с модулями или компонентами вне батарейной установки высокой мощности.
При обнаружении состояния неисправности обходного батарейного модуля измеряют ток в линии рабочего тока посредством электронного оборудования для контроля батарейной установки. Для этого используется один из компонентов электронного оборудования для контроля батарейной установки. Это предпочтительно осуществляется посредством блока контроля неисправного батарейного модуля. В этом смысле отдельные блоки контроля модулей способны функционировать изолированно и независимо друг от друга. Они могут быть сконфигурированы на измерение тока, его сравнение с заданным предельным значением и(или) приведение в действие обходного выключателя, чтобы он перешел из нормального рабочего положения в положение обхода. В этом случае каждый из них предпочтительно имеет собственный микропроцессор. В качестве альтернативы, некоторые или все из этих функций могут выполняться отдельным компонентом электронного оборудования для контроля батарейной установки.
Блоки контроля модулей также могут быть реализованы в форме аппаратного обеспечения и в некоторых случаях необязательно программного обеспечения. Разумеется, что электронные компоненты могут быть объединены в одном или нескольких узлах в зависимости от требований. В частности, каждому батарейному модулю в качестве отдельного узла может быть придан блок контроля модулей. Например, блоки контроля модулей могут передавать результаты измерения тока в линии рабочего тока какому-либо компоненту (например, микропроцессору) электронного оборудования для контроля батарейной установки, чтобы микропроцессор электронного оборудования для контроля батарейной установки сравнивал их с заданным предельным значением, которое хранится, например, в памяти электронного оборудования для контроля батарейной установки.
За исключением необходимых датчиков блоки контроля модулей предпочтительно объединены с центральным блоком электронного оборудования для контроля батарейной установки. Пространственное интегрирование может быть выгодным, поскольку позволяет создавать очень компактную конструкцию, в которой может быть объединено множество блоков контроля модулей. В этом варианте осуществления батарейные модули имеют лишь датчики, которые необходимы для регистрации состояния неисправности (например, датчик температуры). Результаты измерений подвергаются дальнейшей обработке в центральном блоке электронного оборудования для контроля батарейной установки.
Каждый блок контроля модулей контролирует выделенный батарейный модуль и обнаруживает состояние неисправности, если оно возникает. Состоянием неисправности батарейного модуля может являться отклонение рабочего параметра или параметра срабатывания от стандартного или нормального значения. Техническая неисправность или дефект, такой как перегрев, утечка или наличие чрезмерного давления на батарейный модуль также классифицируются как состояние неисправности. В целях контроля батарейного модуля могут измеряться или наблюдаться и сравниваться с нормальными значениями отдельные параметры, такие как напряжение, ток, цикл зарядки или температура. Состояние неисправности обнаруживается, как только контролируемое значение измерения отклоняется от нормального значения и выходит за диапазон допустимых значений в такой степени, что возникает опасность повреждения, загорания или взрыва аккумуляторного элемента или батарейного модуля. Обнаружение неисправностей и необходимые датчики известны специалистам, например, из уровня техники, в частности, из заявки DE 10 2004 013 351 А1.
В одном из особо предпочтительных вариантов осуществления аккумуляторными элементам батарейной установки высокой мощности являются щелочные аккумуляторы. Их активным металлом является один из металлов, выбранных из группы щелочных металлов, предпочтительно литий. Например, могут с успехом применяться широко распространенные ионно-литиевые аккумуляторные элементы. Вместе с тем особо предпочтительными являются щелочные или литиевые элементы, в которых электролит основан на SO2. По сравнению с повсеместно принятыми ионно-литиевыми элементами с органическими электролитами ионно-литиевый элемент с электролитом на основе SO2 обладает более высокой функциональной надежностью среди прочих преимуществ.
