УСТРОЙСТВО ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ БАТАРЕЙНОГО МОДУЛЯ И ИНВЕРТОРА ГИБРИДНОГО АВТОМОБИЛЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к конструкции систем жидкостного охлаждения и подогрева батарейного модуля и инвертора транспортных средств, в частности грузового транспортного средства с опрокидывающей кабиной.
Гибридные автомобили оснащены компонентами тягового электропривода. Основными компонентами комбинированной энергоустановки являются установка накопления энергии, в состав которой входят батарейные модули, а также установка инвертора и коммутационного блока. Оптимальная рабочая температура, при которой литий-ионные батарейные модули способны исправно функционировать, накапливать и передавать заряд, находится в пределах от +10°C до +35°C. При эксплуатации транспортного средства, следует предотвратить перегрев батарей. Критическая температура, при которой батарейные модули и инвертор выходят из строя, составляет +55…+60°C. В условиях низких температур окружающей среды у литий-ионных батарейных модулей гибридных транспортных средств могут возникнуть следующие проблемы: снижение срока службы аккумулятора, снижение емкости, ограничение процесса зарядки.
Использование обогрева батарейного модуля с инвертором является очень важной технической характеристикой для успешной эксплуатации гибридного автомобиля в холодное время года. Способ обогрева батарейного модуля и рабочие характеристики устройства обогревателя непосредственно влияют на удобство, стабильность работы и безопасность транспортного средства. Для осуществления обогрева батарейного модуля и инвертора предложено много вариантов, но из-за невозможности обеспечить стабильную температуру нагрева они не нашли широкого применения на транспорте. Например, батарею аккумуляторов снабжают рукавом из теплоизолирующего материала, или для обогрева применяют инфракрасную пленку, а для сохранения тепла используют теплоизолирующую манжету, или согревающую обертку на поверхности аккумулятора. Такие способы применяют только для неподвижных аккумуляторов, использование внешнего источника энергии для обогрева аккумулятора не подходит для находящегося в движении транспортного средства.
Известна система воздушного отопления тяговых литий-ионных накопителей энергии электробуса, содержащая дизельные воздушные отопители, подводящие рукава, прокачивающие вентиляторы, систему питания отопителей (см. патент на полезную модель RU №190733 U1, МПК В60Н 1/00(2006.01), F24H 3/02(2006.01), опубликовано 15.08.2019).
Известно устройство автоматического поддержания теплового состояния аккумуляторной батареи, состоящей из аккумуляторных ячеек, размещенных в теплоизолированном герметичном корпусе, содержащее теплообменник, встроенный в стенку упомянутого корпуса и состоящий из термоэлектрического модуля Пельтье и расположенных по разные его стороны внешнего и внутреннего радиаторов, около внутреннего радиатора установлен вентилятор с электрическим приводом, вход термоэлектрического модуля Пельтье подключен через фильтр, широтно-импульсный преобразователь, усилитель и элемент сравнения к выходу сумматора, ко входу которого подключены датчики температуры аккумуляторных ячеек (см. патент на полезную модель RU №159469 U1, МПК Н01М 10/00(2006.01), опубликовано 10.02.2016).
Известно устройство для термостатирования рабочей жидкости гидросистемы самоходной машины, содержащее бак с рабочей жидкостью, термодатчик, размещенный в баке, теплообменное устройство, выполненное в виде тепловых фитильных труб, и нагревательное устройство, в котором размещены испарительные зоны тепловых фитильных труб, дополнительно содержит топливный бак, аккумуляторную батарею, таймер и реле времени, нагревательное устройство состоит из катализатора и размещенных в нем электрических нагревательных элементов, соединенных с аккумуляторной батареей последовательно через таймер и реле времени, под нагревательным устройством размещен поддон, сообщающийся с топливным баком трубопроводом, на котором последовательно установлены вентиль, управляемый термодатчиком, жиклер и электромагнитный клапан, причем катушка последнего связана с реле времени (см. патент на изобретение RU №2216655 C1, МПК F15B 21/04(2000.01), опубликовано 20.11.2003).
Известно устройство термостатирования тяговых аккумуляторных батарей, содержащее теплообменник с размещенным в нем радиатором и испарителем хладогента, электрический насос, связанный с радиатором и расширительным бачком, подогреватель, соединенные между собой через трубопроводы конденсатор хладогента, обдуваемый встроенным вентилятором, ресивер-осушитель и компрессор-хладогента, устройство выполнено в виде модуля с каркасом, выполненным в виде вертикальных и продольных элементов и стенок, в котором размещены все его элементы, при этом устройство дополнительно снабжено подогревателем, двумя датчиками контроля температуры, установленные на трубопроводах входа и выхода радиатора, причем вертикальные и продольные элементы каркаса модуля выполнены в виде поперечин и вертикальных труб, кроме того, один из подогревателей размещен со стороны теплообменника на кронштейне, соединен через рукав с подводящей трубой и направлен в противоположную сторону другому подогревателю, а конденсатор хладогента установлен на опорах с резиновыми подушками на задних поперечинах каркаса модуля и на кронштейнах с резиновыми подушками, закрепленных на вертикальных трубах каркаса (см. патент на полезную модель RU №193603 U1, МПК В60Н 1/00(2006.01), Н01М 10/65(2014.01), F01P 3/22(2006.01), F28D 15/02(2006.01), опубликовано 06.11.2019).
