ТЕПЛОЗАЩИЩЕННАЯ ЛИТИЙ-ИОННАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2015 года по МПК H01M10/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании высоковольтных батарей электрических накопителей энергии для нужд транспорта и энергетики.

В настоящее время одними из наиболее перспективных для использования в качестве тяговых батарей для электротранспорта являются литий-ионные аккумуляторные батареи. Однако они обладают низкой работоспособностью при отрицательных температурах, что не приемлемо для многих районов России и мира. Для преодоления указанного недостатка используют различные системы нагрева аккумуляторных батарей.

Так, известна система подогрева батареи, состоящая из нескольких нагревательных элементов, помещенных в защитный кожух, размещаемый вблизи батареи. Нагреватель оснащается двухпозиционным выключателем и термостатическим управляющим таймером с отдельным источником питания. Последний представляет собой еще одну батарею либо внешний сетевой блок питания. Термостатический управляющий таймер позволяет периодически эксплуатировать подогреватель в режиме повышенной мощности и подогревать батарею непосредственно перед пуском [см. патент США №5,994,669 от 30 ноября 1999 г.].

Недостатком устройства является необходимость в дополнительном аккумуляторе.

Известен теплозащитный чехол с подогревом для автомобильных аккумуляторов, в котором подогрев осуществляется с помощью встроенного в чехол саморегулируемого нагревательного элемента, подключаемого через расположенный в салоне автомобиля выключатель к клеммам самого аккумулятора [см. патент РФ на полезную модель №109920 от 15.03.2011 г.].

Недостатком данного устройства является то, что продолжительность обогрева должен определять водитель, что не всегда удобно. Кроме того, в случае использования литий-ионных аккумуляторов бесконтрольная их разрядка просто недопустима.

Известен способ обеспечения работоспособности литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе при отрицательных температурах, при котором имеется батарейный блок литий-ионных аккумуляторов с подогревателем, который крепится в нижней части корпуса батарейного блока и включается от него после срабатывания температурного датчика, настроенного на температуру, равную менее 0°C, а отключение нагревателя происходит автоматически по команде от контроллера при достижении температуры более 0°C [см. патент РФ на изобретение №2451370 от 13.12.2010 г.]. Описанная в патенте система контроля работает, не выключаясь, будучи запущенной при положительной температуре, и позволяет обеспечить работоспособность батареи при низких значениях температуры.

Недостатком известного устройства является то, что оно нуждается в дополнительных затратах на комплектование батареи, помимо нагревателя, аппаратурой температурной автоматики подогрева (датчиком температуры, контроллером, выключателем) при наличии обязательной для литий-ионной батареи электронной системы управления, обеспечивающей безопасность эксплуатации и балансировку накопителей батареи.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к данному изобретению является аккумуляторная батарея с иерархической системой управления, в которой установленные на каждый электрический накопитель блоки управления накопителями (БУН) обеспечивают их балансировку с помощью сквозной энергообменной изолированной магистрали постоянного тока, подключенной для контроля к установленному в корпусе батареи блоку управления модулем (БУМ), который связан с блоками БУН информационным каналом связи. Блок БУМ осуществляет терморегуляцию батарейного модуля по данным температурных измерений блоков БУН, включая и выключая установленный в корпусе батареи нагревательный элемент, запитанный от клемм батарейного модуля [см. патент РФ на полезную модель №123251 от 30.07.2012 г.].

Недостатком известного устройства является то, что при подогреве батарейного модуля от самого этого модуля не учитываются результаты балансировки накопителей батареи, при которой дополнительный разряд некоторых накопителей для нагрева батареи может оказаться нежелательным или даже недопустимым.

Перед заявленным изобретением была поставлена задача создания теплозащищенной литий-ионной аккумуляторной батареи с подогревом от самой батареи, и лишенной указанного недостатка.

Поставленная задача решается тем, что предложена теплозащищенная литий-ионная аккумуляторная батарея, включающая установленные в корпусе батарейные модули из последовательно соединенных электрических накопителей энергии с встроенной иерархической системой управления и нагревательный элемент. Иерархическая система управления содержит установленные на накопителях блоки управления накопителями с температурными датчиками и выравнивающими устройствами, связанные между собой и с установленным в корпусе батарейного модуля блоком управления модулем посредством информационного канала связи и сквозной изолированной энергообменной магистрали постоянного тока.

