ЦЕПЬ НАГРЕВА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2014 года по МПК H01M10/42 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области электротехники или электроники, в частности к цепи нагрева аккумуляторной батареи.

Уровень техники

Ввиду того, что автомобили вынуждены работать в сложных дорожных условиях и сложных условиях окружающей среды, либо некоторые электронные устройства используются в жестких условиях окружающей среды, то аккумуляторная батарея, которая служит блоком электропитания для автомобилей с электрическим приводом или электронных устройств, должна быть адаптирована к таким сложным условиям. Кроме того, помимо данных условий должны учитываться срок службы и динамика цикла зарядки/разрядки аккумуляторной батареи, особенно при использовании автомобилей с электрическим приводом или электронных устройств в низкотемпературной среде, причем такая аккумуляторная батарея должна обладать отличными характеристиками зарядки/разрядки в условиях низкой температуры и высокой входной/выходной мощностью.

Как правило, в условиях низкой температуры сопротивление аккумуляторной батареи будет увеличиваться, и увеличится поляризация; в результате этого емкость аккумуляторной батареи будет снижаться.

Для сохранения емкости аккумуляторной батареи и улучшения ее характеристик зарядки/разрядки в условиях низкой температуры настоящее изобретение обеспечивает цепь нагрева аккумуляторной батареи.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в обеспечении цепи нагрева аккумуляторной батареи для решения проблемы уменьшенной емкости аккумуляторной батареи, вызванной повышенным сопротивлением и поляризацией аккумуляторной батареи в условиях низкой температуры.

Настоящее изобретение обеспечивает цепь нагрева аккумуляторной батареи, содержащую блоки переключения, модуль управления переключением, демпфирующий элемент R1, схему накопления энергии и блок инверсии полярности, причем схема накопления энергии соединена с аккумуляторной батареей и содержит элемент L1 накопления тока и элементы С1 накопления заряда;

элементы С1 накопления заряда соединены с блоками переключения последовательно во взаимно-однозначном соответствии для формирования ответвлений;

ответвления параллельно соединены друг с другом и затем последовательно соединены с элементом L1 накопления тока и демпфирующим элементом R1;

модуль управления переключением соединен с блоками переключения и выполнен с возможностью управления включением/выключением блоков переключения так, чтобы энергия протекала в одну сторону и другую сторону между аккумуляторной батареей и схемой накопления энергии при включении блоков переключения;

блок инверсии полярности соединен со схемой накопления энергии и выполнен с возможностью инверсии полярности напряжения элементов С1 накопления заряда после переключения блоков переключения из положения «включено» в положение «выключено».

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут дополнительно раскрыты в вариантах реализации, представленных в приведенном ниже описании.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи предоставлены для обеспечения дополнительного понимания настоящего изобретения и являются неотъемлемой частью настоящей заявки. Данные чертежи используются совместно с вариантами реализации, представленными в приведенном ниже описании, для пояснения настоящего изобретения, однако они не должны рассматриваться как представляющие собой какое-либо ограничение к настоящему изобретению. На чертежах:

На фиг.1 изображена принципиальная схема цепи нагрева аккумуляторной батареи, обеспеченной в настоящем изобретении;

На фиг.2 изображена принципиальная схема варианта реализации блока переключения, показанного на фиг.1;

На фиг.3 изображена принципиальная схема варианта реализации блока переключения, показанного на фиг.1;

На фиг.4 изображена принципиальная схема варианта реализации блока переключения, показанного на фиг.1;

На фиг.5 изображена принципиальная схема варианта реализации блока переключения, показанного на фиг.1;

На фиг.6 изображена принципиальная схема варианта реализации блока переключения, показанного на фиг.1;

На фиг.7 изображена принципиальная схема варианта реализации блока переключения, показанного на фиг.1;

На фиг.8 изображена принципиальная схема варианта реализации блока инверсии полярности, показанного на фиг.1;

На фиг.9 изображена принципиальная схема варианта реализации блока инверсии полярности, показанного на фиг.1;

На фиг.10 изображена принципиальная схема варианта реализации однонаправленного переключателя, показанного на фиг.8 и фиг.9;

На фиг.11 изображена принципиальная схема варианта реализации цепи нагрева аккумуляторной батареи, обеспеченной в настоящем изобретении;

На фиг.12 показана структура волны, соответствующая цепи нагрева аккумуляторной батареи, показанной на фиг.11;

На фиг.13 изображена принципиальная схема другого варианта реализации цепи нагрева аккумуляторной батареи, обеспеченной в настоящем изобретении;

На фиг.14 изображена принципиальная схема другого варианта реализации цепи нагрева аккумуляторной батареи, обеспеченной в настоящем изобретении.

Подробное описание вариантов реализации

В приведенном ниже описании подробно раскрыты варианты реализации настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Следует понимать, что варианты реализации, приведенные в настоящем описании, приведены только для описания и пояснения настоящего изобретения и не должны рассматриваться в качестве ограничения настоящего изобретения.