Эксплуатация батарейной установки высокой мощности электромобиля является чрезвычайно непостоянной. В условиях постоянного движения и ускорения происходит потребление тока из батарейной установки, в результате чего возникает разрядный ток, приводящий в действие электродвигатель электромобиля. При торможении электромобиля энергия торможения используется для зарядки батарейной установки, в результате чего возникает зарядный ток, поступающий в батарейную установку высокой мощности. Переход между режимом движения и режимом торможения многократно создает рабочие состояния, в которых по линии питания между электродвигателем и батарейной установкой протекает слабый ток. Рабочий ток часто падает до ноля, в результате чего батарейная установка высокой мощности разряжается. Соответственно, при эксплуатации электрического силового привода транспортных средств в реальных условиях часто возникают рабочие состояния, в которых по линии рабочего тока протекает меньший рабочий ток, чем предельное значение. Эти состояния длятся в течение определенного времени, достаточного для того, чтобы вызвать переключение обходного выключателя и активизацию режима обхода неисправного батарейного модуля.
В изобретении используется этот подход. При обнаружении неисправности батарейного модуля одним из блоков контроля модулей предпочтительно электронное оборудование для контроля батарейной установки измеряет ток в линии рабочего тока и побуждает обходной выключатель соответствующего батарейного модуля переключиться из нормального рабочего положения в положение обхода в тот момент, когда по линии рабочего тока протекает ток меньшей величины, чем заданное предельное значение.
В зависимости от каждого отдельного случая батарейный модуль должен отсоединяться в течение относительно короткого времени, предпочтительно менее одной минуты, особо предпочтительно в течение нескольких секунд (не более 10 секунд). Для этого приводится действие режим обхода, чтобы электрически отсоединить неисправный модуль и обеспечить протекание тока через другие (неповрежденные) батарейные модули. Невозможно гарантировать во всех случаях, что рабочее состояние при меньшем рабочем токе, чем предельное значение, возникнет в течение ожидаемого периода времени. Это состояние также может быть вызвано произвольно. Для этого вся батарейная установка высокой мощности с батарейными модулями может быть на короткое время отсоединена от нагрузки (например, от электродвигателя). Это отсоединение длится, пока обходной выключатель системы не переключится с целью обхода неисправного батарейного модуля.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления батарейной установки высокой мощности (сильноточной батарейной установки) для создания этого рабочего состояния слабого тока, в котором рабочий ток в батарейной установке имеет меньшую величину, чем предельное значение, используется формирователь нагрузочного тока. Этот формирователь тока регулирует ток между батарейной установкой высокой мощности и нагрузкой таким образом, чтобы по линии рабочего тока протекал ток меньшей величины, чем предельное значение. В контексте настоящего изобретения было обнаружено, что в этих целях может выгодно использоваться блок управления электродвигателем, которым оснащен электромобиль, за счет осуществляемой им регулировки целевого значения, которое генерируется электронной педалью газа в качестве манипулятора. Блок управления электродвигателем управляет электродвигателем электромобиля таким образом, чтобы в условиях движения и ускорения потреблялся ток из батарейной установки высокой мощности. Во время торможения электродвигатель генерирует ток, который поступает в батарейную установку. В режиме свободного хода электродвигатель отсоединен от батарейной установки высокой мощности. Электромобиль уже имеет необходимые высокоэффективные электронные элементы в качестве компонентов блока управления электродвигателем.
В контексте настоящего изобретения было обнаружено, что высокоэффективные электронные элементы блока управления электродвигателем, которые уже имеет электромобиль, могут использоваться для отсоединения батарейной установки высокой мощности от нагрузки, как это необходимо в целях настоящего изобретения. Отсоединение лишь должно быть достаточно продолжительным, чтобы обходной выключатель переключился с целью обхода неисправных батарейных модулей. Это коротко отсоединение предпочтительно длится менее 1 секунды, более предпочтительно менее 100 милисекунд, особо предпочтительно менее 20 милисекунд. Таким образом, пользователь обычно едва замечает его, если вообще замечает, даже во время движения электромобиля.
