Тяговая аккумуляторная батарея на основе литий-железо-фосфатных ячеек для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств
TRACTION BATTERY BASED ON LITHIUM-IRON-PHOSPHATE CELLS FOR UNMANNED HIGHLY AUTOMATED VEHICLES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, а именно к тяговой аккумуляторной батарее на основе литий-железо-фосфатных ячеек для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств (ВАТС), 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-железо-фосфатных ячеек имеет ряд преимуществ перед аналогами.
Известно устройство для защиты аккумулятора транспортного средства от переохлаждения (RU 137774 U1, В60Н 1/00, опубл. 27.02.2014), содержащее теплоизолирующий корпус, распределенные в нем датчики температуры, обогреватель и блок управления, выход которого включен в цепь питания нагревателя. В блок управления введены таймер и ключ, а датчик температуры корпуса аккумулятора через ключ подключен к управляющему входу таймера.
Недостатком данного решения является использование внешнего блока питания, в результате чего процесс подогрева аккумуляторной батареи ограничен техническим состоянием данного блока, его зарядом и химической основой.
Известна теплозащищённая литий-ионная аккумуляторная батарея (RU 140037 U1, H01M10/44, опубл. 27.04.2014), содержащая нагревательные элементы, установленные в корпуса батарейных модулей, и последовательно соединённые электрические накопители энергии с встроенной иерархической электронной системой управления. Система управления состоит из установленных на блоках накопителей энергии температурных датчиков и выравнивающих устройств, которые связаны между собой и с блоками управления модулями посредством двунаправленного информационного канала связи, при этом блоки управления модулями батареи содержат управляемые от них электронные ключи, соединённые со сквозной изолированной энергообменной магистралью постоянного тока.
Недостатками данного технического решения является необходимость установки электрических накопителей энергии, что требует также наличия дополнительных модулей управления для сбора и анализа данных.
Известна автомобильная аккумуляторная батарея (RU 2713618 C2, H01M10/653, опубл. 05.02.2020), принятая за прототип, включающая в себя модуль аккумуляторной батареи, который имеет несколько расположенных в виде стоп аккумуляторных элементов, и, по меньшей мере, в одной из образованных между двумя соседними элементами аккумуляторной батареи промежуточных областей расположен теплопроводящий элемент, представляющий собой теплопроводящую пленку или стальной лист.
Недостатками данного изобретения является отсутствие возможности быстрой замены аккумуляторных элементов внутри батареи и отсутствие датчиков и плат управления для контроля температуры внутри и снаружи аккумулятора.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание тяговой аккумуляторной батареи на основе литий-железо-фосфатных ячеек для использования на беспилотных ВАТС.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение номинального напряжения и диапазона рабочих температур в процессе разряда, а также возможность оперативной замены аккумуляторных модулей в составе батареи и повышение безопасности сборки, ремонта и обслуживания тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ).
Заявленный технический результат достигается за счет того, что тяговая аккумуляторная батарея для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств содержит корпус, внутри которого установлены последовательно соединенные между собой модули и система подогрева, образованная нагревательными матами, расположенными между модулями, причем в корпусе модули располагаются в два яруса, а каждый модуль, в свою очередь, образован последовательно соединенными между собой аккумуляторными ячейками на основе литий-железо-фосфата, электрически изолированными друг от друга, кроме того, в корпусе содержится система контроля, состоящая из датчиков температуры, установленных на каждый модуль, датчика влажности, измерителей напряжения каждой ячейки в модуле, датчика тока, верхнего и нижнего силовых модулей.
Применяемые в данной батарее технические решения позволяют контролировать и отслеживать основные параметры состояния каждой ячейки и модулей. Последовательное подключение ячеек в модулях и расположение модулей в два яруса приводит к повышению номинального напряжения, которое необходимо для обеспечения питания всех потребителей транспортного средства.
Краткое описание чертежей
На Фигуре 1 изображена модель тяговой аккумуляторной батареи, где:
1 – ТАБ
2 – плата контроля ячеек
3 – модуль силовой верхний
4 – модуль силовой нижний
5 – центральная плата контролера
6 – корпус ТАБ
Корпус тяговой аккумуляторной батареи (6) имеет в составе аккумуляторные модули (1), установленные в два яруса и соединенные последовательно, каждый из которых содержит 12 аккумуляторных ячеек на основе литий-железо-фосфата, также соединенных последовательно. Каждая из ячеек имеет соединение посредством электрического контакта с платами контроля (2), данные с которых передаются на центральную плату контрольного модуля (5) для отслеживания параметров (напряжение, температура, сопротивление, состояние заряда и т. п.) каждой ячейки. Питание плат контроля ячеек (2) осуществляется при помощи энергии, полученной из аккумуляторных модулей (1). Центральная плата контролера (5) отвечает за контроль степени заряженности ТАБ, собирая и анализируя информацию с каждого аккумуляторного модуля ТАБ (1). Внутри ТАБ также установлены системы защиты от поражения электрическим током, системы защиты от короткого замыкания и системы контроля влажности внутри корпуса. Верхний силовой модуль (3) используется для контакторов положительной линии, нижний силовой модуль (4) для контактора отрицательной линии. Тем самым линии + и - разнесены друг от друга и это безопасно для сборки, ремонта и обслуживания ТАБ (не произойдет короткое замыкание).