Известно устройство термостатирования агрегатов электромобиля, содержащее насос с электроприводом для подачи жидкого теплоносителя от радиатора в рубашки жидкостного охлаждения аккумуляторной батареи, тягового электродвигателя, инвертора, прибора для зарядки аккумуляторной батареи, в гидролиниях, сообщающих упомянутые рубашки охлаждения с входом радиатора, установлены краны, управляемые датчиками температуры теплоносителя в указанных гидролиниях, на выходе из радиатора установлен кран, управляемый датчиком температуры на входе в радиатор, вход в рубашку охлаждения аккумуляторной батареи сообщен с насосом через кран, управляемый датчиком температуры на выходе из рубашки охлаждения аккумуляторной батареи, при этом вход в рубашку охлаждения аккумуляторной батареи сообщен с выходом охладителя теплоносителя через кран, управляемый датчиком температуры на выходе охладителя, и через обратный клапан и сообщен с выходом электронагревателя теплоносителя через упомянутый обратный клапан, кроме того содержит компенсационно-расширительный бачок, вход которого сообщен с выходами рубашек охлаждения аккумуляторной батареи, тягового электродвигателя, инвертора, прибора для зарядки аккумуляторной батареи, а выход из бачка сообщен с входом в насос (см. патент на изобретение RU №2673788 С1, МПК В60К 11/02(2006.01), F01P 3/20(2006.01), опубликовано 29.11.2018).
Известен предпусковой подогреватель двигателя с дополнительным обогревом аккумуляторных батарей и предохранителем отключения, состоящий из теплообменника, горелки, насосного агрегата, патрубка выхода отработавших газов, источника высокого напряжения, дополнительно содержит переходник на патрубок выхода отработавших газов, трубопровод для отвода отработавших газов, распределитель воздушного потока, электромагнитный клапан, температурный датчик, теплообменник (см. патент на изобретение RU №85860, МПК В60Н 1/02(2006.01), опубликовано 20.08.2009).
Известные решения в большинстве случаев обеспечивают обогрев аккумуляторных батарей, но не подходят для подогрева и охлаждения батарейных модулей гибридных транспортных средств, имеющих вход и выход для теплоносителя.
Прототипом к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является система термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля, имеющая вход и выход соответственно для соединения с трубопроводом подачи теплоносителя в двигатель и с трубопроводом отвода охлажденного теплоносителя от двигателя в предпусковой подогреватель, выполнена в виде низкотемпературного контура, включающего теплообменник типа «жидкость-жидкость», предназначенный для объединения низкотемпературного контура и контура системы подогрева двигателя, блок охлаждения в составе с радиатором и электровентилятором, расширительный бачок, насос электрический, два датчика температурных, один из которых установлен на входе в радиатор, а второй - на выходе из теплообменника, и электрический кран, установленный на входе в теплообменник, при этом теплообменник и радиатор блока охлаждения выполнены с возможностью для соединения с батарейным модулем и инвертором (см. патент на изобретение RU №2722217 C1, МПК В60Н 1/00(2006.01), опубликовано 28.05.2020).
Недостаток данного технического решения заключается в том, что отсутствует прямой быстрый обогрев жидкости, который происходит через радиатор, тем самым приводит к потере температуры в процессе нагрева тяговых батарей, кроме того для предотвращения перегрева, батарейного модуля и инвертора не обеспечивается достаточный их нагрев и поддержание оптимальной температуры для гибридного автомобиля при отрицательных температурах окружающей среды.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение эффективного нагрева батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля за счет поддержания оптимальной температуры для предотвращения их перегрева.
Поставленная задача решается тем, что устройство термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля, содержащее вход и выход для соединения с трубопроводом подачи теплоносителя в двигатель и с трубопроводом отвода охлажденного теплоносителя от двигателя в предпусковой подогреватель, и выполнено в виде низкотемпературного контура, включающего теплообменник типа «жидкость-жидкость», предназначенный для объединения низкотемпературного контура и контура системы подогрева двигателя, блок охлаждения в составе с радиатором и электровентилятором, расширительный бачок, насос электрический, температурные датчики, один из которых расположен на входе в радиатор, а другой - на выходе из теплообменника, электрический кран, установленный на входе в теплообменник, дополнительно содержит байпасный канал, на котором расположен клапан жидкостный электрический, при этом клапан жидкостный электрический расположен перед радиатором и соединяет собой батарейный модуль и инвертор с радиатором и теплообменником.
Совокупность отличительных признаков, заключающаяся в том, что устройство термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля дополнительно содержит байпасный канал, на котором расположен клапан жидкостный электрический, при этом клапан жидкостный электрический расположен перед радиатором и соединяет собой батарейный модуль и инвертор с радиатором и теплообменником, позволяет обеспечить эффективность нагрева батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля за счет поддержания оптимальной температуры для предотвращения их перегрева.