Обращаем внимание: если иное не оговорено, при упоминании в тексте приведенного ниже описания термин «модуль управления переключением» относится к любому контроллеру, который может выдавать команды управления (например, форма волны импульса) при заранее заданных условиях или в заранее заданные промежутки времени и, таким образом, управляет блоком переключения, соединенным с ним, для соответственно включения или выключения, например, модуль управления переключением может представлять собой программируемый логический контроллер;

при упоминании в тексте приведенного ниже описания термин «переключатель» относится к переключателю, управление включением/выключением в котором достигается посредством электрических сигналов или управление включением/выключением осуществляется на основе характеристик элемента или компонента, то есть переключатель может представлять собой однонаправленный переключатель (например, переключатель, состоящий из двунаправленного переключателя и диода, присоединенного последовательно, который может включаться в одном направлении), или двунаправленный переключатель (например, полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник или биполярный транзистор с изолированным затвором с встречным диодом свободного хода);

при упоминании в тексте приведенного ниже описания термин «двунаправленный переключатель» относится к переключателю, который может включаться в двух направлениях, что может обеспечивать управление включением/выключением посредством электрических сигналов или обеспечивать управление включением/выключением на основе характеристик элемента или компонента, например, двунаправленный переключатель может представлять собой полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник или биполярный транзистор с изолированным затвором с встречным диодом свободного хода;

при упоминании в тексте приведенного ниже описания термин «однонаправленный полупроводниковый элемент» относится к полупроводниковому элементу, который может включаться в одном направлении, например диод;

при упоминании в тексте приведенного ниже описания термин «элемент накопления заряда» относится к любому устройству, которое может осуществить накопление заряда, например конденсатор;

при упоминании в тексте приведенного ниже описания термин «элемент накопления тока» относится к любому устройству, которое может накапливать ток, например катушка индуктивности;

при упоминании в тексте приведенного ниже описания термин «прямое направление» относится к направлению, в котором энергия протекает от аккумуляторной батареи к схеме накопления энергии, а термин «обратное направление» относится к направлению, в котором энергия протекает от схемы накопления энергии к аккумуляторной батарее;

при упоминании в тексте приведенного ниже описания термин «аккумуляторная батарея» содержит батарею первичных элементов (например, сухая аккумуляторная батарея или щелочная аккумуляторная батарея и т.д.) и батарею вторичных элементов (например, ионно-литиевая батарея, никель-кадмиевая аккумуляторная батарея, никель-водородная батарея или свинцово-кислотная аккумуляторная батарея и т.д.);

при упоминании в тексте приведенного ниже описания термин «демпфирующий элемент» относится к любому устройству, которое препятствует протеканию тока и, таким образом, осуществляет энергопотребление, например сопротивление;

при упоминании в тексте приведенного ниже описания термин «основной контур» относится к электрическому контуру, состоящему из аккумуляторной батареи, демпфирующего элемента, блока переключения и схемы накопления энергии, соединенных последовательно.

Следует особо отметить: ввиду наличия различных особенностей у различных типов аккумуляторных батарей, в настоящем изобретении «аккумуляторная батарея» относится к идеальной аккумуляторной батарее, которая не имеет внутреннего паразитного сопротивления и индуктивности или имеет очень низкое внутреннее паразитное сопротивление и индуктивность, или относится к комплекту батарей, имеющему внутреннее паразитное сопротивление и индуктивность;

таким образом, специалистам в данной области техники очевидно: если аккумуляторная батарея представляет собой идеальную аккумуляторную батарею, которая не имеет внутреннего паразитного сопротивления и индуктивности или имеет очень низкое внутреннее паразитное сопротивление и индуктивность, демпфирующий элемент относится к демпфирующему элементу, внешнему по отношению к аккумуляторной батарее;

если аккумуляторная батарея представляет собой комплект аккумуляторных батарей, имеющий внутреннее паразитное сопротивление и индуктивность, демпфирующий элемент R относится к демпфирующему элементу, внешнему по отношению к аккумуляторной батарее, или относится к паразитному сопротивлению в комплекте аккумуляторов.

Для обеспечения нормального срока службы аккумуляторной батареи такая аккумуляторная батарея может быть нагрета в условиях низкой температуры, то есть при наступлении условия осуществления нагрева происходит управление цепью нагрева для начала нагрева аккумуляторной батареи; при наступлении условия осуществления остановки нагрева происходит управление цепью нагрева для прекращения нагрева.

При фактическом применении аккумуляторной батареи условие нагрева аккумуляторной батареи и условие остановки нагрева могут быть установлены согласно фактическим окружающим условиям для обеспечения нормального выполнения зарядки/разрядки аккумуляторной батареи.

Для подогрева аккумуляторной батареи Е, расположенной в низкотемпературной окружающей среде, настоящее изобретение обеспечивает цепь нагрева аккумуляторной батареи;

согласно фиг.1 цепь нагрева аккумуляторной батареи содержит блоки 1 переключения, модуль 100 управления переключением, демпфирующий элемент R1, схему накопления энергии и блок 101 инверсии полярности, причем схема накопления энергии соединена с аккумуляторной батареей и содержит элемент L1 накопления тока и элементы С1 накопления заряда;

элементы С1 накопления заряда соединены с блоками 1 переключения последовательно во взаимно-однозначном соответствии для формирования ответвлений;

ответвления соединены параллельно друг с другом и затем соединены последовательно с элементом L1 накопления тока и демпфирующим элементом R1;

модуль 100 управления переключением соединен с блоками 1 переключения и выполнен с возможностью управления включением/выключением блоков 1 переключения, так чтобы энергия протекала в одну сторону и другую сторону между аккумуляторной батареи и схемой накопления энергии при включении блоков 1 переключения;

блок 101 инверсии полярности соединен со схемой накопления энергии и выполнен с возможностью изменения направления полярности напряжения элементов С1 накопления заряда после переключения блоков 1 переключения из положения «включено» в положение «выключено».

Особенно следует отметить, что ввиду наличия различных характеристик у различных типов аккумуляторных батарей, в настоящем изобретении, если аккумуляторная батарея Е имела бы очень высокое внутреннее паразитное сопротивление и паразитную индуктивность, демпфирующий элемент R1 мог бы относиться к паразитному сопротивлению в комплекте батарей; аналогичным образом, элемент L2 накопления тока мог бы относиться к паразитной индуктивности в комплекте батарей.

