СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ СРОКА СЛУЖБЫ АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2023 года по МПК H01M10/44 H02J7/00 

Настоящее изобретение относится к способу оптимизации срока службы аккумулятора, а также к устройству и к транспортному средству, содержащему средства для осуществления такого способа.

Вот уже на протяжении целого века автотранспортные средства оснащают свинцовым аккумулятором, в частности, для запуска двигателя внутреннего сгорания. Технологические достижения и регламентные требования все больше вынуждают заменять эти свинцовые аккумуляторы на альтернативные системы. Однако такая замена не является простой, так как свинцовые аккумуляторы имеют специфические технические характеристики и ограниченную стоимость. Среди всех прочих следует упомянуть два фундаментальных качества, таких как мощность в холодном состоянии и запас энергии, который компенсирует токи в спящем режиме (или “courant off” в англосаксонской терминологии), когда транспортное средство находится на стоянке в течение длительного времени. Разумеется, такая способность запуска в холодном состоянии должна быть гарантирована после продолжительной стоянки, то есть после частичной разрядки аккумулятора. Классически, свинцовый аккумулятор может нормально запускать двигатель при -20°С или -30°С после стоянки в течение 1 или 2 месяцев. Ее состояние заряда (или SOC, что является сокращением от англосаксонского выражения “State Of Charge”) все еще превышает 60%, и 20-30% ее емкости разрядились токами “courant off”.

Кроме того, свинцовый аккумулятор хорошо выдерживает сложные условия под капотом двигателя, где температура может достигать 80°С и где аккумулятор может оставаться несколько часов в сутки при температуре более 60°С. Эта «горячая» окружающая среда оказывает существенное влияние на ее старение. Однако ее невысокая стоимость позволяет регулярно ее менять (в среднем каждые 5 лет в Европе), как любые расходные детали транспортного средства. Кроме того, степень переработки свинцового аккумулятора является очень высокой (>95%), и его можно перерабатывать в новые аккумуляторы.

Важно понимать, что такая способность температурной стойкости позволяет размещать ее вблизи двигателя и, следовательно, вблизи генератора и стартера. За счет этого используются короткие провода, и резистивные потери являются низкими.

Замена свинцового аккумулятора на литиевый аккумулятор тоже предполагает его размещение вблизи двигателя и, следовательно, в горячей зоне. Однако здесь отмечаются три основных недостатка.

Прежде всего стоимость литиевого аккумулятора (или технологии LIB в настоящей заявке) нельзя сравнивать со стоимостью свинцового аккумулятора (или технологии LAB в настоящей заявке), между этими технологиями существует различие стоимости по меньшей мере в 5 раз. Следовательно, не может быть и речи о частой замене, поскольку это было бы обременительно для клиентов, и необходимо, чтобы ее срок службы составлял не менее 10 лет и в идеале 15 лет, то есть равнялся сроку службы автомобиля в настоящее время. Необходимо также учитывать трудность и повышенную стоимость переработки аккумулятора LIB, в отличие от свинцового. Кроме того, с точки зрения охраны окружающей среды эти аккумуляторы должны работать достаточно долго.

Кроме того, деградация аккумулятора LIB как по его емкости, так и по мощности (внутреннее сопротивление) ускоряется экспоненциально при повышении ее температуры. Этот износ со всей очевидностью во многом зависит от используемой технологии анода: оксиды титаната лития (или технология LTO в настоящей заявке) являются намного более стойкими, чем, например, графит (или технология GRA в настоящей заявке). Вместе с тем, независимо от используемой технологии, срок службы аккумулятора напрямую связан с его температурой.

Температуру аккумулятора невозможно контролировать, так как она зависит от двух преобладающих факторов, таких как климат страны и поведение клиента. Даже если с учетом конструкции сделано все, чтобы термически предохранить аккумулятор от тепла двигателя, уже само его расположение в моторном отсеке делает температуру аккумулятора зависимой от температуры двигателя. Однако температура двигателя напрямую связана с поведением клиента, так как при каждом использовании двигатель будет нагреваться до 95°С, затем оставаться при этом значении во время движения, затем будет охлаждаться после выключения. Во время каждой фазы этого цикла двигатель будет нагревать аккумулятор, особенно во время часов охлаждения. Можно легко понять, что в зависимости от использования клиентом между городской средой и автострадой или в зависимости от числа выездов за день температура аккумулятора будет намного различаться.

Следовательно, существует большая потребность в поиске решений, позволяющих максимально увеличить срок службы аккумуляторов LIB с учетом температуры, и это является задачей, поставленной перед изобретением.