В качестве альтернативы, вместо полного отсоединения батарейной установки высокой мощности от нагрузки блок управления электродвигателем может снижать ток нагрузки таким образом, чтобы рабочий ток в батарейной установке высокой мощности падал ниже необходимого предельного значения. Ограничение такого рода может обеспечиваться путем регулировки фазового угла в электродвигателе, генерирования импульсов тока или прерывания тока или любым аналогичным способом, известным специалистам в данной области техники.
Во время движения электромобиля ток при ускорении обычно достигает 400 А. Если бы режим обхода должен был активизироваться во время движения или ускорения электромобиля, иными словами, когда он находится под нагрузкой, существовала бы серьезная опасность прерывающего дугового или искрового пробоя. Поскольку батарейный модуль уже неисправен и содержит один или несколько неисправных элементов, существует риск того, что такие искры могли бы привести к загоранию и нанести еще больший ущерб.
При аварийном отключении согласно изобретению неисправный батарейный модуль отсоединяется не при нахождении под нагрузкой, а в состоянии, в котором рабочий ток в линии рабочего тока является слабым. При переключении обходного выключателя рабочий ток предпочтительно составляет менее 1 ампера, особо предпочтительно близок к 0 ампер. В частности, в этом случае облегчается переключение обходного выключателя, поскольку требуется переключать относительно слабые токи, (значительно) меньшие, чем рабочий ток. В любом случае рабочий ток должен иметь меньшую величину, чем заданное предельное значение, зависящее от используемого обходного выключателя.
Преимуществом переключения слабых токов (менее 1 А) является отсутствие дуговых или искровых пробоев, как в том случае, когда ток составляет порядка нескольких десятков ампер или, по меньшей мере, 100 ампер. Следовательно, нет необходимости в гашении дуги. В одном из предпочтительных вариантов осуществления батарейной установки высокой мощности заданное предельное значение тока выбирают таким образом, чтобы оно не превышало 0,5 А, предпочтительно 0,2 А, особо предпочтительно 0,1 А. Обычно также может устанавливаться заданное предельное значение, составляющее 2 А, 5 А или 10 А. В этом случае должен быть соответствующим образом настроен обходной выключатель.
При заданном предельном значении, не превышающем 1 А, может использоваться простой выключатель, необязательно рассчитанный на высокую нагрузку или мощность. Такие простые выключатели являются менее дорогими, чем рассчитанные на высокую нагрузку или мощность выключатели, и тем самым обеспечивается значительно сокращение расходов. Например, могут использоваться электромагнитные выключатели, простые реле или другие простые выключатели. Единственным критерием, которому должен удовлетворять выключатель, является его способность надежно отводить рабочий ток в исправный батарейный модуль высокой мощности при нахождении во включенном состоянии, иными словами в нормальном рабочем положении или положении обхода.
Далее будет подробнее рассмотрен один из предпочтительных вариантов осуществления батарейной установки согласно изобретению со ссылкой на следующие чертежи, не ограничивающие его общую применимость. Конкретные признаки, описанные в изобретении, могут использоваться по отдельности или в сочетании. На чертежах:
на фиг.1 показан общий вид электромобиля, оснащенного электродвигателем, батарейной установкой высокой мощности и блоком управления электродвигателем,
на фиг.2 показана батарейная установка высокой мощности согласно изобретению с множеством батарейных модулей и, по меньшей мере, одним буферным батарейным модулем,
на фиг.3 показан подробный вид буферного батарейного модуля, содержащего множество отдельных элементов,
на фиг.4 показана проиллюстрированная на фиг.2 батарейная установка высокой мощности с подсоединенной потребительской нагрузкой,
на фиг.5 показан альтернативный вариант осуществления буферного батарейного модуля.