Управляя блоками 1 переключения, модуль 100 управления переключением может управлять потоком энергии от аккумуляторной батареи Е к элементам С1 накопления заряда одновременно или последовательно и управлять потоком энергии от элементов С1 накопления заряда к аккумуляторной батарее Е одновременно или последовательно. При этом управление потоком энергии к элементам С1 накопления заряда «одновременно» и потоком энергии назад к аккумуляторной батарее Е «одновременно» может быть осуществлено путем одновременного включения блоков переключения во множестве ответвлений. Управление потоком энергии к элементам С1 накопления заряда «последовательно» и потоком энергии назад к аккумуляторной батарее Е «последовательно» может быть осуществлено путем включения в соответствующей последовательности блоков 1 переключения, расположенных во множестве ответвлений. Например, можно управлять блоками 1 переключения для включения их в разное время так, чтобы зарядка энергией/расход энергии могли быть выполнены через ответвления в разное время;

или могут быть сгруппированы блоки 1 переключения в группы блоков переключения, причем блоками переключения в каждой группе блоков переключения можно управлять на одновременное их включение, тогда как группами блоков переключения можно управлять на включение в разное время;

таким образом, зарядка энергией/расход энергии может быть осуществлена через соответственные ответвления, соответствующие соответственным группам блоков переключения, в разное время. Предпочтительно модуль 100 управления переключением управляет блоками 1 переключения, так что энергия может протекать одновременно от аккумуляторной батареи Е к множеству элементов С1 накопления заряда и протекать последовательно от элементов С1 накопления заряда назад к аккумуляторной батарее Е. В таком варианте реализации, при протекании электрического тока в прямом направлении аккумуляторная батарея Е разряжается; в таком состоянии элементы С1 накопления заряда могут быть одновременно соединены с аккумуляторной батареей Е для повышения тока; при протекании электрического тока в обратном направлении аккумуляторная батарея Е заряжается; в данном состоянии элементы С1 накопления заряда могут быть соединены последовательно с аккумуляторной батареей Е для уменьшения протекания тока через аккумуляторную батарею Е.

Блоки 1 переключения могут быть реализованы множеством способов. Настоящее изобретение не устанавливает ограничения относительно конкретной реализации блоков переключения. В варианте реализации блоков 1 переключения, данные блоки 1 переключения представляют собой двунаправленные переключатели КЗ, показанные на фиг.2. Модуль 100 управления переключением управляет включением/выключением двунаправленного переключателя КЗ; когда аккумуляторная батарея должна быть подогрета, двунаправленный переключатель КЗ может быть направлен на включение; если нагрев должен быть приостановлен или не требуется, двунаправленный переключатель КЗ может управляться на выключение.

Применение отдельного двунаправленного переключателя КЗ для осуществления блока 1 переключения может упростить схему, уменьшить отпечаток системы и облегчить выполнение; однако для осуществления отсечки обратного тока в настоящем изобретении дополнительно обеспечен следующий предпочтительный вариант реализации блока 1 переключения.

Предпочтительно блок 1 переключения содержит первое однонаправленное ответвление, выполненное с возможностью обеспечения потока энергии от аккумуляторной батареи Е к схеме накопления энергии, и второе однонаправленное ответвление, выполненное с возможностью обеспечения потока энергии от схемы накопления энергии к аккумуляторной батарее Е;

причем модуль 100 управления переключением соединен с любым или обоими из первого однонаправленного ответвления и второго однонаправленного ответвления для осуществления управления включением/выключением подсоединенных ответвлений.

При необходимости нагрева аккумуляторной батареи первое однонаправленное ответвление и второе однонаправленное ответвление могут быть направлены на включение;

при необходимости приостановки нагрева любым или обоими из первого однонаправленного ответвления и второго однонаправленного ответвления можно управлять для их выключения;

когда нагрев не требуется, обоими из первого однонаправленного ответвления и второго однонаправленного ответвления можно управлять на выключение. Предпочтительно оба из первого однонаправленного ответвления и второго однонаправленного ответвления подлежат управлению модулем 100 управления переключением;

таким образом, можно гибко осуществлять отсечку потока энергии в прямом направлении и обратном направлении.

В другом варианте реализации блока 1 переключения, представленного на фиг.3, блок 1 переключения может содержать двунаправленный переключатель К4 и двунаправленный переключатель К5, причем двунаправленный переключатель К4 и двунаправленный переключатель К5 соединены последовательно противоположно друг другу для образования первого однонаправленного ответвления и второго однонаправленного ответвления;

модуль 100 управления переключением соединен с двунаправленным переключателем К4 и двунаправленным переключателем К5, соответственно, для управления включением/выключением первого однонаправленного ответвления и второго однонаправленного ответвления путем управления включением/выключением двунаправленного переключателя К4 и двунаправленного переключателя К5.

При необходимости нагрева аккумуляторной батареи двунаправленные переключатели К4 и К5 могут быть направлены на включение;

при необходимости приостановки нагрева любой или оба из двунаправленного переключателя К4 и двунаправленного переключателя К5 могут быть направлены на выключение;

когда нагрев не требуется, оба из двунаправленного переключателя К4 и двунаправленного переключателя К5 могут быть направлены на выключение. В таком выполнении блоков 1 переключения первым однонаправленным ответвлением и вторым однонаправленным ответвлением можно управлять отдельно для их включения или выключения, и, следовательно, можно гибко осуществлять отсечку потока энергии в прямом и обратном направлении в схеме.

