УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ РАБОЧЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ БАТАРЕИ Российский патент 2017 года по МПК H01M10/60 H01M10/615 H02J7/02 

Объектами изобретения являются устройство и способ поддержания рабочей температуры батареи.

Изобретение относится к области бортовых устройств, установленных на транспортных средствах.

Более конкретно, изобретение относится к области автономных бортовых устройств, установленных на транспортных средствах, и, в частности, касается питания этих устройств.

Учитывая интенсивное развитие новых технологий информатики и коммуникаций во всех областях, в настоящее время проявляется большой интерес к средствам телематики на транспортных средствах. Бортовые средства телематики на транспортных средствах включают в себя, кроме всего прочего, передачу информации на дальнее расстояние между двумя устройствами типа смарт-устройств. Часть бортовых средств телематики обеспечивает предоставление надлежащей информации пользователю транспортного средства. Другая часть бортовых средств телематики гарантирует пользователю транспортных средств оптимальные условия безопасности. Эта безопасность является, по меньшей мере, двойной с учетом рисков, связанных с нормальным использованием транспортного средства, и с учетом социальных рисков. Риском во время нормального использования транспортного средства является дорожно-транспортное происшествие. Социальным риском является кража. В данном случае речь идет о не ограничительном примере. Эти риски учитываются устройствами, называемыми автономными в том смысле, что они не должны в своей работе зависеть от целостности транспортного средства.

Дорожно-транспортное происшествие учитывается бортовым устройством автоматического оповещения о ДТП. Такое устройство основано на принципе передачи, - сразу после обнаружения ДТП, - электронного сообщения с оповещением о ДТП в специальный приемник. Электронное сообщение включает в себя, по меньшей мере, указание о месте происшествия, то есть о месте нахождения передающего устройства. Это позволяет сократить время между происшествием и прибытием спасательных служб на место происшествия.

Передача электронного сообщения с оповещением о ДТП происходит автоматически вследствие обнаружения ДТП датчиками или вручную посредством активации через соответствующий привод пользователем транспортного средства в зависимости от того, пострадало транспортное средство или нет. Бортовое устройство получает информацию о месте нахождения для ее включения в передаваемое сообщение через систему спутникового позиционирования.

Социальный риск учитывается устройством отслеживания транспортного средства. Эти устройства называются устройствами «отслеживания угнанного транспортного средства» и чаще устройствами SVT (от английского Stolen Vehicle Tracking). Такое устройство отслеживания передает свое положение постоянно или по запросу. Прием передаваемого положения происходит так же, как и в случае устройства автоматического оповещения о ДТП.

Обычно говорят об устройствах обеспечения надежности и об устройствах обеспечения безопасности. Устройства обеспечения надежности делают нормальное использование транспортного средства более надежным за счет сведения к минимуму влияния возможных случайностей при использовании. Наиболее эффективным методом при этом является профилактика. Устройства обеспечения безопасности стремятся уменьшить влияние намеренных попыток нарушения целостности транспортного средства.

Понятно, что эксплуатационная готовность таких устройств обеспечения надежности или таких устройств обеспечения безопасности не должна зависеть от наличия главного питания транспортного средства. Действительно, такое главное питание очень легко вывести из строя путем:

- отключения при ударе во время ДТП,

- намеренного отсоединения проводов для отключения питания от устройства обеспечения безопасности,

- …

Даже по этим причинам устройства обеспечения надежности и устройства обеспечения безопасности всегда содержат резервную батарею, которая придает им определенную автономию, когда они оказываются отключенными от главного источника питания защищаемого ими транспортного средства.

Поскольку эти устройства обеспечения надежности и обеспечения безопасности установлены на транспортном средстве, они должны соответствовать нормам, действующим в области их применения. В этом случае существует температурный интервал, в котором должны работать эти устройства обеспечения надежности и обеспечения безопасности. Этот интервал составляет от -40°C до +85°C.