Суть полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля.
Устройство термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля выполнена в виде низкотемпературного контура, включающего теплообменник 1 типа «жидкость - жидкость», блок охлаждения 2 в составе с радиатором 3 и электровентилятором 4, расширительный бачок 5 с пробкой с блоком клапанов, насос 6 электрический, электрический кран 7. Теплообменник 1, выполненный в пластинчатом либо в трубчатом варианте соединен с батареями 8 и инвертором 9. Теплообменник 1 объединяет низкотемпературный контур для термостатирования батарейного модуля и инвертора 9 с основным контуром системы подогрева двигателя 10 посредством параллельного подключения. Вход в теплообменник 1 связан с трубопроводом подачи теплоносителя в двигатель 10, а выход - с трубопроводом отвода охлажденного теплоносителя от двигателя 10 в предпусковой подогреватель 11. Электрический кран 7 установлен перед входом в теплообменник 1 и предназначен для обеспечения своевременного перекрытия горячего потока охлаждающей жидкости из предпускового подогревателя 11 в теплообменник 1. Насос 6 электрический, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя по всему низкотемпературному контуру, установлен перед теплообменником. Теплообменник 1 и радиатор 3 соединены трубопроводами с расширительным бачком 5, предназначенным для компенсации изменения объема жидкости, связанного с температурным расширением и испарением. Устройство также дополнительно содержит байпасный канал 12, который содержит клапан 13 жидкостный электрический. При этом клапан 13 жидкостный электрический установлен перед радиатором 3 и соединяет собой батареи 9 и инвертор 10 с радиатором 3 и теплообменником 1. Кроме того, устройство содержит два температурные датчики 14 и 15, один из которых установлен перед клапаном 13 жидкостным электрическим, а другой - на выходе из теплообменника 1.
Наличие байпасного канала, содержащего клапан жидкостный электрический, позволяет поддерживать стабильную подаваемую температуру, при этом обеспечив непрерывную циркуляцию подаваемой жидкости в обход, что гарантирует бесперебойный нагрев, а также позволяет отключить радиатор для его замены и ремонта, не прерывая при этом подаваемой жидкости.
Все части системы соединены стальными трубами с приварными патрубками, а также рукавами для жидких рабочих сред при помощи червячных хомутов.
Устройство работает следующим образом.
Низкотемпературный контур системы термостатирования батарейного модуля и инвертора заполнен охлаждающей жидкостью, замерзающей при низких температурах окружающей среды. При необходимости проведения предпусковой подготовки автомобиля, запускается предпусковой подогреватель 11, выполняющий подогрев охлаждающей жидкости контура системы подогрева двигателя 10 за счет сжигания топлива, которая циркулирует благодаря электрическому насосу 16. Подогретый теплоноситель нагревает змеевик теплообменника 1, змеевик в свою очередь передает тепло жидкости, находящейся в низкотемпературном контуре. Из корпуса теплообменника 1 прогретый теплоноситель низкотемпературного контура перетекает в подключенные параллельно батареи 8 и инвертор 9, прогревая их направляется к клапану 13 жидкостному электрическому. То есть для быстрого прогрева клапан 13 жидкостный электрический направляет поток жидкости в обход радиатора 3, так как при поступлении горячей жидкости в радиатор 3, температура жидкости начнет падать. А, когда необходимо остудить жидкость, данный клапан открывается и жидкость поступает через радиатор. При получении данных о температуре охлаждающей жидкости от температурного датчика 14, указывающих на низкую температуру теплоносителя, электронный блок управления (не показан) дает сигнал о направлении теплоносителя через байпасный канал 12 к теплообменнику 1, исключая при этом потери температуры теплоносителя в радиаторе 3 в процессе нагрева тяговых батарей 8 и инвертора 9, при получении данных о высокой температуре теплоноситель поступает в радиатор 3 блока охлаждения 2, вентилятор 4 которого во время режима прогрева не включается. Из радиатора 3 теплоноситель возвращается в теплообменник 1. Циркуляцию по низкотемпературному контуру обеспечивает насос 6. Расширительный бачок 5 компенсирует изменения объема жидкости. При достижении рабочего температурного диапазона батарейного модуля температурный датчик 15 подает сигнал в электронный блок управления о закрытии электрического крана 7. При повышении заданного температурного диапазона охлаждающей жидкости датчик 14 подает сигнал в электронный блок управления о включении электровентилятора 4 блока охлаждения.
Таким образом заявляемое техническое решение позволяет обеспечить эффективность нагрева батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля при отрицательных температурах окружающей среды до температурного порога, при котором батареи и инвертор выходят на оптимальный рабочий режим, а также поддержание оптимальной температуры в необходимом диапазоне для предотвращения их перегрева.
То есть, заявляемое техническое решение позволяет обеспечить поддержание оптимальной рабочей температуры тяговых батарей в необходимом диапазоне, исключив при этом их перегрев и потери температуры теплоносителя в радиаторе в процессе подогрева тяговых батарей и инвертора.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании с применением ранее освоенных технологий.