Чтобы оптимизировать срок службы аккумулятора транспортного средства, в документе US8937452 описан способ управления состоянием заряда, в рамках которого производят контроль заряда аккумулятора, оставаясь при этом в диапазоне SOC, определенном в зависимости от прогнозируемой температуры аккумулятора. Однако этот способ имеет ограниченную эффективность.

Способ, аккумулятор и транспортное средство в соответствии с изобретением, описанным в этой заявке, позволяют устранить вышеупомянутые недостатки, в частности, дают простое и эффективное решение, чтобы адаптировать управление аккумулятором к его температуре и скорректировать, насколько это возможно, разбросы, связанные с климатом и поведением водителя. Изобретение отталкивается от знания типового поведения технологии LIB по отношению к комбинации «состояние заряда - температура» и к тому, каким образом управляют генератором переменного тока. Его можно применять равнозначно для систем с одним или с двумя параллельными аккумуляторами.

Для этого заявленный способ управления зарядом аккумулятора содержит этап определения целевого состояния заряда в зависимости от температуры аккумулятора, при этом указанное состояние заряда стремится, в соответствии с контрольным профилем деградации, к уменьшению, когда температура повышается, чтобы контролировать деградацию аккумулятора, а также этап зарядки аккумулятора вплоть до достижения целевого состояния заряда. Предпочтительно, поскольку контрольный профиль деградации описывает относительное увеличение внутреннего сопротивления аккумулятора в зависимости от времени, прошедшего с начала срока службы аккумулятора при контрольном состоянии заряда и при контрольной температуре, целевое состояние заряда определяют эффективно итеративно таким образом, чтобы по завершении этапа оценки относительного увеличения внутреннего сопротивления оценочное относительное увеличение стремилось оставаться ниже относительного увеличения, выведенного из контрольного профиля деградации.

Согласно частным вариантам выполнения, описанным со ссылками на описанные ниже фигуры:

- контрольное состояние заряда может превышать 80%, в частности, равно 100%, и/или контрольная температура может составлять от 10°С до 30°С, в частности, равна 20°С;

- если при данной итерации t_i, где i является положительным целым числом, оценочное относительное увеличение внутреннего сопротивления превышает относительное увеличение, выведенное из контрольного профиля, то целевое состояние заряда можно определить таким образом, чтобы при следующей итерации t_i+1 оценочное относительное увеличение стремилось к относительному увеличению, выведенному из контрольного профиля;

- две итерации могут быть всегда разделены заранее определенным одинаковым интервалом времени, и указанный интервал времени может всегда соответствовать в контрольном профиле одинаковому относительному увеличению внутреннего сопротивления,

- этот одинаковый интервал времени может составлять от 30 минут до 2 часов, в частности, равен 1 часу, и/или это одинаковое относительное увеличение внутреннего сопротивления может быть меньше 5%, в частности, равно 2%,

- если температура аккумулятора, измеренная между двумя итерациями t_i и t_i+1, превышает контрольную температуру, то целевое состояние заряда можно определить при итерации t_i+1 таким образом, чтобы оно было меньше контрольного состояния заряда, и деградацию внутреннего сопротивления, связанную с интервалом времени, прошедшим между итерациями t_i+1 и t_i+2 при этом меньшем состоянии заряда, можно на последующих этапах оценки относительной деградации считать меньшей, чем контрольная деградация.

Изобретение представлено на следующих прилагаемых чертежах:

Фиг. 1 схематично иллюстрирует классический вариант с одного аккумулятора LIB и соответствующую электрическую архитектуру.

Фиг. 2 схематично иллюстрирует вариант с двумя параллельными аккумуляторами LIB и соответствующую электрическую архитектуру.

Фиг. 3 графически иллюстрирует пример профиля деградации аккумулятора LIB в зависимости от температуры и от SOC.

Фиг. 4 иллюстрирует в виде таблицы пример деградации аккумулятора LIB в зависимости от температуры и от SOC.

Фиг. 5 иллюстрирует в виде таблицы пример ожидаемого срока службы с увеличением внутреннего сопротивления на 30%.

Фиг. 6 графически иллюстрирует «идеальный» профиль деградации при 20°С и при 100% SOC.

Фиг. 7 иллюстрирует в виде таблицы примеры коэффициентов деградации.

Фиг. 8 графически иллюстрирует принцип работы изобретения при движении.

Фиг. 9 графически иллюстрирует принцип работы изобретения при остановке и на стоянке.