В другом варианте реализации блока 1 переключения, представленном на фиг.5, блок 1 переключения может содержать переключатель К6, однонаправленный полупроводниковый элемент D11 и однонаправленный полупроводниковый элемент D12, причем переключатель К6 и однонаправленный полупроводниковый элемент D11 соединены друг с другом последовательно для формирования первого однонаправленного ответвления;

однонаправленный полупроводниковый элемент D12 формирует второе однонаправленное ответвление;

модуль 100 управления переключением соединен с переключателем Кб для управления включением/выключением первого однонаправленного ответвления посредством управления включением/выключением переключателя К6. В блоке 1 переключения, показанном на фиг.11, при необходимости нагрева переключатель К6 может быть направлен на включение;

когда нагрев не требуется, переключатель К6 может быть направлен на выключение.

Хотя выполнение блока 1 переключения, показанного на фиг.5, обеспечивает возможность двухстороннего потока энергии по отдельным ответвлениям, функцию отсечки потока энергии в обратном направлении обеспечить невозможно. Настоящее изобретение дополнительно выдвигает другой вариант реализации блока 1 переключения;

согласно фиг.6 блок 1 переключения может дополнительно содержать переключатель К7 во втором однонаправленном ответвлении, причем переключатель К7 соединен с однонаправленным полупроводниковым элементом D12 последовательно, модуль 100 управления переключением также соединен с переключателем К7 и выполнен с возможностью управления включением/выключением второго однонаправленного ответвления посредством управления включением/выключением переключателя К7. Таким образом, в блоке 1 переключения, показанном на фиг.6, поскольку в обоих однонаправленных ответвлениях присутствуют переключатели (т.е. переключатель К6 и переключатель К7), то функция отсечки потока энергии обеспечена одновременно в прямом направлении и обратном направлении.

Предпочтительно блок 1 переключения может дополнительно содержать сопротивление, последовательно соединенное с первым однонаправленным ответвлением/вторым однонаправленным ответвлением и выполненное с возможностью понижения тока в цепи нагрева для аккумуляторной батареи Е и устранения повреждения аккумуляторной батареи Е, возникающего в результате сверхтока в схеме. Например, сопротивление R6, последовательно соединенное с двунаправленным переключателем К4 и двунаправленным переключателем К5, может быть добавлено в блок 1 переключения, показанный на фиг.3, для получения другого варианта реализации блока 1 переключения, показанного на фиг.4. На фиг.7 также показан вариант реализации блока 1 переключения, который получен путем соединения соответственно сопротивления R2 и сопротивления R3 последовательно в обоих однонаправленных ответвлениях в блоке 1 переключения, показанном на фиг.6.

В технической схеме настоящего изобретения, когда аккумуляторная батарея Е должна быть подогрета, модуль 100 управления переключением управляет одновременным и последовательным включением блоков 1 переключения, и таким образом аккумуляторная батарея Е и схемы накопления энергии оказываются соединены последовательно для формирования электрического контура и аккумуляторная батарея Е заряжает элементы С1 накопления заряда;

при достижении током в контуре нулевого значения в прямом направлении, после максимального тока, элементы С1 накопления заряда начинают разряжаться, и таким образом ток протекает от элементов С1 накопления заряда назад к аккумуляторной батарее Е;

поскольку протекание тока в прямом направлении и протекание тока в обратном направлении в электрическом контуре осуществляется через демпфирующий элемент R1, цель подогрева аккумуляторной батареи Е достигается посредством теплообразования в демпфирующем элементе R1. Описанный выше процесс зарядки/разрядки может быть выполнен циклически. При возрастании температуры аккумуляторной батареи Е до условия остановки нагрева, модуль 100 управления переключением может управлять выключением блоков 1 переключения, и, таким образом, цепь нагрева остановит функционирование.

В процессе нагрева, описанном выше, при протекании тока от схемы накопления энергии назад к аккумуляторной батарее Е, энергия в элементах С1 накопления заряда не будет полностью проходить назад к аккумуляторной батарее Е;

вместо этого некоторая энергия останется в элементах С1 накопления заряда, и, в конечном счете, напряжение на элементах С1 накопления заряда будет близким или равным напряжению аккумуляторной батареи, и, следовательно, поток энергии от аккумуляторной батареи Е к элементам С1 накопления заряда больше не может продолжаться;

такой эффект относится к неблагоприятным для циклического функционирования цепи нагрева. Таким образом, после переключения блоков 1 переключения из положения «включено» в положение «выключено», полярность напряжения элементов С1 накопления заряда меняет направление посредством блока 101 инверсии полярности в настоящем изобретении;

поскольку напряжение на элементах С1 накопления заряда может быть последовательно суммировано с напряжением аккумуляторной батареи Е после инверсии полярности, ток разряда в цепи нагрева может быть увеличен при повторном включении блоков 1 переключения. Выключением блоков 1 переключения можно управлять в любое время в течение по меньшей мере одного цикла;

выключением блоков 1 переключения можно управлять в любое время, например при протекании тока в схеме в прямом направлении/обратном направлении, и при нулевом или не нулевом значении электрического тока. Конкретная форма выполнения блоков 1 переключения может быть выбрана в зависимости от необходимой стратегии отсечки;

если требуется отсечка протекания тока только в прямом направлении, то может быть выбрана форма выполнения блоков 1 переключения, показанная на фиг.2 или фиг.5;

если требуется отсечка протекания тока в прямом направлении и обратном направлении, могут быть выбраны блоки переключения с двумя управляемыми однонаправленными ответвлениями, показанные на фиг.4, фиг.6 или фиг.7.