На фиг.1 показан электромобиль, оснащенный батарейной установкой 1 высокой мощности (сильноточной батарейной установкой) согласно изобретению, электродвигателем 2 и блоком 3 управления электродвигателем, который управляет электродвигателем 2. Манипулятор 31 блока 3 управления электродвигателем имеет форму электронной педали газа. Тем не менее манипулятор 31 также может представлять собой регулятор с ручным управлением или аналогичное устройство. Во время эксплуатации электромобиля из батарейной установки 1 высокой мощности потребляется большее или меньшее количество энергии, которая подается в электродвигатель 2 в зависимости от положения электронной педали 31 газа. Протекающий ток является соразмерным. После того как установлено, что буферный батарейный модуль 6 находится в состоянии неисправности, предпочтительно посредством блока 3 управления электродвигателем нагрузочный ток, протекающий между батарейной установкой 1 высокой мощности и электродвигателем 2, регулируется таким образом, чтобы между множеством батарейных модулей 4 по линии 5 рабочего тока батарейной установки 1 высокой мощности протекал ток меньшей величины, чем заданное предельное значение. Тем самым дросселируется нагрузочный ток, и неисправный батарейный модуль может быть впоследствии отсоединен. За счет этого регулирования можно затем произвольно вызывать рабочее состояние, которое спонтанно возникает во время движения транспортного средства, когда через батарейную установку 1 высокой мощности протекает слабый ток, предпочтительно менее 1 А. Этим способом можно немедленно отсоединять неисправный модуль при обнаружении неисправности в батарейном модуле. Системе не приходится дожидаться, пока в соответствующее время не наступит "состояние слабого тока", в котором рабочий ток имеет меньшую величину, чем предельное значение.
На фиг.2 и 3 подробно показана батарейная установка 1 высокой мощности согласно изобретению. Она содержит множество перезаряжаемых батарейных модулей 4, которые соединены последовательно. Линия 5 рабочего тока связывает последовательно соединенные батарейные модули 4 таким образом, что через батарейные модули 4 может протекать рабочий ток. Батарейные модули образуют цепочку модулей. В одном из альтернативных вариантов осуществления может быть параллельно установлено несколько (например, две) цепочки модулей, содержащих множество батарейных модулей 4.
На фиг.2 показано, что все батарейные модули 4 сконструированы в виде буферного батарейного модуля 6, при этом каждый из них имеет обходной выключатель 7 и обходную линию 8. Буферные батарейные модули 6 могут переключаться посредством обходного выключателя 7 таким образом, что при нахождении выключателя 7 в положении обхода рабочий ток в линии 5 рабочего тока протекает по обходной линии 8 в обход буферного батарейного модуля 6 после того, как в нем возникло и обнаружено состояние неисправности (фиг.3).
В одном из предпочтительных вариантов осуществления батарейная установка 1 высокой мощности содержит, по меньшей мере, три, предпочтительно, по меньшей мере, пять буферных батарейных модулей 6. Особо предпочтительным является вариант осуществления с использованием, по меньшей мере, десяти буферных батарейных модулей 6. Наиболее предпочтительным для практического применения в электромобиле является 16 буферных батарейных модулей в батарейной установке высокой мощности. Чем больше число последовательно соединенных буферных батарейных модулей 6, тем меньшим является влияние неисправного батарейного модуля 6, который должен быть обойден. Общая емкость батарейной установки 1 высокой мощности снижается пропорционально числу неисправных батарейных модулей 6. Преимуществом батарейной установки 1 высокой мощности согласно изобретению является то, что помимо возможности легко контролировать отдельные батарейные модули 6, она позволяет без труда возобновлять эксплуатацию транспортного средства в случае отказа всего одного или небольшого числа батарейных модулей 6.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления батарейные модули 4 содержат множество аккумуляторных элементов 10, которые соединены последовательно. Предпочтительным является вариант осуществления с использованием шести аккумуляторных элементов 10 (фиг.3). Напряжение отдельных аккумуляторных элементов 10 предпочтительно выбирают таким образом, чтобы общее напряжение батарейного модуля составляло менее 25 вольт. Например, напряжение каждого элемента может составлять 4 вольта, если в модуле используется шесть аккумуляторных элементов 10. Разумеется, что возможны другие величины напряжение и(или) другое число аккумуляторных элементов. Важно то, что общее напряжение должно составлять менее 25 вольт, чтобы батарейный модуль имел очень невысокое безопасное напряжение (малое по условиям безопасности напряжение) и обслуживающий персонал или, например, в случае аварии спасательный персонал имел возможность без угрозы для себя проверить батарейные модули. Обслуживающим персоналом предпочтительно могут быть запущены все обходные цепи, и в этом случае батарейная установка высокой мощности будет состоять лишь из отдельных батарейных модулей, которые отсоединены друг от друга и имеют напряжение менее 25 вольт. В случае аварии, обходной выключатель должен срабатывать автоматически и отсоединять модули друг от друга. Его срабатывание может быть связано, например, с раскрытием воздушной подушки безопасности.