Фиг. 10 графически иллюстрирует принцип коррекции состояния заряда в соответствии с изобретением.

Фиг. 11 графически иллюстрирует пример изменения совокупного SOC%, скорректированного в соответствии с изобретением.

Фиг. 12 графически иллюстрирует пример распределения изношенных аккумуляторов в зависимости от времени.

Существуют два больших семейства систем литиевых аккумуляторов: с одним или с двумя аккумуляторами. В обоих случаях речь идет о размещении источника мощности как можно ближе к двигателю, чтобы максимально ограничить резистивные потери в проводах, так как они выражаются либо в больших диметрах провода и, следовательно, меди, в массе и стоимости, либо увеличением параметров по мощности аккумулятора LIB и, следовательно, стоимости.

На фиг. 1 представлен классический пример известного решения с одним аккумулятором LIB. Он находится близко к двигателю с соответствующими средствами теплозащиты. Таким образом, он обеспечивает мощность запуска и энергию, необходимую для всех фаз использования, в том числе микротоков во время фаз стоянки.

На фиг. 2 представлен известный вариант, в котором два аккумулятора LIB установлены параллельно, и каждый из них обеспечивает свою часть функций: небольшой аккумулятор по технологии LTO, установленная вблизи двигателя, обеспечивает мощность запуска и любой другой обмен при сильном токе, тогда как другой аккумулятор LIB с графитовым анодом (GRA), расположенный в холодной окружающей среде сзади, обеспечивает все потребности в энергии, в том числе питание токов “courant off” во время стоянки.

В обеих конфигурациях, представленных на фиг. 1 и на фиг. 2, вычислительное устройство, которое мы будет называть «Система Управления Энергией» (или “SGE”), получает данные состояния заряда (SOC в процентах), напряжения в вольтах (В), температуры Т в градусах Цельсия (°С) и тока I системы или систем BMS (“Battery Management System” в классической англо-саксонской терминологии), которые управляют аккумулятором или аккумуляторами LIB. Это вычислительное устройство, принадлежащее к транспортному средству, может также управлять напряжением (Valt) генератора переменного тока или преобразователя DC/DC для некоторых гибридных или электрических транспортных средств.

Изобретение можно применять равнозначно для обеих конфигураций, показанных на фиг. 1 и на фиг. 2, а также для всех технологий литиевых аккумуляторов, так как все они показывают одинаковое поведение в отношении состояния заряда и температуры.

Изобретение использует характеристику, представленную в виде графика на фиг. 3, где кривые представляют собой пример типового поведения аккумуляторов LIB, а именно экспоненциальную деградацию их эффективности по емкости и по внутреннему сопротивлению (в данном случае представлено внутреннее сопротивление) по отношению к температуре и к состоянию заряда. Для каждого типа, размера или химии литиевого аккумулятора можно определить кривые посредством стендовых испытаний. Эти кривые отображают неотъемлемую характеристику каждого из аккумуляторов.

Если не считать попытки защитить аккумулятор от термического влияния двигателя, невозможно контролировать температуру аккумулятора, которая является результирующей совокупного влияния его расположения в транспортном средстве, климата и его собственного нагрева, связанного с использованием транспортного средства клиентом. С другой стороны, можно воздействовать на его состояние заряда. Чтобы лучше пояснить предложенную концепцию, в качестве примера рассмотрим аккумулятор LIB, для которого на фиг. 4 представлена таблица, являющаяся воспроизведением цифровых данных графика, показанного на фиг. 3. В этом примере максимальная деградация внутреннего сопротивления, выдерживаемая транспортным средством, представляет собой увеличение на 30% при требуемом сроке службы в 15 лет.

В таблице на фиг. 5 показано влияние на срок службы, если комбинировать коэффициенты старения, показанные на фиг. 4, и максимальную выдерживаемую деградацию 30% внутреннего сопротивления. Все значения сверх 15 лет заблокированы на 15 лет.

Из таблиц, показанных на фиг. 4 и 5, в качестве контрольных условий выбираем точку 20°С и 100% состояния SOC, при которой происходит деградация в 2% в год и, следовательно, которая позволяет нам предусмотреть срок службы в 15 лет с увеличением внутреннего сопротивления на 30% (15 х 2%).

Кривая на фиг. 6 представляет собой так называемые «идеальное» изменение внутреннего сопротивления по отношению к времени при параметрах 20°С и 100% SOC.