Проблема возникает при низких температурах. Как известно, при температуре ниже -20°C стандартная батарея почти не выдает тока. Зависящие от этих батарей устройства перестают работать. Учитывая, что эти устройства используются, когда транспортное средство работает, и что они расположены либо в моторном отсеке, либо в салоне, они редко подвергаются действию сверхнизких температур. Однако в случае устройств обеспечения безопасности необходимо, чтобы они могли работать, даже если транспортное средство не работает, то есть когда его двигатель выключен. В этом случае рабочая температура устройства обеспечения безопасности соответствует окружающей температуре в месте, где находится транспортное средство. В этом случае транспортное средство и его компоненты не передают никакого тепла на устройство обеспечения безопасности.

В определенной степени проблема возникает даже после запуска транспортного средства, то есть когда транспортное средство начало работать и его компоненты еще не прогрелись. Вместе с тем, происшествие или плохое самочувствие могут проявиться с первыми оборотами колес. Поэтому необходимо, чтобы устройства обеспечения надежности как можно быстрее становились активными.

Изобретение решает эту проблему за счет контроля температуры батареи, питающей устройство обеспечения безопасности. Батарея соединена с температурным датчиком и с устройством нагрева. Устройство нагрева и температурный датчик подключены к микроконтроллеру, который управляет устройством нагрева в зависимости от сигналов, выдаваемых температурным датчиком. Микроконтроллер включает устройство нагрева таким образом, чтобы поддерживать батарею при температуре, при которой она может работать, то есть выдавать энергию. Такая температура превышает -20°C.

В связи с этим объектом изобретения является устройство поддержания рабочей температуры первой батареи, отличающееся тем, что содержит:

- схему нагрева, выполненную с возможностью нагрева первой батареи,

- схему контроля, соединенную со схемой нагрева, при этом схема контроля выполнена с возможностью управления работой схемы нагрева в зависимости от определенного программирования.

Кроме вышеупомянутых основных отличительных признаков, устройство в соответствии с изобретением может иметь один или несколько следующих дополнительных отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в технически возможных комбинациях:

- оно содержит:

- температурный датчик (190), выполненный с возможностью измерения температуры первой батареи, при этом указанный датчик соединен со схемой контроля, при этом определенное программирование зависит от измерения температуры первой батареи,

- устройство нагрева получает питание от второй батареи,

- оно содержит схему переключения для выбора питания схемы нагрева среди:

- первой батареи,

- второй батареи,

- устройство нагрева получает питание от первой батареи,

- схема нагрева представляет собой намотку резисторного провода вокруг первой батареи,

- схема нагрева состоит из двух серпантинных решеток, расположенных с двух сторон от места, предназначенного для размещения первой батареи,

- температурный датчик термически изолирован от схемы нагрева.

Объектом изобретения является также способ для применения устройства поддержания рабочей температуры батареи, отличающийся тем, что содержит следующие этапы:

- при запуске схемы контроля включают схему нагрева в течение определенного времени.

Объектом изобретения является также способ применения устройства поддержания рабочей температуры батареи, отличающийся тем, что содержит следующие этапы:

- считывание температуры первой батареи с первой заданной частотой,

- сравнение считанной температуры с заданным порогом:

- если считанная температура ниже порога, включают схему нагрева.

Кроме вышеупомянутых основных отличительных признаков, способ в соответствии с изобретением может иметь один или несколько следующих дополнительных отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в технически возможных комбинациях:

- он содержит следующий этап:

- если во время сравнения считанная температура превышает порог, схему нагрева выключают,

- он содержит следующий этап:

- устройство нагрева выключают со второй заданной частотой.

Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - первый вариант осуществления изобретения.

Фиг. 2 - вид в продольном разрезе первой батареи, применяемой в заявленном устройстве.

Фиг. 3 - вид в разрезе сбоку первой батареи, применяемой в заявленном устройстве.

Фиг. 4 - вариант применения устройства нагрева.

Фиг. 5 - вариант применения устройства нагрева батареи.

Фиг. 6,7 - этапы способа в соответствии с изобретением.

Фиг. 8 - вариант изобретения.

Фиг. 9 - схема выбора питания.

На фиг. 1 показана первая батарея 110, содержащая провода 120 и 130 питания, позволяющие соединить первую батарею 110 с не показанными устройством обеспечения надежности или устройством обеспечения безопасности.

