Система предзаряда для электрического высокоавтоматизированного транспортного средства категории N3 Российский патент 2024 года по МПК B60L58/22 B60L1/00 H02M3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системе управления предварительным зарядом для безопасного включения высокого напряжения, подаваемого с тяговых аккумуляторных батарей на бортовую сеть для нужд электрического высокоавтоматизированного транспортного средства категории N3.

Уровень техники

Из уровня техники известно большое количество видов преобразователей энергии для разных применений.

Известна схема управления предварительным зарядом электромобиля (CN 208714975 U, B60L 53/00, опубл. 09.04.2019), которая включает логический блок управления, блок регистрации напряжения, главное реле, реле предварительного заряда, резистор предварительного заряда, конденсаторы шины BUS и аккумуляторную батарею, причем резистор предварительного заряда параллельно соединен с главным реле, а главное реле обеспечивает связь конденсатора шины BUS и аккумуляторной батареи.

Недостатком данной системы является то, что схема системы предзаряда предполагает управление зарядом электромобиля, в котором располагается одна аккумуляторная батарея, кроме того, отсутствует система балансировки модулей аккумулятора в процессе заряда и разряда.

Известен контроллер предзаряда (US 2020195016 A1, H02J 7/00, опубл. 18.06.2020), который включает в себя главный контактор, конденсатор, контактор предзаряда, датчик тока и блок управления. При подаче питания от тяговой аккумуляторной батареи к потребителям тока блок управления начинает предварительную зарядку, замыкая контактор предварительной зарядки, когда обнаруженный ток равен заданному значению или ниже, определяет завершение предварительной зарядки, когда обнаруженный ток, равный или превышающий первое пороговое значение, падает до второго порогового значения или ниже, и замыкает главный контактор.

Недостатком этого контроллера является то, что устройство не обеспечивает мониторинг и управление состоянием аккумуляторной батареи.

Известно устройство защиты резистора предварительного заряда (US 2020144832 A1, H02H 1/00, опубл. 07.05.2020), принятое за прототип, включающее один или более блок датчиков, сконфигурированный для измерения напряжения батареи, приложенного к обоим концам элемента батареи, включенной в блок батареи, и тока предварительного заряда, протекающего в резисторе предварительного заряда. Кроме того, схема устройства предполагает наличие процессора, оперативно соединенного с блоком датчика.

Недостатками этого устройства является отсутствие возможности балансировки модулей в аккумуляторной батарее в процессе разряда и заряда.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание системы предзаряда для обеспечения безопасного включения высокого напряжения, посредством ограничения резкого скачка тока, а также безопасного включения двух и более параллельно соединенных аккумуляторных массивов (батарей) при наличии разного уровня напряжения каждого из них.

Техническим результатом заявляемого изобретения является балансировка двух и более параллельно соединенных тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ), что, в свою очередь, обеспечивает регулирование значения высокого напряжения, подаваемого с двух и более ТАБ на нужды электрического высокоавтоматизированного транспортного средства (ВАТС), а также увеличивает срок службы компонентов батареи.

Указанный технический результат достигается при помощи заявленной системы предзаряда для электрического высокоавтоматизированного транспортного средства категории N3, одна из частей которой располагается в корпусах не менее двух параллельно соединенных тяговых аккумуляторных батарей и состоит из контактора минусовой/плюсовой линии, резистора предзаряда, основного контактора, датчика тока и платы BMS, посредством которых осуществляется контроль величин тока и напряжения всех аккумуляторных массивов, при этом части системы соединены через главные шины (плюсовую и минусовую), а вторая часть, располагается в корпусе модуля распределения питания, и образована главным основным контактором, главным контактором предзаряда, главным резистором предзаряда и главной платой BMS, с помощью которых проводится контроль величины тока и напряжения, и происходит балансировка не менее двух аккумуляторных батарей при наличии разного уровня напряжения на каждой из них, что обеспечивает безопасное включение высокого напряжения, посредством ограничения пикового тока, для дальнейшей его подачи на нужды транспортного средства.

