Тяговая аккумуляторная батарея на основе литий-титанат оксидных ячеек для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств Российский патент 2023 года по МПК B60L50/60 B60L58/18 B60L58/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, а именно к тяговой аккумуляторной батарее на основе литий-титанат оксидных ячеек для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств, предназначенной для запасания и хранения электрической энергии, посредством которой осуществляется движение транспортного средства, а также поддержание работы слаботочных бортовых потребителей.

Уровень техники

Из уровня техники известно большое количество различных видов тяговых аккумуляторных батарей с разной химией процессов запасания электрической энергии. Решение создания тяговой аккумуляторной батареи на основе литий-титанат оксидных ячеек имеет ряд преимуществ перед аналогами.

Известна модульная батарея (DE 102011113798 A1, Н01М 10/48, опубл. 03.05.2012), состоящая из последовательно или параллельно подключенных ячеек, объединенных в модули, каждый из которых имеет подключение к коммутационному модулю, локальному модулю управления и внутренним датчикам. Коммутационный модуль представлен в виде параллельной цепи питания с реле и служит для включения или выключения соответствующего аккумуляторного модуля, информация с датчиков (напряжение и температура для каждого модуля батареи) и с локального модуля управления передается и отправляется в центральный модуль управления, соединенный с модулем управления безопасностью, который анализирует информацию, собранную с внутренних и внешних датчиков батареи, и, в случае возникновения сигналов ошибок или аварии, выдает сигнал отключения, в результате все коммутационные модули прекращают токовый поток.

К недостаткам данного решения относится размещение датчиков, которые расположены только на модулях, а не на каждой ячейке, что приведет к необходимости замены/ремонта/изучения всего модуля для поиска локальной ошибки/неисправности, а также нагромождение датчиков: датчики, коммутационный модуль и локальный модуль управления находятся рядом с каждым модулем, что приводит к уменьшению пространства, в которое можно поместить больше ячеек, при этом избыточное количество модулей тоже негативно сказывается на эргономичности, что, в свою очередь, сказывается на энергоемкости.

Известно тяговое аккумуляторное устройство (US 2022278353 A1, Н01М 10/04, опубл. 01.09.2022), которое состоит из последовательно соединенных аккумуляторных ячеек, зажатых торцевыми пластинами по концам и анкерной плитой сверху. Анкерная плита может содержать корпус платы, служащий для оснащения отдельными электронными элементами и анкерным болтом, выполненными в виде единого цельного элемента. Благодаря электронным элементам анкерная плата может использоваться для контакта с отдельными аккумуляторными элементами. Кроме того, корпус платы может быть выполнен из материала с низким тепловым расширением и иметь как тепло-, так и электроизоляционное и, кроме того, огнезащитное действие, что выгодно способствует безопасности эксплуатации аккумуляторного устройства.

Недостатками данного технического решения является невозможность оперативно производить замену ячеек при необходимости, а также отсутствие модулей управления/контроля для сбора и анализа данных.

Известна аккумуляторная система (RU 2648979 С2, Н01М 10/42, опубл. 29.03.2018), принятая за прототип, содержащая несколько электрически соединенных друг с другом аккумуляторных элементов, каждый из которых содержит несколько электрохимических индивидуальных ячеек, при этом каждый элемент из указанных аккумуляторных элементов термически изолирован от других аккумуляторных элементов. Каждая из указанных электрохимических индивидуальных ячеек содержит контрольное устройство, которое выполнено с возможностью электрического отсоединения аккумуляторного элемента от других аккумуляторных элементов, если, по меньшей мере, одно измеренное значение, контролируемое указанным контрольным устройством, лежит вне заданного диапазона значений. Повышение безопасности работы аккумуляторной системы за счет термической изоляции каждого элемента от других аккумуляторных элементов и выполнения контрольного устройства с возможностью контроля параметров и отсоединения неисправных элементов является техническим результатом изобретения. После отключения неисправных элементов сохраняется возможность дальнейшего использования аккумуляторной системы с несколько сниженной мощностью.

Недостатками данного технического решения является недостаточная энергоемкость вследствие последовательного расположения единичных ячеек внутри элемента. Кроме того, в данной системе не раскрыт состав датчиков и их взаимное расположение.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание тяговой аккумуляторной батареи на основе литий-титанат оксидных ячеек для использования на беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средствах.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение емкости батареи, срока службы, а также повышение безопасности тяговой аккумуляторной батареи.