На фиг. 1 показана также схема 140 нагрева, содержащая резистивный провод, намотанный вокруг первой батареи 110. Когда через схему 140 проходит электрический ток, он производит тепло за счет эффекта Джоуля. Поскольку схема 140 нагрева находится очень близко или даже входит в контакт с первой батареей 110, эта батарея нагревается, когда схема 140 нагрева производит тепло.

На фиг. 1 показано, что схема 140 нагрева соединена проводами 150 и 160 питания со второй батареей 170. Это соединение осуществляют через выключатель 180. Такой выключатель 180 представляет собой, например, но не ограничительно, электромеханический выключатель, транзистор, реле или любое эквивалентное устройство. Применение выключателя 180 позволяет размыкать или замыкать цепь питания схемы 140 нагрева.

На фиг. 1 показан также температурный датчик 190. Такой датчик представляет собой терморезистор, термопару или любое другое эквивалентное устройство. Считается, что температурный датчик 190 может измерять температуру батареи, по меньшей мере, в следующих случаях:

- температурный датчик входит в непосредственный контакт с батареей,

- температурный датчик входит в контакт с батареей, по меньшей мере, через один теплопроводящий материал,

- температурный датчик находится достаточно близко к батарее, чтобы элементы между датчиком и батареей не осуществляли теплоизоляции.

В варианте относительное расположение температурного датчика по отношению к батарее учитывают для калибровки измерения температуры. В случае необходимости, можно вводить поправку в измерение, осуществляемое температурным датчиком.

На фиг. 1 показана также схема 200 контроля. Схема 200 контроля представляет собой микроконтроллер или микропроцессор. Схема 200 контроля соединена с выключателем 180 при помощи провода 210 и с температурным датчиком 190 при помощи провода 220. Провод 220 позволяет микроконтроллеру 200 принимать измерения температуры, производимые температурным датчиком 190. Провод 210 позволяет схеме 200 контроля управлять выключателем 180.

Что касается проводов, то подразумевается, что в данном случае речь идет о средстве передачи аналогового или цифрового силового электрического сигнала. Эти провода могут быть собственно проводами, или дорожками на печатной схеме, или и тем и другим одновременно.

На фиг. 2 представлен пример применения первой батареи типа батареи 110. Таким образом, на фиг. 2 показана батарея 310, вокруг которой намотан резистивный провод 340.

Между проводом 340 и батареей 310 на фиг. 2 показана камера 370, верхняя часть 380 которой, входящая в контакт с проводом 340, является теплоизолирующей. В камере 379 находится температурный датчик 390, эквивалентный температурному датчику 190. Датчик 390 соединен со схемой контроля при помощи провода 400. При этом камера 370 может содержать отверстие для прохождения провода 400, или же провод 400 может проходить между камерой 370 и батареей 310.

На фиг. 3 в разрезе сбоку на уровне датчика 390 представлено устройство, показанное на фиг. 2. Фиг. 3 позволяет иллюстрировать случаи, когда:

- камера 370 находится между проводом 340 и батареей 310,

- камера 370 является:

- либо открытой со стороны батареи для обеспечения контакта с датчиком,

- либо содержать со стороны батареи теплопроводящую стенку.

Вариант, представленный на фиг. 2, позволяет термически изолировать температурный датчик от схемы нагрева для обеспечения измерения температуры, более близкой к реальной температуре батареи.

Другой вариант изобретения осуществляют без камеры 370.

На фиг. 4 показана первая батарея 410, охваченная двумя серпантинными решетками 420 и 430 из резистивного провода. Решетки 420 и 430 расположены с двух сторон от батареи 410 и не пересекаются между собой. Решетки 420 и 430 получают одно и то же питание. При этом решетки 420 и 430 можно раздвинуть, чтобы установить и/или заменить батарею 410.

В варианте, показанном на фиг. 4, не показанный температурный датчик крепят либо на батарее 410, либо на одной из двух решеток 420 или 430.

На фиг. 5 показан корпус 510 из двух частей 520 и 530, выполненный с возможностью закрывания и размещения первой батареи 540. После закрывания корпуса остаются доступными:

- два силовых провода, через которые батарея выдает содержащуюся в ней энергию,

- два провода питания устройства 550 нагрева, и

- провод соединения температурного датчика 560.