Заявленное техническое решение реализуется за счет разделения системы предварительного заряда на две части, одна из которых размещается в корпусе ТАБ и осуществляет контроль параметров (напряжение, ток) каждой аккумуляторной ячейки с помощью платы BMS ТАБ, а другая часть располагается в корпусе распределения питания и выполняет функции, посредством главной платы BMS, как контроля напряжения и тока, получаемых с двух и более параллельно соединённых ТАБ, так и балансировки этих батарей, при этом контролируя пиковые значения напряжения, далее подаваемые на нужды электрического высокоавтоматизированного транспортного средства. Такой подход позволяет увеличить срок службы компонентов системы и избежать эффекта заваривания контакторов высокого напряжения при разбалансировке ТАБ.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 изображена схема строения системы предзаряда, где:

1. Корпус ТАБ1

2. Корпус ТАБ2

3. Контактор предзаряда

4. Резистор предзаряда

5. Контактор основной

6. BMS аккумуляторной батареи

7. Аккумуляторный модуль

8. Контактор минусовой/плюсовой линии

9. Датчик тока

10. Плата контроля напряжения ячеек

11. Корпус модуля распределения питания

12. Плата главная BMS

13. Главный основной контактор

14. Главный контактор предзаряда

15. Главный резистор предзаряда

16. Главная шина плюсовая

17. Главная шина минусовая

Система предзаряда состоит из двух частей: первая часть располагается в корпусах ТАБ1 (1) и ТАБ2 (2), которые имеют соединение со второй частью - корпусом модуля распределения питания (11). В каждом корпусе ТАБ расположены последовательно подключенные аккумуляторные модули (7), содержащие по 12 аккумуляторных ячеек на основе литий-железо-фосфата, также соединенных последовательно. Для реализации системы предзаряда в ТАБ к аккумуляторным модулям (7) подключен контактор предзаряда (3), резистор предзаряда (4), основной контактор (5), контактор минусовой/плюсовой линии (8) и датчик тока (9). На каждый аккумуляторный модуль (7) установлена плата контроля напряжения ячеек (10), что позволяет производить более точный контроль величины напряжения на каждой ячейке. Мониторинг состояния каждого отдельного ТАБ проводится с помощью BMS платы в аккумуляторной батарее (6).

В корпусе модуля распределения питания (11) происходит контроль напряжения и тока, полученных от ТАБ1 (1) и ТАБ2 (2), и поступающих далее на нужды электрического высокоавтоматизированного транспортного средства категории N3. Для этого каждый из ТАБ подключен к модулю распределения питания через электрические разъемы, которые соединены с главным основным контактором (13), главным контактором предзаряда (14), главным резистором предзаряда (15) и двумя главными шинами: плюсовой (16) и минусовой (17) линии. Балансировка и мониторинг состояния двух параллельно соединенных массивов аккумуляторных модулей, располагающихся в корпусах ТАБ1 (1) и ТАБ2 (2), в модуле распределения питания осуществляется с помощью главной платы BMS (12), которая обеспечивает управление логическим процессом работы системы предзаряда в целом.

Осуществление изобретения

При создании ВАТС категории N3 на электрическом приводе используется аккумуляторная батарея в качестве источника энергии. Для достижения необходимой величины напряжения (увеличения объемной энергии), была создана схема из двух параллельно соединенных массивов аккумуляторных ячеек в составе ТАБ. Когда батарея подает напряжение на электрический двигатель напрямую, генерируется большой пусковой ток, который повреждает электрические компоненты в цепи. Кроме того, при реализации системы из двух и более ТАБ возникает необходимость в их балансировке при наличии разного уровня напряжения на каждой из них. Таким образом, схема системы предзаряда предполагает разделение на две составляющих. Первая часть системы располагается в корпусе тяговой аккумуляторной батареи и осуществляет управление аккумуляторными модулями в ТАБ (регулируются значения напряжения и тока).

Во всех режимах работы системы должен производиться постоянный опрос батарей на предмет ошибок и состояния платы контроля изоляции. В случае появления сигнала АВАРИЯ (критическая ошибка батареи или пробой изоляции) система должна немедленно отправить сигнал в контроллер верхнего уровня (КВУ), дождаться спада по току на шинах батареи, далее разомкнуть все контакторы. Если спад тока не происходит в течение 5 секунд, произвести размыкание, не дожидаясь спада по току.

Мониторинг состояния аккумуляторных модулей и балансировка ячеек в ТАБ производится постоянно при помощи платы BMS с передачей данных в КВУ, при этом контроль превышения пороговых напряжений и разбалансировки производится на постоянной основе. Плата BMS проверяет исправность батарей, и, в случае неисправности батареи, передаёт по шине CAN код ошибки или выставляет флаг соответствующей аварии. Величина тока разряда батареи задается пользователем.

При включении батареи осуществляется следующая последовательность действий: на платы BMS (располагающиеся в аккумуляторных батареях и в модуле распределения энергии) подается питающее напряжение 24B. Далее проводится опрос состояния батарей и передача данных о состоянии в КВУ. Если критические ошибки отсутствуют, главная плата BMS даёт команду платам BMS, располагающимся в ТАБ, на включение. В случае наличия «пробоя» контактор отключается и формируется критическая ошибка.