Предпочтительно модуль 100 управления переключением выполнен с возможностью управления выключением блоков 1 переключения, когда прохождение тока через блоки 1 переключения соответствует нулевому значению после включения блоков 1 переключения с тем, чтобы повысить эффективность работы схемы. Кроме того, нарушение нормальной работы всей схеме минимально, если блоки 1 переключения выключаются при нулевом протекании тока в схеме.

В варианте реализации блока 101 инверсии полярности, блок 101 инверсии полярности содержит схемы, соединенные с элементами С1 накопления заряда во взаимно-однозначном соответствии, причем согласно фиг.8 каждый блок инверсии полярности содержит однонаправленный переключатель 3 и элемент L2 накопления тока, соединенные последовательно друг с другом;

модуль 100 управления переключением также соединен с однонаправленными переключателями 3 и выполнен с возможностью изменения направления полярности напряжения элементов С1 накопления заряда посредством управления включением однонаправленного переключателя;

инверсия может быть выполнена одновременно или последовательно для С1 элементов накопления заряда.

В другом варианте реализации блока 101 инверсии полярности, показанного на фиг.9, блок 101 инверсии полярности содержит однонаправленные переключатели 3 и элемент L2 накопления тока;

причем однонаправленные переключатели 3 присоединены одним концом к элементам С1 накопления заряда с одного конца во взаимно-однозначном соответствии;

другим концом однонаправленные переключатели 3 присоединены к одному концу элемента L2 накопления тока, а другой конец элемента L2 накопления тока соединен с элементами С1 накопления заряда с другого конца;

модуль 100 управления переключением также соединен с однонаправленными переключателями 3 и выполнен с возможностью одновременного или последовательного изменения полярности напряжения элементов С1 накопления заряда путем управления включением однонаправленных переключений 3. В таком варианте реализации процесс инверсии полярности элементов С1 накопления заряда может быть осуществлен одним элементом L2 накопления тока;

таким образом, количество элементов может быть уменьшено;

кроме того, предпочтительно модуль 100 управления переключением последовательно выполняет инверсию полярности напряжения элементов С1 накопления заряда путем управления временем включения однонаправленных переключений 3;

в данной схеме, поскольку полярность напряжения элементов С1 накопления заряда не инвертируется одновременно, размер элемента L2 накопления тока, необходимого в блоке 101 инверсии полярности, можно дополнительно уменьшить, и, следовательно, можно дополнительно уменьшить размер и вес цепи нагрева аккумуляторной батареи.

При этом однонаправленный переключатель 3 может быть любым элементом, который может быть использован для осуществления управления включения/выключения однонаправленной схемы. Например, однонаправленный переключатель 3 может быть расположен в структуре, показанной на фиг.10, то есть однонаправленный переключатель 3 может содержать однонаправленный полупроводниковый элемент D1 и переключатель К2, соединенные последовательно друг с другом. Однонаправленные переключатели могут быть выполнены с однонаправленными полупроводниковыми элементами и переключателями, соединенными последовательно;

или они могут быть выполнены посредством совместного использования одного переключателя, например, однонаправленные полупроводниковые элементы могут быть последовательно присоединены одним концом к одному концу одного и того же переключателя, однонаправленные полупроводниковые элементы могут быть присоединены другим концом к элементам накопления заряда во взаимно-однозначном соответствии, а другой конец переключателя может быть соединен с элементами накопления тока, так, чтобы количество переключения в цепи нагрева могло быть снижено;

или однонаправленные переключатели могут быть осуществлены посредством совместного использования одного однонаправленного полупроводникового элемента, например, переключатели могут быть присоединены одним концом к одному концу однонаправленного полупроводникового элемента, переключатели могут быть присоединены другим концом к элементам накопления заряда с одного конца, а другой конец однонаправленного полупроводникового элемента может быть соединен с элементами накопления тока, так, чтобы количество однонаправленных полупроводниковых элементов в цепи нагрева могло быть снижено. Настоящее изобретение не устанавливает ограничения относительно конкретного выполнения однонаправленных переключений для блока 101 инверсии полярности в цепи нагрева, пока такая реализация может осуществлять управление процессом инверсии полярности у элементов накопления заряда.

В приведенном ниже описании, со ссылкой на фиг.11-14, будет представлен рабочий процесс вариантов реализации цепи нагрева для аккумуляторной батареи Е, причем на фиг.11, фиг.13 и фиг.14 показаны различные варианты реализации цепи нагрева для аккумуляторной батареи Е, а на фиг.12 показана структура волны, соответствующая цепи нагрева для аккумуляторной батареи Е, показанной на фиг.11.

Следует отметить: хотя особенности и элементы настоящего изобретения описаны конкретно в отношении фиг.11, 13 и 14, каждая особенность или элемент настоящего изобретения могут быть использованы отдельно без других особенностей и элементов, или могут быть использованы совместно или не совместно с другими особенностями и элементами.

Варианты реализации цепи нагрева для аккумуляторной батареи Е, обеспеченные в настоящем изобретении, не ограничены вариантами реализации, показанными на фиг.11, 13 и 14. Сетчатая часть структуры волны, показанной на фиг.12, указывает, что возбуждающие импульсы могут быть приложены к переключателю по меньшей мере в один момент времени в пределах периода, и при необходимости ширина импульса может быть отрегулирована.