Внутренние стенки части 520 и части 530 покрыты резистивной пленкой 570 в случае части 520 и резистивной пленкой 580 в случае части 530. Эти резистивные пленки получают питание через два провода питания.

Датчик 560 закреплен:

- либо на одной из двух частей 520 или 530,

- либо внутри камеры 590, которая, в свою очередь, закреплена на одной из частей 520 или 530.

Закрепление датчика 560 или камеры 590 является факультативным. Достаточно, чтобы датчик 560 или камера 590 находились внутри корпуса 510 после его закрывания.

Камера 560 эквивалента камере 370. Согласно варианту изобретения, камера 560 может иметь или может не иметь изолирующей стенки для изоляции температурного датчика 560 от устройства 550 нагрева.

В не показанном варианте изобретения с учетом конструкции первой батареи температурный датчик находится внутри указанной первой батареи. Это становится возможным, если указанная батарея состоит из емкостных элементов. Элемент называют емкостным, если он может накапливать электрическую энергию.

В варианте выполнения изобретения вместо батареи 170 провод 130 соединен с выключателем 180. Провод 130 соединен с клеммой выключателя 180, с которой не соединен провод 150 схемы 140 нагрева. В этом варианте провод 120 соединен с проводом 160. В такой конфигурации первая батарея 110 может питать схему 140 нагрева за счет использования энергии первой батареи 110. Этим питанием управляет схема 200 контроля через выключатель 180.

На фиг. 8 показано устройство 801 выбора, содержащее условно называемые первый вход 802, второй вход 803 и выход 804. Вход 802 соединен с положительным полюсом второй батареи 170. Вход 803 соединен с положительным полюсом первой батареи 110, то есть с проводом 130. Таким образом, устройство 801 выбора позволяет соединять клемму 804 либо с положительным полюсом первой батареи 110, либо с положительным полюсом второй батареи 170. Выход 804 соединен с клеммой выключателя 180, при этом другая клемма выключателя 180 соединена с проводом 150.

На фиг. 8 показано также устройство 811 выбора, содержащее первый вход 812, второй вход 813 и выход 814. Вход 812 соединен с положительным полюсом второй батареи 170. Вход 813 соединен с положительным полюсом первой батареи 110, то есть с проводом 130. Таким образом, устройство 811 выбора позволяет соединять клемму 814 либо с отрицательным полюсом первой батареи 110, либо с отрицательным полюсом второй батареи 170. Выход 814 соединен с проводом 160.

Выбор, осуществляемый устройством 801 и устройством 811, происходит когерентно. Это значит, что связь между входной клеммой 802 и выходной клеммой 804 выбирают в то же время, что и связь между входной клеммой 812 и выходной клеммой 814. В состоянии покоя, то есть в отсутствие питания, активными связями являются связь между входной клеммой 803 и выходной клеммой 804 и связь между входной клеммой 813 и выходной клеммой 814. Этого достигают, например, при помощи упругих средств 805 для устройства 801 и упругих средств 815 для устройства 811. При подаче питания от второй батареи 170 соединение между входной клеммой 802 и выходной клеммой 804 и соединение между входной клеммой 812 и выходной клеммой 814 активируются электромагнитными полями, действия которых преодолевают действие упругого средства 805 и действие упругого средства 815. Если связь со второй батареей 170 прекращается, упругое средство 805 и упругое средство 815 восстанавливают соединение между входной клеммой 802 и выходной клеммой 804 и соединение между входной клеммой 812 и выходной клеммой 814. Таким образом, для питания устройства 110 нагрева происходит автоматическое переключение между первой и второй батареями.

Упругие средства 805 и 815 являются, например, но не ограничительно, пружинами, пластинами с запоминанием формы и т.д. В качестве устройства выбора можно также использовать чисто электрическое устройство.

Такое устройство является, например, переключателем, управляемым компаратором, таким как устройство 900. На фиг. 9 показан компаратор 901, один вход которого соединен с положительной клеммой первой батареи, а другой - с положительной клеммой второй батареи. На фиг. 9 показан также переключатель 902, один вход которого соединен с положительной клеммой первой батареи, а другой - с положительной клеммой второй батареи. Выход переключателя 901 соединен с клеммой выключателя 180. Выход компаратора 901 управляет переключателем 902. Устройство 900 можно использовать вместо устройства 801.