Согласно принципу изобретения, для каждой комбинации температуры и состояния заряда присваивают коэффициент, взяв в качестве основания точку 20°С и 100% SOC, для которой присваивают коэффициент 1. Это дает нам таблицу, показанную на фиг.7, которая вытекает непосредственно из таблицы, представленной на фиг. 4. Эта таблица дает напрямую «вес» для каждой рабочей конфигурации. Она позволяет нам присвоить каждому часу календарного срока службы коэффициент деградации по отношению к этому же часу, прошедшему при 20°С и 100% SOC. Согласно таблице, показанной на фиг. 7, час, прошедший при 100% SOC и 30°С, соответствует 2 часам при 100% SOC и 20°С. С другой стороны, при 50% SOC и 30°С старение является таким же, как и с контрольными значениями.

Схема на фиг. 8 показывает работу системы во время движения. Когда транспортное средство работает, состояние заряда и температура аккумулятора постоянно меняются. Система BMS постоянно направляет эти данные в вычислительное устройство SGE, которое определяет за единицу времени, например, за час, среднее состояние заряда и среднюю температуру за рассматриваемую единицу времени. В данном случае такими данными являются SOCmoy1 и T°Cmoy1 для первого часа езды, затем SOCmoy2 и T°Cmoy2 для второго часа и т.д.

Схема на фиг. 9 показывает работу системы на стоянке. Как и при движении, во время периодических выходов из спящего режима вычислительного устройства SGE оно собирает данные от системы BMS аккумулятора LIB и определяет средние значения за каждый час для температуры и состояния заряда. Таким образом, для каждого часа срока службы (каждый из которых соответствует итерации t_i, t_i+1,…, t_i+n, где n является целым числом в настоящем варианте выполнения) аккумулятору можно присвоить коэффициент, взятый из таблицы 7, и эти «скорректированные часы» сохраняются в памяти вычислительного устройства SGE. После этого вычислительное устройство SGE может легко сравнить совокупность скорректированных часов с календарным временем. Когда она оказывается выше контрольной прямой, это значит, что аккумулятор может деградировать быстрее, чем это предусмотрено. Когда это отклонение достигает предельного порога, например, 5 или 19 часов, вычислительное устройство SGE применяет корректирующее управление, действуя на состояние заряда аккумулятора.

Для этого во время движения вычислительное устройство SGE будет понижать напряжение Valt генератора переменного тока или преобразователя DC/DC в зависимости от переданного системой BMS состояния заряда аккумулятора LIB вплоть до достижения целевого значения SOCMax между 95% и, как правило, 50% SOC. За счет этого вычисленные скорректированные часы старения будут уменьшаться, несмотря на одинаковое температурное окно для аккумулятора.

Схема на фиг. 10 показывает работу системы. Как только система MBS указывает вычислительному устройству SGE, что SOCМах достигнуто, оно автоматически понижает напряжение регулирования Valt таким образом, чтобы ток зарядки стремился к 0 и чтобы уровень SOC оставался постоянным.

На графике на фиг. 11 представлен пример изменения скорректированного совокупного времени по отношению к идеальной прямой. Как видно на графике, первая часть кривой стремится отойти от идеальной прямой. Когда это отклонение становится существенным и превышает заранее определенный порог, активируют систему управления и уменьшают состояние заряда аккумулятора, что сразу изменяет направление кривой, которая возвращается на идеальную прямую. Когда совокупное значение оказывается ниже идеальной прямой с учетом значения гистерезиса, ограничение состояния заряда SOC деактивируют.

Таким образом, изобретением предложена простая система, которая не требует физического изменения транспортного средства, но которая позволяет гарантировать срок службы аккумуляторов посредством подсчета времени и управления состоянием заряда аккумулятора для клиентов, в случае которых климат или тип использования приводят к преждевременному износу аккумулятора, как показано на схеме на фиг. 12, которая иллюстрирует, каким образом определяют срок службы аккумуляторов для данной категории клиентов. Конструктор предпримет все возможное, чтобы большинство клиентов получили целевой срок службы. Например, среднее значение находится над целевым значением. Однако всегда остается категория клиентов, показанная на фиг. 12 в заштрихованном виде, для которой, с учетом использования ими транспортного средства и климата, в котором его используют, аккумулятор достигнет конца срока службы раньше целевого значения. Изобретение, описанное в этой заявке, может быть активировано только этой категорией клиентов и остается неактивным для большинства пользователей.