Решение указанной задачи достигается за счет того, что тяговая аккумуляторная батарея на основе литий-титанат оксидных ячеек для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств содержит корпус, внутри которого установлены электрически соединенные между собой модули, каждый из которых содержит последовательно соединенные между собой аккумуляторные ячейки, электрически изолированные друг от друга, причем в качестве аккумуляторных ячеек используются ячейки на основе литий-титанат оксида, работающие в диапазоне температур от -30 до +50°С, кроме того, в корпусе находится система контроля, содержащая, по меньшей мере, по два датчика температуры, установленных на каждом модуле, измерители напряжения каждой ячейки в модуле, контроллер общего тока и модули контроля и управления состоянием последовательно и параллельно соединенных аккумуляторных модулей и аккумулятора в целом.

Применяемые в данной батарее технические решения позволяют осуществлять контроль основных параметров состояния каждой ячейки отдельно и всех модулей в целом, при этом схема подключений выполнена таким образом, что не возникает необходимости в дополнительных буферных аккумуляторных системах и системах нагревания. Последовательное подключение ячеек в модулях позволяет достичь повышения номинального напряжения, а сочетание последовательного параллельного подключения модулей обеспечивает увеличение тока и энергоемкости аккумуляторной батареи.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 изображена схема строения тяговой аккумуляторной батареи, где:

1 - корпус тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ)

2 - аккумуляторный модуль ТАБ

3 - ячейка на основе литий-титанат оксида

4 - преобразователь для питания плат

5 - модули контроля и управления

6 - платы контроля ячеек

7 - разъем предохранителя

8 - модуль подключения высокого напряжения.

На Фиг. 2 изображена модель тяговой аккумуляторной батареи, где:

3 - ячейка на основе литий-титанат оксида

4 - преобразователь для питания плат

5 - модули контроля и управления

6 - платы контроля ячеек

7 - разъем предохранителя

9 - полимерный корпус 1 яруса

10 - полимерный корпус 2 яруса.

Корпус ТАБ (1) состоит из аккумуляторных модулей (2), в свою очередь, образованных последовательно соединенными ячейками на основе литий-титанат оксида (3), каждая из которых имеет соединение посредством электрического контакта с платой контроля (6), входящей в состав модулей контроля и управления (5) системой батареи. При этом не более трех модулей (каждый модуль состоит из 12 последовательно соединенных ячеек) объединяется в блок и помещается в полимерный корпус из теплопроводящего материала, служащего для отвода тепла от модулей. В заявленном изобретении используется, по меньшей мере, два полимерных корпуса, расположенных в два яруса (9, 10). Питание плат контроля ячеек (6) осуществляется при помощи преобразователя (4), получающего энергию из аккумуляторных модулей ТАБ (2). Преобразователь для питания плат (4) имеет подключение к разъему предохранителя (7), что позволяет прекратить все процессы в ТАБ при его извлечении. Для подключения высокого напряжения внутри ТАБ используется специальное соединение высокого напряжения (8). Контроль степени заряженности осуществляется за счет модулей управления и контроля (5), собирающих и анализирующих информацию с каждого аккумуляторного модуля ТАБ (2). Для фиксирования температуры используется не менее двух температурных датчиков, установленных в каждом аккумуляторном модуле ТАБ (2) и обеспечивающих более точный контроль, тогда как в прототипе используется один температурный датчик, позволяющий установить температуру только в одной точке, а получение информации о величине напряжения на каждой ячейке (3) проводится с помощью платы контроля (6), все данные о величинах параметров (напряжение, температура, степень заряженности) с помощью Web-интерфейса выводятся на подключенный компьютер.