На каждой из двух клемм 9 буферного батарейного модуля 6, соединяющих батарейный модуль с линией 5 рабочего тока, предпочтительно установлен один обходной выключатель 7, служащий отклонителем. Параллельно аккумуляторным элементам 10 буферного батарейного модуля 6 проходит обходная линия 8. При обнаружении неисправности в буферном батарейном модуле 6 и при меньшей абсолютной величине тока, протекающего по линии 5 рабочего тока, чем заданное предельное значение, оба обходных выключателя 7 переключаются из показанного нормального рабочего положения в положение обхода, в котором оба выключателя 7 соединяют обходную линию 8 с линией 5 рабочего тока. Величина предельного значения зависит от максимального переключающего тока обходного выключателя 7, при котором возможно безопасное переключение выбранного выключателя 7 без его повреждения (например, вследствие перегрева) и без возникновения прерывающего дугового или искрового пробоя.
Разумеется, что буферный батарейный модуль 6 может иметь только один обходной выключатель 7. В этом случае второй обходной выключатель 7 будет заменен проводящим участком, на котором обходная линия 8 соединяется с линией 5 рабочего тока клеммой 9 батарейного модуля 6.
Блоки 11 контроля модулей батарейной установки 1 высокой мощности образуют электронное оборудование 12 для контроля батарейной установки. В варианте осуществления батарейной установки 1 высокой мощности, показанном на фиг.2, блоки 11 контроля буферных батарейных модулей 6 (за исключением необходимых датчиков) объединены в центральный блок 12а электронного оборудования 12 для контроля батарейной установки. При обнаружении состояния неисправности батарейного модуля 4 электронное оборудование 12 для контроля батарейной установки измеряет ток в линии 5 рабочего тока. Ток может быть измерен в любой точке линии 5 рабочего тока, например, между двумя соседними батарейными модулями 4 или между соединительной клеммой 19 батарейной установки 1 высокой мощности и батарейным модулем 4.
Как показано на фиг.4, в одном из предпочтительных вариантов осуществления батарейная установка 1 высокой мощности оснащена формирователем 13 нагрузочного тока, регулирующим ток посредством потребительской нагрузки 14, которая подсоединена к батарейной установке 1 высокой мощности посредством линии 15 нагрузочного тока. При обнаружении состояния неисправности одного из буферных батарейных модулей 6, ток в линии 15 нагрузочного тока регулируется таким образом, чтобы ток в линии 5 рабочего тока имел меньшую величину, чем заданное предельное значение, и мог приводиться в действие обходной выключатель 7 неисправного модуля 6. При использовании батарейной установки 1 высокой мощности в электромобиле формирователем 13 нагрузочного тока является блок 3 управления электродвигателем. Потребительской нагрузкой 14 является электродвигатель 2, и блок 3 управления электродвигателем соответствующим образом регулирует ток на входе и выходе электродвигателя 2. Связь между электронным оборудованием 12 для контроля батарейной установки, блоками 11 контроля модулей, обходными выключателями 7, формирователем 13 нагрузочного тока и(или) блоком 3 управления электродвигателем обеспечивается, например, посредством системы шин (например шин сети CAN) или других сигнальных цепей.