В цепи нагрева для аккумуляторной батареи Е, показанной на фиг.11, блоки 1 переключения представлены в виде двунаправленных переключений (т.е. двунаправленный переключатель К1а и K1b);

двунаправленный переключатель К1а последовательно соединен с элементом С1а накопления заряда для формирования первого ответвления, и двунаправленный переключатель K1b последовательно соединен с элементом C1b накопления заряда для формирования второго ответвления;

оба из двух данных ответвлений соединены последовательно с элементом L1 накопления тока, демпфирующим элементом R1 и аккумуляторной батареей Е. Блоки 101 инверсии полярности совместно используют один элемент L2 накопления тока;

однонаправленный полупроводниковый элемент D1a и переключатель К2а, а также однонаправленный полупроводниковый элемент D1b и переключатель K2b формируют два однонаправленных переключателя 3, соответственно, и выполнены с возможностью управления процессом инверсии полярности элемента С1а и C1b накопления заряда, соответственно. Модуль управления переключением может управлять включением/выключением K1a, K1b, К2а и K2b. На фиг.12 показана структура волны тока IC1a через элемент С1а накопления заряда и напряжение VC1a через элемент С1а накопления заряда, а также ток IC1b через элемент C1b накопления заряда и напряжение VC1b через элемент C1b накопления заряда;

цепь нагрева, показанная на фиг.11, может функционировать по следующему алгоритму:

a) Модуль 100 управления переключением управляет включением двунаправленного переключателя K1a и K1b, как обозначено временным периодом t1 на фиг.12;

таким образом, аккумуляторная батарея Е может разряжаться в прямом направлении через электрический контур, состоящий из двунаправленного переключателя K1a и элемента С1а накопления заряда, и электрический контур, состоящий из двунаправленного переключателя K1b и элемента C1b накопления заряда (как обозначено положительным полуциклом тока IC1a и IC1b в периоде времени t1 на фиг.12), и может быть заряжена в обратном направлении (как обозначено отрицательным полуциклом тока IC1a и IC1b в периоде времени t1 на фиг.12);

b) Модуль 100 управления переключением управляет выключением двунаправленного переключателя K1a и K1b при нулевом значении тока в обратном направлении.

c) Модуль 100 управления переключением управляет включением переключателя K2b, и, таким образом, элемент C1b накопления заряда разряжается через электрический контур, состоящий из однонаправленного полупроводникового элемента D1b, элемента накопления тока и переключателя K2b, и достигает цели инверсии полярности напряжения, и затем модуль 100 управления переключением управляет выключением переключателя K2b, как обозначено временным периодом t2 на фиг.12;

d) Модуль 100 управления переключением управляет включением переключателя К2а, и, таким образом, элемент С1а накопления заряда разряжается через электрический контур, состоящий из однонаправленного полупроводникового элемента D1a, элемента L2 накопления тока и переключателя К2а, и достигает цели инверсии полярности напряжения, и затем модуль 100 управления переключением управляет выключением переключателя К2а, как обозначено временным периодом t3 на фиг.12;

е) Повторение этапов а) - d); таким образом аккумуляторная батарея Е непрерывно подогревается в течение циклов зарядки/разрядки, пока аккумуляторная батарея Е не будет соответствовать условию остановки нагрева.

В цепи нагрева для аккумуляторной батареи Е, показанной на фиг.13, блоки 1 переключения по-прежнему имеют форму двунаправленных переключений, показанных на фиг.11 (т.е. двунаправленный переключатель К1а и K1b);

двунаправленный переключатель К1а соединен последовательно с элементом С1а накопления заряда для формирования первого ответвления, и двунаправленный переключатель K1b последовательно соединен с элементом C1b накопления заряда для формирования второго ответвления;

оба из двух ответвлений последовательно соединены с элементом L1 накопления тока, демпфирующим элементом R1 и аккумуляторной батареей Е. Блоки 101 инверсии полярности еще совместно используют один элемент L2 накопления тока;

однако, в отличие от блоков инверсии полярности, показанных на фиг.11, блоки инверсии полярности по фиг.13 используют однонаправленный полупроводниковый элемент D1a и переключатель К2а и переключатель K2b как однонаправленные переключатели в них, причем переключатели К2а и K2b присоединены одним концом к одному концу однонаправленного полупроводникового элемента D1a, а другим концом переключатели К2а и K2b соответственно присоединены к элементам С1а и C1b накопления заряда;

другой конец однонаправленного полупроводникового элемента Dla соединен с элементом L2 накопления тока. Модуль 100 управления переключением может управлять включением/выключением Kla, Klb, К2а и K2b для осуществления управления рабочим процессом всей цепи нагрева. По сравнению с цепью нагрева, показанной на фиг.11, цепь нагрева для аккумуляторной батареи Е, показанной на фиг.13, немного отличается лишь по структуре схемы однонаправленных переключений в блоках 101 инверсии полярности, тогда как процесс функционирования по существу одинаковый. Поэтому данный процесс не будет дополнительно раскрыт в настоящем описании.