Кто-то может возразить, что при уменьшении SOC аккумулятора будет ухудшаться запуск в холодном состоянии. Это следует рассматривать относительно, так как, если всегда выбирать значение SOCMax, превышающее состояние заряда, необходимое для запуска при рассматриваемой окружающей температуре, и если устройство активировано, это значит, что окружающая температура является высокой и двигатель можно легко запустить.

Некоторые могут возразить, что при уменьшении SOC аккумулятора он будет иметь меньшую емкость для питания токов “courant off”. Это действительно только для системы с одним аккумулятором. В случае системы с двумя аккумуляторами регулирование состояния заряда SOC касается только переднего аккумулятора, и токи “courant off” выдает задний аккумулятор. Что касается системы с одним аккумулятором, то горячий аккумулятор указывает на частое использование, и в этом случае мало вероятно, что это транспортное средство может оставаться на стоянке в течение длительных периодов, что сказалось бы на его способности запускаться.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу управления состоянием заряда аккумулятора, который позволяет оптимизировать срок службы аккумулятора, а также устройству управления зарядом и транспортному средству, содержащим средства для осуществления такого способа. Повышение срока службы литиевых аккумуляторных батарей является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что способ управления состоянием заряда аккумулятора содержит этап определения целевого состояния заряда в зависимости от температуры аккумулятора, при этом в соответствии с контрольным профилем деградации контролируют состояние заряда, имеющего тенденцию к уменьшению, когда температура повышается, чтобы регулировать деградацию аккумулятора, а также этап зарядки аккумулятора вплоть до достижения целевого состояния заряда, при этом контрольный профиль деградации описывает относительное увеличение внутреннего сопротивления аккумулятора в зависимости от времени, прошедшего с начала срока службы аккумулятора при контрольном состоянии заряда и при контрольной температуре, после чего интерактивно определяют целевое состояние заряда таким образом, чтобы по завершении этапа оценки относительного увеличения внутреннего сопротивления оценочное относительное увеличение стремилось оставаться ниже относительного увеличения, выведенного из контрольного профиля деградации. Устройство применяется для литиевых аккумуляторов автотранспортных средств с двигателем внутреннего сгорания. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ управления состоянием заряда аккумулятора, включающий:

- этап определения целевого состояния заряда в зависимости от температуры аккумулятора, при этом указанное целевое состояние заряда стремится, в соответствии с контрольным профилем деградации, к уменьшению с повышением температуры, чтобы регулировать деградацию аккумулятора,

- этап зарядки аккумулятора вплоть до достижения целевого состояния заряда;

отличающийся тем, что целевое состояние заряда определяют итеративно таким образом, чтобы по завершении этапа оценки относительного увеличения внутреннего сопротивления оценочное относительное увеличение стремилось оставаться ниже, чем относительное увеличение, выведенное исходя из контрольного профиля деградации, при этом контрольный профиль деградации описывает относительное увеличение внутреннего сопротивления аккумулятора в зависимости от времени, прошедшего с начала срока службы аккумулятора при контрольном состоянии заряда и при контрольной температуре.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контрольное состояние заряда превышает 80%, в частности равно 100%, и/или контрольная температура составляет от 10°С до 30°С, в частности равна 20°С.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что если при данной итерации t_i, где i является положительным целым числом, оценочное относительное увеличение внутреннего сопротивления превышает относительное увеличение, выведенное из контрольного профиля, то целевое состояние заряда определяют таким образом, чтобы при следующей итерации t_i+1 оценочное относительное увеличение стремилось к относительному увеличению, выведенному из контрольного профиля.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что две итерации всегда разделены заранее определенным одинаковым интервалом времени и указанный интервал времени всегда соответствует в контрольном профиле одинаковому относительному увеличению внутреннего сопротивления.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что одинаковый интервал времени составляет от 30 минут до 2 часов, в частности равен 1 часу, и/или одинаковое относительное увеличение внутреннего сопротивления меньше 5%, в частности равно 2%.

6. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что если температура аккумулятора, измеренная между двумя итерациями t_i и t_i+1, превышает контрольную температуру, то целевое состояние заряда определяют при итерации t_i+1 таким образом, чтобы оно было меньше контрольного состояния заряда, и деградацию внутреннего сопротивления, связанную с интервалом времени, прошедшим между итерациями t_i+1 и t_i+2 при этом меньшем состоянии заряда, считают на последующих этапах оценки относительной деградации меньшей, чем контрольная деградация.

7. Аккумулятор, содержащий аппаратные и программные средства для осуществления способа по любому из предыдущих пунктов.

8. Транспортное средство, содержащее аккумулятор по предыдущему пункту.