Как показано на фиг.3, каждый аккумуляторный элемент 10 контролируется блоком 11 контроля модулей, который необязательно может быть установлен на соответствующем модуле. С целью контроля буферного батарейного модуля 6 и проверки состояния буферного батарейного модуля 6 и аккумуляторного элемента 10 измеряют, например, напряжение и температуру аккумуляторных элементов 10. В качестве альтернативы, могут контролироваться только некоторые из аккумуляторных элементов 10 или только весь буферный батарейный модуль 6. В случае контролирования буферного батарейного модуля 6 может регистрироваться, например, температура, напряжение или ток батарейного модуля 6. Контролирующие схемы этого и аналогичных типов описаны, например, в заявке DE 10 2004 013 351 А1. Блок 11 контроля модулей может, например, также измерять ток в линии 8 рабочего тока и(или) контролировать обходной выключатель 7.
В контексте настоящего изобретения в качестве компонентов батарейных модулей 4 могут использоваться различные аккумуляторные элементы 10. Предпочтительно используются щелочные элементы, в которых активным металлом является литий. Могут выгодно использоваться широко распространенные ионно-литиевые аккумуляторные элементы. Тем не менее особо предпочтительными являются литиевые или другие щелочные элементы с электролитом на основе SO2. Они отличаются от стандартных ионно-литиевых элементов, в которых используются органические электролиты, в частности, своей более высокой функциональной надежностью. Дополнительные подробности приведены в соответствующей литературе, в частности, например, в заявках WO 2005/031908, WO 2009/077140, WO 2000/79631 и процитированных в них документах.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления батарейная установка 1 высокой мощности сконструирована таким образом, что аккумуляторные элементы 10 отдельных батарейных модулей 4 содержат раствор электролита на основе SO2. Элементы такого рода отличаются от других элементов тем, что раствор электролита и другие компоненты батарейной установки являются огнестойкими. Элемент не возгорается даже в критических с точки зрения безопасности состояниях. Одним из дополнительных преимуществ аккумуляторных элементов на основе SO2 является то, что критические с точки зрения безопасности состояния не возникают даже в результате их глубокой разрядки или изменения полярности отдельного элемента на обратную.
Продукты реакции, которые образуются в случае избыточного заряда, способны обратимо перерождаться в компоненты раствора электролита, в результате чего аккумуляторный элемент 10 может избыточно заряжаться до определенной степени без необходимости немедленного отсоединения модуля. Кроме того, модуль с неисправным элементом 10 также может быть снова включен в токовую цепь по истечении определенного периода бездействия, на протяжении которого он был отсоединен от батарейной установки 1 высокой мощности, поскольку происходит своего рода самовосстановление. Электронное оборудование 12 для контроля батарейной установки и(или) блок 11 контроля модулей предпочтительно обнаруживает, что элемент снова является исправным и переключает обходной выключатель 7 обратно в нормальное рабочее положение, и тем самым также снова включает буферный батарейный модуль 6 в токовую цепь батарейной установки 1 высокой мощности. Это переключение происходит только при меньшей величине рабочего тока в линии 5 рабочего тока, чем предельное значение.
В контексте настоящего изобретения было обнаружено, что такие батарейные установки с аккумуляторными элементами на основе S02 также могут "обесточиваться". Как показано на фиг.5, в одном из предпочтительных вариантов осуществления буферный батарейный модуль 6 имеет разрядную линию 16, которая подсоединена параллельно модулю 6 и содержит элементный коммутатор 17 и разрядный резистор 18. Эта разрядная цепь может быть объединена с буферным батарейным модулем 6. При замыкании элементного коммутатора 17 батарейный модуль 4 разряжается посредством разрядного резистора 18, пока напряжение в батарейном модуле 4 не упадет до 0 вольт. Конденсатор батарейного модуля 6 разряжается посредством разрядного резистора 18 с преобразованием энергии в тепло. Разрядный резистор 18 должен выбираться таким образом, чтобы можно было отводить вырабатываемое им тепло (без разрушения резистора).