ТАБ имеет в составе систему подогрева модулей (и соответственно ячеек) для осуществления заряда батарей при отрицательных температурах и предупреждения деградации ячеек в процессе заряда при отрицательных температурах. Фиксирование температуры в процессе разряда/заряда производится благодаря наличию не менее двух температурных датчиков, установленных в каждом аккумуляторном модуле ТАБ (1) и обеспечивающих более точный контроль температуры. Значения всех 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. Для достижения оптимального значения напряжения и энергоемкости батареи при работе в составе ВАТС конструкция аккумуляторной батареи разработана следующим образом: 12 аккумуляторных ячеек на основе литий-железо-фосфата с номинальным напряжением 3.2 В объединены в один модуль, 16 модулей установлены в два яруса и соединены последовательно (см. фигура 1). Внутри ТАБ имеется контрольный модуль отслеживания параметров (напряжение, температура, сопротивление, состояние заряда и т. п.) каждой ячейки каждого из 16 модулей, также установлены системы защиты от поражения электрическим током, системы защиты от короткого замыкания и системы контроля влажности внутри корпуса. 16 модулей размещены в два яруса и соединены последовательно в целях повышения номинального напряжения. ТАБ имеет систему подогрева модулей (и, соответственно, ячеек) для осуществления заряда батарей при отрицательных температурах и предупреждения деградации ячеек в процессе заряда при отрицательных температурах. Внутри ТАБ расположены датчик влажности, датчик тока и напряжения, что в совокупности дает обширную информацию о состоянии аккумулятора, что обеспечивает непрерывный контроль целостности тяговой аккумуляторной батареи и недопущения пробоя высокого напряжения на корпус вследствие попадания воды на высоковольтные контакты. Система защиты от поражения электрическим током работает совместно с системой управления ярусами аккумулятора. Для оптимизации конструкции установлены верхний и нижний силовые модули, при этом верхний модуль используется для контакторов положительной линии, нижний силовой модуль для контактора отрицательной линии. Тем самым линии + и - разнесены друг от друга, что позволяет избежать короткого замыкания и повышает безопасность сборки, ремонта и обслуживания ТАБ.
Таким образом, финальная сборка батареи имеет характеристики: номинальное напряжение 614 В и емкость 105 Ач. Такая конструкция позволяет осуществлять заряд каждого из ярусов батареи одновременно посредством внешнего источника постоянного тока. Преимуществом данной сборки является самобалансировка каждой ячейки (процесс происходит вследствие выравнивания потенциала на каждой ячейке) и возможность оперативной замены аккумуляторных модулей в конструкции ТАБ. Для отслеживания параметров каждой ячейки (напряжение, температуру, ток, заряд, наличие ошибок, емкость для каждой ячейки) в модуле установлена плата контроля ячеек, что позволяет контролировать состояние отдельной ячейки и системы в целом. Мониторинг системы осуществляется посредством Web-интерфейса для каждого из ярусов.
Химическая природа ячеек (катод на основе литий-железо-фосфата), из которых составлены модули аккумуляторной батареи, позволяет производить процесс разряда током до 2С, где С это емкость всей системы, в диапазоне температур от -20 до +55 °С, что, в свою очередь, обеспечивает возможность работы ВАТС без включения системы подогрева ТАБ при отрицательных температурах окружающей среды. Для осуществления процесса заряда (током до 1С) в диапазоне температур ниже 0 °С в аккумуляторной батарее предусмотрена система подогрева модулей и, соответственно, ячеек, образованная нагревательными матами, расположенными между модулями. Активация системы подогрева происходит в процессе заряда, при подключении внешнего источника тока, что позволяет избежать необходимости в наличии дополнительных аккумуляторов.
Заявляемая ТАБ на основе литий-железо-фосфатных ячеек используется в качестве источника энергии для беспилотных ВАТС.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на любых наземных беспилотных ВАТС.