При отсутствии ошибки производится опрос плат BMS в ТАБ1 и ТАБ2 о величине напряжения на батареях. Если разница напряжений на батареях более 5 В, то в процессе мониторинга батарей система определяет ТАБ с наименьшим и наибольшим значением напряжения, после чего главная плата BMS принимает решение о включении контактора заряда на ТАБ с наименьшим напряжением, в результате чего ток протекает через главный резистор предзаряда и идет на нужды электрического транспортного средства.

Если разница на батареях менее 5 В, то главная плата BMS передаёт команду платам BMS в ТАБ1 и ТАБ2 на включение контакторов предзаряда батарей. Контроль балансировки уровня напряжения и тока на двух батареях производится посредством главной платы BMS. По достижению балансировки батарей или после снижения токов ниже определённого уровня происходит включение контакторов нагрузки батареи и отключение контакторов предзаряда батареи. Если на данном этапе произведён опрос платы BMS аккумулятора и критические ошибки отсутствуют, то главная плата BMS отправляет (по CAN) флаг готовности к дальнейшей работе. При отсутствии критических ошибок главная плата BMS включает главный контактор предзаряда. Когда напряжение на емкости в нагрузке достигнет определенного значения, контроллер верхнего уровня устанавливает бит разрешения включения главного основного контактора, главная плата BMS замыкает основной контактор.

Соответственно, основной алгоритм работы включает в себя следующую последовательность действий:

• Подается напряжение 24В на питание плат BMS в модуле распределения энергии и в ТАБ1, ТАБ2.

• Главная плата BMS определяет есть ли разница по напряжению на батареях (может измениться если производилось аварийное передвижение).

• Главная плата выбирает батарею с наименьшим зарядом и включает в ней контактор нагрузки батареи.

• КВУ передаёт команды на предзаряд и включение основного силового контактора.

• Если нет критических ошибок, КВУ выдает флаг разрешения заряда, по которому главная плата запрашивает ток заряда в бортовое зарядное устройство.

• Идет заряд до выравнивания напряжений между батареями. При этом пропадает флаг дисбаланса напряжения между батареями.

• По снятию флага дисбаланса напряжения КВУ снимает флаг разрешения зарядки и сигналы включения контакторов.

• Главная плата BMS балансирует обе батареи и далее процедура заряда или разряда (эксплуатации) производится штатно.

Таким образом, описанная система используется для обеспечения безопасного включения высокого напряжения для нужд электрического высокоавтоматизированного транспортного средства категории N3, а также осуществляет контроль напряжения и тока аккумуляторных модулей и балансировку параллельно соединенных тяговых аккумуляторных батарей.

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

Изобретение относится к системе предзаряда для электрического высокоавтоматизированного транспортного средства категории N3. Система состоит и двух частей. Первая часть располагается в корпусах не менее двух параллельно соединенных тяговых аккумуляторных батарей. Вторая часть располагается в корпусе модуля распределения питания. Первая часть состоит из контактора минусовой/плюсовой линии, резистора предзаряда, основного контактора, датчика тока и платы BMS, посредством которых осуществляется контроль величин тока и напряжения всех аккумуляторных массивов. Вторая часть образована главным основным контактором, главным контактором предзаряда, главным резистором предзаряда и главной платой BMS, с помощью которых проводится контроль величины тока и напряжения и происходит балансировка не менее двух аккумуляторных батарей при наличии разного уровня напряжения на каждой из них. Части системы соединены через плюсовую и минусовую главные шины. Достигается снижение эффекта заваривания контакторов высокого напряжения при разбалансировке ТАБ. 1 ил.

Система предзаряда для электрического высокоавтоматизированного транспортного средства категории N3, одна из частей которой располагается в корпусах не менее двух параллельно соединенных тяговых аккумуляторных батарей и состоит из контактора минусовой/плюсовой линии, резистора предзаряда, основного контактора, датчика тока и платы BMS, посредством которых осуществляется контроль величин тока и напряжения всех аккумуляторных массивов, при этом части системы соединены через главные шины (плюсовую и минусовую), а вторая часть располагается в корпусе модуля распределения питания и образована главным основным контактором, главным контактором предзаряда, главным резистором предзаряда и главной платой BMS, с помощью которых проводится контроль величины тока и напряжения и происходит балансировка не менее двух аккумуляторных батарей при наличии разного уровня напряжения на каждой из них.