Это обесточенное состояние батарейного модуля 6 обеспечивает полную безопасность обращения с ним. При его использовании в электромобилях отдельные модули могут обесточиваться до замены аккумулятора или осуществления каких-либо работ в электромобиле. Исключаются случайные короткие замыкания, происходящие, например, во время установки или демонтажа. Преимуществом батарейной установки 1 высокой мощности является возможность полного ее обесточивания посредством разрядной цепи в случае аварии. Кроме того, исключается возникновение критических с точки зрения безопасности состояний при транспортировке, поскольку на батарейные модули 4 не подается напряжение. Эти модули 4 являются в высшей степени безопасными, что особо выгодно для транспортировки по воздуху.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления элементный коммутатор 17 не замыкается, пока обходной выключатель 7 не переключится в положение обхода, и батарейный модуль 6 не отсоединится от токовой цепи батарейной установки 1 высокой мощности. Соответственно, до приведения в действие элементного коммутатора 17 проверяется, переключился ли обходной выключатель 7 в положение обхода, как показано на фиг.5. Только после этого элементный коммутатор 17 переключается в замкнутое положение.
1. Батарейная установка высокой мощности, через которую протекает сильный рабочий ток, в частности, для силовых приводов транспортных средств, содержащая:
электронное оборудование (12) для контроля батарейной установки и
множество батарейных модулей (4), каждый из которых содержит, по меньшей мере, один перезаряжаемый аккумуляторный элемент (10), и которые последовательно электрически соединены посредством линии (5) рабочего тока таким образом, что во время работы по линии (5) рабочего тока протекает рабочий ток,
в которой
аккумуляторный элемент (10) для накопления электроэнергии содержит электролит на основе SO2 и химически активные вещества,
по меньшей мере, один из батарейных модулей (4) сконструирован в виде буферного батарейного модуля (6), который содержит обходной выключатель (7) и обходную линию (8), которые сконструированы и размещены таким образом, что при переключении обходного выключателя (7) из нормального рабочего положения в положение обхода ток протекает по обходной линии (8) в обход батарейного модуля (4), в результате чего предотвращается внешнее короткое замыкание аккумуляторного элемента (10) батарейного модуля (4),
электронное оборудование (12) для контроля батарейной установки содержит блок (11) контроля для каждого буферного батарейного модуля (6), который контролирует батарейный модуль (4) и обнаруживает состояние неисправности батарейного модуля (4), и
при обнаружении состояния неисправности батарейного модуля (4) одним из блоков (11) контроля модулей электронное оборудование (12) для контроля батарейной установки измеряет ток в линии (5) рабочего тока и переключает обходной выключатель (7) соответствующего батарейного модуля (4) из нормального рабочего положения в положение обхода в тот момент, когда по линии (5) рабочего тока протекает ток меньшей величины, чем заданное предельное значение.
2. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что во время работы аккумуляторного элемента (10) не происходит пополнение, добавление или отвод ни химически активных веществ, ни электролита из аккумуляторного элемента (10).
3. Батарейная установка высокой мощности по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что аккумуляторный элемент (10) имеет закрытый корпус, в котором содержится электролит и химически активные вещества.
4. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что блок (11) контроля модулей объединен с электронным оборудованием (12) для контроля батарейной установки.
5. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что батарейный модуль (4) содержит множество аккумуляторных элементов (10), которые соединены последовательно.
6. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что батарейный модуль (4) содержит шесть аккумуляторных элементов (10), которые соединены последовательно.
7. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, три буферных батарейных модуля (6).
8. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, пять буферных батарейных модулей (6).
9. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, десять буферных батарейных модулей (6).
10. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что заданное предельное значение тока не превышает 1 А.
11. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что заданное предельное значение тока не превышает 0,5 А.
12. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что заданное предельное значение тока не превышает 0,1 А.
13. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что обходной выключатель (7) является электромагнитным выключателем.
14. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что батарейный модуль (4) содержит разрядную линию (16), проходящую параллельно батарейному модулю (4) и имеющую разрядный резистор (18) и элементный коммутатор (17).
15. Батарейная установка высокой мощности по п. 14, отличающаяся тем, что разрядная линия (16) не замыкается элементным коммутатором (17), пока обходной выключатель (7) не переключится в положение обхода, в котором рабочий ток протекает по обходной линии (8) в обход батарейного модуля (4).