Осуществление изобретения Контроль состояния ячеек осуществляется с применением систем мониторинга и управления тяговой аккумуляторной батареей, установленным в составе ТАБ, а также поскольку применяется схема соединения 168S2P (168 ячеек объединены последовательно, а два яруса - параллельно), то дополнительно реализована система управления параллельными массивами аккумуляторами, с обеспечением логических схем управления, обеспечивающим безопасность эксплуатации и обслуживания аккумуляторов с напряжением более 400 В. Для достижения необходимого для работы высокоавтоматизированного транспортного средства (ВАТС) напряжения и энергоемкости была разработана конструкция следующего типа: 12 ячеек номинальным напряжением 2.3 В и емкостью 20 Ач соединены последовательно и составляют один модуль, кроме того, по меньшей мере, три модуля объединены в блок (это сделано в целях упрощения ремонтопригодности, заменимости модулей) (см. фиг. 1). Далее не менее четырех данных блоков также соединены последовательно и образуют один ярус батареи с характеристиками 331.2 В и емкость 20 Ач. В целях повышения энергоемкости (увеличения времени работ ВАТС) создано два подобных яруса батареи и соединены параллельно (см. фиг. 2). Таким образом, финальная сборка батареи имеет характеристики: номинальное напряжение 331.2 В и емкость 40 Ач. (что позволяет эксплуатировать ВАТС в течение 6 ч при температурах от -30 до +50°С). Такая конструкция позволяет осуществлять заряд каждого из ярусов батареи одновременно посредством внешнего постоянного источника тока. Преимуществом данной сборки является самобалансировка каждой ячейки (процесс происходит вследствие выравнивания потенциала на каждой ячейке). Мониторинг системы осуществляется посредством Web-интерфейса для каждого из ярусов. Это позволяет контролировать напряжение, температуру, ток, заряд, наличие ошибок, емкость для каждой ячейки, а также общий заряд, количество циклов, состояние заряда и ток для каждого из ярусов. В конструкции ТАБ предусмотрены предохранители 100 А для защиты от скачков тока между ярусами. Также между ярусами расположены два контактора, управляемые платами управления разных ярусов. Каждый из ярусов имеет свою плату управления.

Химическая основа ячеек (литий-титанат оксидный анод), которые входят в состав тяговой аккумуляторной батареи, позволяет производить процесс разрядки током до 6С и зарядки током 3С, где С это значение емкости всей системы. Кроме того, система на основе литий-титанат оксида имеет стабильные характеристики при работе в широком диапазоне температур от -30 до +50°С, что позволяет избежать внедрения в тяговую аккумуляторную батарею системы подогрева и/или системы охлаждения, что необходимо при работе с системами другого типа, если температура окружающей среды не совпадает со стандартным диапазоном около 0 до +50°С для других коммерческих литий-ионных батарей.

Таким образом, заявляемая тяговая аккумуляторная батарея на основе литий-титанат оксидных ячеек позволяет увеличить емкость батареи за счет последовательного и параллельного расположения аккумуляторных ячеек и модулей, увеличить срок службы за счет химической основы ячеек, а также повысить безопасность тяговой аккумуляторной батареи, что обеспечивается наличием системы контроля каждого модуля и химической основой ячеек, из которых состоит тяговая аккумуляторная батарея, что, в свою очередь, приводит к появлению возможности зарядки и разрядки батареи в широком диапазоне температур от -30 до +50°С без необходимости использования систем подогрева.

Заявляемая тяговая аккумуляторная батарея на основе литий-титанат оксидных ячеек используется в качестве источника энергии для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на любых наземных беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средствах.

Изобретение относится к тяговой аккумуляторной батарее на основе литий-титанат оксидных ячеек для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств. Батарея содержит корпус. Внутри корпуса установлены электрически соединенные между собой модули и систему контроля. Каждый модуль содержит последовательно соединенные между собой аккумуляторные ячейки, электрически изолированные друг от друга. В качестве аккумуляторных ячеек используются ячейки на основе литий-титанат оксида, работающие в диапазоне температур от -30 до +50°С. Система контроля содержит: датчики температуры, измерители напряжения каждой ячейки в модуле, контроллер общего тока, а также модули контроля и управления состоянием последовательно и параллельно соединенных аккумуляторных модулей и аккумулятора в целом. На каждом модуле установлены, по меньшей мере, два датчика температуры. Достигается повышение безопасности тяговой аккумуляторной батареи. 2 ил.

Тяговая аккумуляторная батарея на основе литий-титанат оксидных ячеек для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств, содержащая корпус, внутри которого установлены электрически соединенные между собой модули, каждый из которых содержит последовательно соединенные между собой аккумуляторные ячейки, электрически изолированные друг от друга, отличающаяся тем, что в качестве аккумуляторных ячеек используются ячейки на основе литий-титанат оксида, работающие в диапазоне температур от -30 до +50°С, кроме того, в корпусе находится система контроля, содержащая, по меньшей мере, по два датчика температуры, установленных на каждом модуле, измерители напряжения каждой ячейки в модуле, контроллер общего тока и модули контроля и управления состоянием последовательно и параллельно соединенных аккумуляторных модулей и аккумулятора в целом.