В цепи нагрева для аккумуляторной батареи Е, показанной на фиг.14, блоки 1 переключения по-прежнему имеют форму двунаправленных переключений, показанных на фиг.11 (т.е. двунаправленный переключатель K1a и K1b);

двунаправленный переключатель K1a последовательно соединен с элементом С1а накопления заряда для формирования первого ответвления и двунаправленный переключатель K1b последовательно соединен с элементом C1b накопления заряда для формирования второго ответвления;

оба из двух ответвлений последовательно соединены с элементом L1 накопления тока, демпфирующим R1 элементом и аккумуляторной батареей Е. Блоки 101 инверсии полярности также совместно используют один элемент L2 накопления тока;

однако в отличие от блоков инверсии полярности, показанных на фиг.11, блоки инверсии полярности по фиг.14 используют однонаправленный полупроводниковый элемент D1a, однонаправленный полупроводниковый элемент D1b и переключатель К2а в качестве однонаправленных переключений в них, причем однонаправленный полупроводниковый элемент D1a и однонаправленный полупроводниковый элемент D1b присоединен одним концом к одному концу переключателя К2а, однонаправленный полупроводниковый элемент D1la и однонаправленный полупроводниковый элемент D1b присоединены другим концом к элементу С1а накопления заряда и C1b, соответственно, а другой конец переключателя К2а соединен с элементом L2 накопления тока. Модуль 100 управления переключением может управлять включением/выключением K1a, K1b, К2а и K2b для управления рабочим процессом всей цепи нагрева. При работе цепи нагрева, показанной на фиг.14, можно, во-первых, управлять включением двунаправленного переключателя K1a так, чтобы аккумуляторная батарея Е могла разряжаться и быть заряженной через ответвление элемента С1 накопления заряда;

затем можно управлять выключением двунаправленного переключателя K1a и можно управлять включением переключателя К2а с тем, чтобы инвертировать полярность напряжения элемента С1а накопления заряда;

после выполнения инверсии полярности напряжения элемента С1 накопления заряда можно управлять выключением переключателя К2а;

затем можно управлять включением двунаправленного переключателя K1b так, чтобы аккумуляторная батарея Е могла разряжаться и быть заряженной через ответвление элемента C1b накопления заряда;

затем можно управлять выключением двунаправленного переключателя K1b и можно управлять включением переключателя К2а с тем, чтобы инвертировать полярность напряжения элемента C1b накопления заряда;

после выполнения инверсии полярности напряжения элемента C1b накопления заряда можно управлять выключением переключателя К2а. Циклы могут быть повторены, до тех пор пока не наступит условие для остановки нагрева аккумуляторной батареи.

Цепь нагрева, обеспеченная в настоящем изобретении, может улучшить выполнение зарядки/разрядки аккумуляторной батареи;

кроме того, поскольку схема накопления энергии и блок переключения соединены с аккумуляторной батареей последовательно в цепи нагрева, то при нагреве аккумуляторной батареи можно избежать проблем безопасности, связанных с неисправностями и коротким замыканием блока переключения, благодаря наличию элемента накопления заряда, соединенного последовательно, и, таким образом, аккумуляторная батарея может быть эффективно защищена. Кроме того, в цепь нагрева, обеспеченную в настоящем изобретении, добавлен блок инверсии полярности;

таким образом, после выключения блока переключения блок инверсии полярности может инвертировать полярность напряжения элементов накопления заряда в схеме накопления энергии;

поскольку напряжение на элементах накопления заряда может быть последовательно суммировано с напряжением аккумуляторной батареи после инверсии полярности, то ток разряда, присутствующий в цепи нагрева, может быть увеличен при последующем включении блока переключения, и, тем самым, повысить эффективность работы цепи нагрева. Кроме того, в предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения для осуществления инверсии полярности использована одна катушка индуктивности;

таким образом, можно уменьшить количество элементов, и, тем самым, можно уменьшить размер и вес цепи нагрева аккумуляторной батареи.

Несмотря на то, что в приведенном выше описании со ссылкой на прилагаемые чертежи представлены некоторые предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, настоящее изобретение не ограничено особенностями таких вариантов реализации. Специалисты в данной области техники смогут выполнить модификации и изменения для технической схемы настоящего изобретения, не отступая от сущности настоящего изобретения. Тем не менее все такие модификации и изменения должны считаться как попадающие в защищенную область настоящего изобретения.

Кроме того, следует отметить: конкретные технические особенности, описанные в приведенных выше вариантах реализации, могут быть объединены в любую подходящую форму, при условии отсутствия какого-либо конфликта. Во избежание излишнего повторения возможные комбинации конкретно не описаны в настоящем изобретении. Кроме того, различные варианты реализации настоящего изобретения при необходимости могут быть свободно объединены, при условии, что такие комбинации не отступают от идеи и сущности настоящего изобретения. Как бы то ни было, такие комбинации также должны рассматриваться как попадающие в объем, раскрытый в настоящем изобретении.

Изобретение относится к аккумуляторным батареям. Технический результат - повышение эффективности заряда/разряда аккумуляторной батареи, а также повышение безопасности и работоспособности в процессе нагрева аккумуляторной батареи. Настоящее изобретение обеспечивает цепь нагрева аккумуляторной батареи, содержащую блоки переключения, модуль управления переключением, демпфирующий элемент R1, схему накопления энергии и блок инверсии полярности, причем схема накопления энергии соединена с аккумуляторной батареей и содержит элемент L1 накопления тока и элементы С1 накопления заряда, элементы С1 накопления заряда соединены с блоками переключения последовательно в точном соответствии для формирования ответвлений, ответвления соединены друг с другом параллельно и затем последовательно соединены с элементом L1 накопления тока и демпфирующим элементом R1, модуль управления переключением соединен с блоками переключения и выполнен с возможностью управления включением/выключением блоков переключения, так чтобы энергия протекала в одну сторону и другую сторону между аккумуляторной батареей и схемой накопления энергии при включении блоков переключения, блок инверсии полярности соединен со схемой накопления энергии и выполнен с возможностью изменения направления полярности напряжения элементов С1 накопления заряда после переключения блоков переключения из положения «включено» в положение «выключено». 11 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Цепь нагрева аккумуляторной батареи, содержащая блоки (1) переключения, модуль (100) управления переключением, демпфирующий элемент R1, схему накопления энергии и блок (101) инверсии полярности, причем схема накопления энергии соединена с аккумуляторной батареей и содержит элемент L1 накопления тока и элементы С1 накопления заряда; при этом
элементы С1 накопления заряда соединены с блоками (1) переключения последовательно во взаимно-однозначном соответствии для формирования ответвлений;
ответвления параллельно соединены друг с другом и затем последовательно соединены с элементом L1 накопления тока и демпфирующим элементом R1;
модуль (100) управления переключением соединен с блоками (1) переключения и выполнен с возможностью управления включением/выключением блоков (1) переключения так, чтобы энергия протекала в одну сторону и другую сторону между аккумуляторной батареей и схемой накопления энергии при включении блоков (1) переключения;
блок (101) инверсии полярности соединен со схемой накопления энергии и выполнен с возможностью инверсии полярности напряжения элементов С1 накопления заряда после переключения блоков (1) переключения из положения «включено» в положение «выключено».