Для описания вариантов способа применения изобретения предполагается, что действия выполняются микросхемой, микропроцессором, микроконтроллером или эквивалентной схемой. Эти действия являются результатом интерпретации указанной схемой командных кодов, записанных в не показанном программируемом запоминающем устройстве указанной схемы.

На фиг. 6 показан этап 601, на котором схема 200 контроля определяет температуру батареи 110. В зависимости от типа температурного датчика 190 это определение представляет собой считывание аналогового или цифрового сигнала, выдаваемого температурным датчиком 190. Если речь идет об аналоговом сигнале, его преобразуют в цифровой сигнал. Далее это измерение будет обозначено как измерение М.

После считывания измерения M схема 200 контроля переходит на этап 602, на котором она сравнивает измерение M с порогом S. Порог S записан в запоминающем устройстве схемы 200 контроля или в не показанном запоминающем устройстве, соединенном с шиной схемы 200 контроля.

Порог S является параметром способа. Его фиксируют при изготовлении на заводе либо программируют при помощи предусмотренного для этого интерфейса.

Если измерение M меньше порога S, схема 200 контроля переходит на этап 603 включения или поддержания во включенном состоянии схемы 140 нагрева. Для этого схема 200 контроля передает сигнал переключения на устройство 180 выключателя для подачи питания на схему 140 нагрева.

Если M превышает S, схема 200 переходит на этап 604 выключения или поддержания в выключенном состоянии схемы 140 нагрева.

От этапа 603 и от этапа 604 схема 200 контроля переходит на этап 601. На этом этапе 601 схема 200 контроля выжидает заданный период времени Т, после чего считывает и учитывает новое измерение температуры, как было описано выше.

Период Τ является параметром способа. Его фиксируют при изготовлении либо программируют при помощи предусмотренного для этого интерфейса.

В варианте на этапе 701 схема 200 контроля определяет время, истекшее с момента последнего включения. Если это время превышает время ТА, схема 200 контроля переходит на этап 702 выключения или поддержания в выключенном состоянии схемы 140 нагрева. Таким образом, устройство нагрева выключают на второй заданной частоте. Эта частота является величиной, обратной периоду времени ТА. Речь идет о максимальной частоте, так как для остановки работы необходимо, чтобы устройство нагрева было выключенным. Поскольку устройство нагрева включают только в случае низкой температуры, частота, соответствующая времени ТА, достигается только при низкой температуре. Для упрощения терминологии максимальную достигаемую частоту ассимилируют с рабочей частотой.

Известно, что все схемы контроля связаны с тактовым генератором. Измерение интервала времени осуществляют при помощи счетчика, инкрементация которого происходит на одну единицу при каждом импульсе тактового генератора. Когда счетчик достигает определенного числа, это соответствует определенному времени. Следовательно, существует соответствие между значением СА, которое должен достигнуть счетчик, и временем ТА. Таким образом, в этом варианте схема 200 контроля содержит счетчик С, соответствующий зоне памяти, доступной для считывания и для записи. При каждом импульсе тактового генератора происходит инкрементация этого счетчика на одну единицу. На практике речь может идти о числе, кратном частоте тактового генератора. Этот результат классически достигается через выключения, управляемые на уровне схемы контроля.

От этапа 702 схема 200 контроля переходит на этап 703, эквивалентный этапу 601, на котором она считывает температуру батареи 110.

Если измерение М, то есть температура, определенная на этапе 703, ниже порога S, схема 200 контроля переходит на этап 704, эквивалентный этапу 603. Кроме того, на этапе 704 схема 200 контроля переводит счетчик С на ноль.

Если измерение превышает порог S, схема 200 контроля переходит на этап 701.

От этапа 704 схема 200 контроля переходит на этап 701.

В варианте изобретения можно рассмотреть фиг. 1 без датчика 190. В этом варианте схема 200 контроля управляет выключателем 180 в соответствии с циклом запуска. Когда на схему 200 контроля поступает питание, она замыкает выключатель 180. Таким образом, устройство 140 нагрева получает питание, что позволяет нагревать первую батарею 110. Схема 200 контроля поддерживает выключатель 180 замкнутым в течение определенного времени. Это время составляет, например, 60 секунд, 90 секунд или 120 секунд. Оно может быть более коротким или более длинным. В варианте это время записано в не показанном запоминающем устройстве схемы 200 контроля.