Новым в предложенной батарее является то, что подключение блока управления модулем к нагревательному элементу осуществляется с помощью встроенного в него электронного ключа, подключенного к сквозной изолированной энергообменной магистрали постоянного тока.

Технический результат заявленного изобретения состоит в том, что благодаря использованию для целей подогрева литий-ионной аккумуляторной батареи в зимних условиях изолированной энергообменной магистрали постоянного тока системы управления батареей достигается экономия затрат на аппаратуру температурной автоматики подогрева и совмещается балансировка накопителей батареи с ее подогревом от выбранных накопителей, не допуская их переразряда и нарушения балансировки.

На фигуре представлена структурная схема заявленной батареи.

Заявленная теплозащищенная литий-ионная аккумуляторная батарея содержит установленные в корпус 1 батарейного модуля 2 последовательно соединенные электрические накопители энергии 3 со встроенной электронной иерархической системой управления батареей 4 и нагревательный элемент 5. Иерархическая система управления батареей (BMS) 4 состоит из установленных на накопителях 3 блоков управления накопителями 6 (БУН) с температурными датчиками и выравнивающими устройствами (на чертеже не показаны), связанные между собой и с установленным в корпусе 1 и подключенным к клеммам «+» 7 и «-» 8 блоком управления модулем 9 (БУМ) посредством двунаправленного информационного канала связи 10 и сквозной изолированной энергообменной магистрали постоянного тока 11, подключенной к встроенному в БУМ 9 и управляемому от него электронному ключу 12, через который подключен нагревательный элемент 5.

Заявленная батарея работает следующим образом. Первоначальное включение батареи с BMS 4 осуществляется при положительной температуре. При достижении заданного порогового значения температуры хотя бы одним накопителем 3 батарейных модулей 2 (например, 0°C) блоки 6 БУН посылают по каналу связи 10 в блоки 9 БУМ соответствующие сигналы, по которым последние подключают нагревательные элементы 5 через встроенные в них электронные ключи 12 к изолированной энергообменной магистрали постоянного тока 11, а также посылают обратно по каналу связи 10 в блоки БУН команды на подключение к энергообменной магистрали 11 тех накопителей 3, разряд которых допустим и желателен с точки зрения балансировки батарейных модулей 2. При достижении накопителями 3 второго температурного порога (например, +2°C), обеспечивающего нормальную работу батареи, блоки 9 БУМ отключают соответствующие нагревательные элементы 5 в корпусах 1 батареи, что позволяет обеспечить работу всей литий-ионной аккумуляторной батареи при низких температурах. В предложенной батарее возможен нагрев батарейных модулей от накопителей других батарейных модулей, выбранных системой BMS 4 с учетом общего состояния накопителей 3 при наличии в ней блока управления батареей (на чертеже).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании аккумуляторных батарей из литий-ионных накопителей энергии для нужд транспорта и энергетики.

Технический результат заявленного изобретения состоит в экономии затрат на аппаратуру температурной автоматики подогрева и совмещении процесса балансировки накопителей батареи с ее подогревом от выбранных накопителей, не допуская их переразрядки и нарушения балансировки.

Сущность изобретения состоит в том, что функция нагрева в зимних условиях и терморегуляция батареи возложена на встроенную в батарею иерархическую электронную систему управления путем подключения нагревательных элементов батарейных модулей к ее изолированной энергообменной магистрали постоянного тока через электронные ключи, встроенные и управляемые от блоков управления модулями, связанными с установленными на накопители батареи блоками управления накопителями с температурными датчиками и выравнивающими устройствами. 1 ил.

Теплозащищенная литий-ионная аккумуляторная батарея, содержащая установленные в корпуса батарейных модулей нагревательные элементы и последовательно соединенные электрические накопители энергии с встроенной иерархической электронной системой управления, состоящей из установленных на накопителях энергии блоков управления накопителями с температурными датчиками и выравнивающими устройствами, которые связаны между собой и с установленными в корпусах батарейных модулей и подключенными к их клеммам блоками управления модулями посредством двунаправленного информационного канала связи и сквозной изолированной энергообменной магистрали постоянного тока, отличающаяся тем, что блоки управления модулями батареи содержат управляемые от них электронные ключи, соединенные со сквозной изолированной энергообменной магистралью постоянного тока и подключенные к соответствующим нагревательным элементам батарейных модулей.