2. Цепь нагрева по п.1, в которой блок (101) инверсии полярности содержит схемы инверсии; при этом
схемы инверсии соединены с элементами С1 накопления заряда во взаимно-однозначном соответствии, причем каждая схема инверсии содержит однонаправленный переключатель (3) и элемент L1 накопления тока, последовательно соединенные друг с другом; при этом
модуль (100) управления переключением также соединен с однонаправленными переключателями (3) и выполнен с возможностью инверсии полярности напряжения элементов С1 накопления заряда посредством управления выключением однонаправленного переключателя (3).

3. Цепь нагрева по п.1, в которой блок (101) инверсии полярности содержит однонаправленные переключатели (3) и элемент L2 накопления тока; при этом
однонаправленные переключатели (3) присоединены одним концом к элементам С1 накопления заряда с одного конца во взаимно-однозначном соответствии, однонаправленные переключатели (3) присоединены другим концом к одному концу элемента L2 накопления тока, а другой конец элемента L2 накопления тока соединен с элементами С1 накопления заряда с другого конца; при этом
модуль (100) управления переключением также соединен с однонаправленными переключателями (3) и выполнен с возможностью одновременной или последовательной инверсии полярности напряжения элементов С1 накопления заряда путем управления включением однонаправленных переключения (3).

4. Цепь нагрева по п.1, в которой блок (1) переключения представляет собой двунаправленный переключатель К3.

5. Цепь нагрева по п.1, в которой блок (1) переключения содержит первое однонаправленное ответвление, выполненное с возможностью передачи энергии от аккумуляторной батареи к схеме накопления энергии, и второе однонаправленное ответвление, выполненное с возможностью передачи энергии от схемы накопления энергии к аккумуляторной батарее; при этом
модуль (100) управления переключением соединен с любым или обоими из первого однонаправленного ответвления и второго однонаправленного ответвления для управления включением/выключением соединенного ответвления.

6. Цепь нагрева по п.5, в которой блок (1) переключения содержит двунаправленный переключатель К4 и двунаправленный переключатель К5, причем двунаправленный переключатель К4 и двунаправленный переключатель К5 последовательно соединены противоположно друг другу для формирования первого однонаправленного ответвления и второго однонаправленного ответвления; при этом
модуль (100) управления переключением соединен с двунаправленным переключателем К4 и двунаправленным переключателем К5 соответственно и выполнен с возможностью управления включением/выключением первого однонаправленного ответвления и второго однонаправленного ответвления посредством управления включением/выключением двунаправленного переключателя К4 и двунаправленного переключателя К5.

7. Цепь нагрева по п.5, в которой блок (1) переключения содержит переключатель К6, однонаправленный полупроводниковый элемент D11 и однонаправленный полупроводниковый элемент D12, причем переключатель К6 и однонаправленный полупроводниковый элемент D11 последовательно соединены друг с другом для создания первого однонаправленного ответвления;
однонаправленный полупроводниковый элемент D12 составляет второе однонаправленное ответвление;
модуль (100) управления переключением соединен с переключателем К6 и выполнен с возможностью управления включением/выключением первого однонаправленного ответвления путем управления включением/выключением переключателя К6.

8. Цепь нагрева по п.7, в которой блок (1) переключения дополнительно содержит переключатель К7 во втором однонаправленном ответвлении, причем переключатель К7 последовательно соединен с однонаправленным полупроводниковым элементом D12;
модуль (100) управления переключением также соединен с переключателем К7 и выполнен с возможностью управления включением/выключением второго однонаправленного ответвления путем управления включением/выключением переключателя К7.

9. Цепь нагрева по п.5, в которой блок (1) переключения дополнительно содержит сопротивление, последовательно соединенное с первым однонаправленным ответвлением и/или вторым однонаправленным ответвлением.

10. Цепь нагрева по любому из пп.1-9, в которой модуль (100) управления переключением управляет выключением блока (1) переключения при или после достижения нулевого значения током, проходящим через блок (1) переключения, после включения блока (1) переключения.

11. Цепь нагрева по п.1, в которой модуль (100) управления переключением управляет блоками (1) переключения так, чтобы энергия могла одновременно или последовательно протекать от аккумуляторной батареи к элементам С1 накопления заряда, и так, чтобы энергия могла одновременно или последовательно протекать от элементов С1 накопления заряда к аккумуляторной батарее.

12. Цепь нагрева по п.1, в которой демпфирующий элемент R1 представляет собой паразитное сопротивление в аккумуляторной батарее, и элемент L1 накопления тока представляет собой паразитную индуктивность в аккумуляторной батарее.