16. Батарейная установка высокой мощности по п. 1, отличающаяся тем, что содержит формирователь (13) нагрузочного тока, регулирующий ток посредством потребительской нагрузки (14), подсоединенной к батарейной установке (1) высокой мощности таким образом, что по линии (5) рабочего тока батарейной установки (1) высокой мощности протекает ток меньшей величины, чем заданное предельное значение.
17. Электромобиль, оснащенный электродвигателем (2), блоком (3) управления электродвигателем, который управляет электродвигателем (2), и батарейной установкой (1) высокой мощности, отличающийся тем, что батарейная установка (1) высокой мощности сконструирована согласно п. 1.
18. Электромобиль по п. 17, отличающийся тем, что нагрузочный ток, протекающий между батарейной установкой (1) высокой мощности и электродвигателем (2), может регулироваться блоком управления электродвигателем таким образом, что по линии (5) рабочего тока батарейной установки (1) высокой мощности протекает ток меньшей величины, чем заданное предельное значение.
19. Способ управления батарейной установкой высокой мощности, в частности батарейной установкой высокой мощности по п. 1, содержащей
электронное оборудование (12) для контроля батарейной установки и
множество батарейных модулей (4), каждый из которых содержит, по меньшей мере, один перезаряжаемый аккумуляторный элемент (10), и которые последовательно электрически соединены посредством линии (5) рабочего тока таким образом, что во время работы по линии (5) рабочего тока протекает рабочий ток,
в которой аккумуляторный элемент (10) для накопления электроэнергии содержит электролит на основе SO2 и химически активные вещества,
по меньшей мере, один из батарейных модулей (4) сконструирован в виде буферного батарейного модуля (6), который содержит обходной выключатель (7) и обходную линию (8), которая проходит параллельно батарейному модулю (4), и
батарейная установка (1) высокой мощности содержит один блок (11) контроля для каждого буферного батарейного модуля (6),
включающий следующие стадии, на которых:
а) контролируют батарейный модуль (4) посредством блока (11) контроля модулей,
б) обнаруживают состояние неисправности батарейного модуля (4),
в) измеряют ток в линии (5) рабочего тока посредством электронного оборудования (12) для контроля батарейной установки при обнаружении одним из блоков (11) контроля модулей состояния неисправности батарейного модуля (4),
г) проверяют, является измеренная величина тока в линии (5) рабочего тока меньшей, чем заданное предельное значение,
д) если измеренная величина тока является меньшей, чем заданное предельное значение, переключают обходной выключатель (7) из нормального рабочего положения в положение обхода, в результате чего рабочий ток протекает по обходной линии (8) в обход батарейного модуля (4), состояние неисправности которого было обнаружено, и предотвращается внешнее короткое замыкание аккумуляторного элемента (10).
20. Способ управления батарейной установкой (1) высокой мощности по п. 19, которая содержит формирователь (13) нагрузочного тока, регулирующий ток посредством потребительской нагрузки (14), подсоединенной к батарейной установке (1) высокой мощности,
включающий дополнительную стадию, на которой:
ограничивают ток в батарейной установке (1) высокой мощности посредством формирователя (13) нагрузочного тока таким образом, что по линии (5) рабочего тока батарейной установки (1) высокой мощности протекает ток меньшей величины, чем заданное предельное значение.
21. Способ по п. 19, в котором батарейный модуль (4) содержит элементный коммутатор (17) и разрядный резистор (18), которые установлены на разрядной линии (16), электрически параллельной батарейному модулю (4),
включающий дополнительные стадии, на которых:
проверяют, переключился ли обходной выключатель (7) в положение обхода, в котором рабочий ток протекает по обходной линии (8) в обход батарейного модуля (4),
переключают элементный коммутатор (17) в замкнутое положение, в котором нагрузочная цепь замкнута разрядной линией (16),
разряжают батарейный модуль (4) через разрядный резистор (17) посредством тока из батарейного модуля (4) в разрядный резистор (18).