Примером применения является, например, случай транспортного средства с установленным на нем устройством обеспечения надежности, которое необходимо активировать максимально быстро. В этом случае устройство обеспечения надежности получает питание от батареи, оснащенной устройством в соответствии с изобретением. При запуске транспортного средства нагрев включается в течение времени, которое гарантирует, что батарея, питающая устройство обеспечения надежности, находится при температуре, достаточной для обеспечения работы устройства обеспечения надежности. После определенного времени нагрев выключается.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству и способу поддержания рабочей температуры батареи, и может найти применение в области бортовых устройств, установленных на транспортных средствах, в частности, для работы этих устройств в интервале температур от -40 °С до +85 °С. Устройство поддержания рабочей температуры первой батареи характеризуется тем, что содержит: схему (140) нагрева, выполненную с возможностью нагрева первой (110) батареи, схему (200) контроля, соединенную со схемой нагрева, при этом схема контроля выполнена с возможностью управления работой схемы нагрева в зависимости от определенного программирования, которое в случае отключения второй батареи (170), за счет работы первой батареи, получающей тепло, обеспечивает повышение надежности и безопасность работы транспортного средства, что является техническим результатом изобретения. 3 н. и 9 з.п. ф-лы.

1. Устройство поддержания рабочей температуры первой батареи (110), предназначенной для подачи электропитания на устройство обеспечения надежности/безопасности, которое встроено в транспортное средство, содержащее вторую батарею (170), используемую в качестве основного источника электропитания, характеризующееся тем, что содержит:

схему (140) нагрева, выполненную с возможностью нагрева первой батареи,

схему (200) контроля, соединенную со схемой нагрева, при этом схема контроля выполнена с возможностью управления работой схемы нагрева в зависимости от определенного программирования,

первая батарея (110) обеспечивает возможность указанному устройству обеспечения надежности/безопасности работать при отключенной второй батарее.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что содержит:

температурный датчик (190), выполненный с возможностью измерения температуры первой батареи, при этом указанный датчик соединен со схемой контроля, причем указанное определенное программирование зависит от измерения температуры первой батареи.

3. Устройство по п. 1 или 2, характеризующееся тем, что указанное устройство нагрева получает питание от первой батареи (110).

4. Устройство по п. 1 или 2, характеризующееся тем, что устройство нагрева получает питание от второй батареи (170).

5. Устройство по п. 3, характеризующееся тем, что содержит схему переключения для выбора питания схемы нагрева среди:

- первой батареи,

- второй батареи.

6. Устройство по любому из пп. 1, 2, 5, характеризующееся тем, что схема нагрева представляет собой намотку (140) резисторного провода вокруг первой батареи.

7. Устройство по любому из пп. 1, 2, 5, характеризующееся тем, что схема нагрева состоит из двух серпантинных решеток (420, 430), расположенных с двух сторон от места, предназначенного для размещения первой батареи.

8. Устройство по п. 2 или 5, характеризующееся тем, что температурный датчик термически изолирован (370, 380) от схемы нагрева.

9. Способ поддержания рабочей температуры первой батареи с помощью устройства по любому из пп. 1-8, характеризующийся тем, что содержит этапы, на которых:

- при запуске схемы контроля включают схему нагрева в течение определенного времени.

10. Способ поддержания рабочей температуры первой батареи с помощью устройства по любому из пп. 1-8, характеризующийся тем, что содержит этапы, на которых:

- считывают (601) температуру первой батареи с первой заданной частотой,

- сравнивают (602) считанную температуру с заданным порогом:

- если считанная температура ниже порога, включают схему (603) нагрева.

11. Способ по п. 10, характеризующийся тем, что содержит этап, на котором:

- схему нагрева выключают (604), если при сравнении считанная температура превышает порог.

12. Способ по п. 10, характеризующийся тем, что содержит этап, на котором:

- устройство нагрева выключают со второй заданной частотой.