СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ, ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ И СПОСОБ ОБОГРЕВА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ
ELECTRIC VEHICLE POWER UNIT, ELECTRIC VEHICLE AND METHOD OF HEATING ELECTRIC VEHICLE STORAGE BATTERY

По настоящей заявке испрашивается приоритет на основании китайской патентной заявки 201210160616.6, поданной 22 мая 2012 г. в Государственное ведомство по интеллектуальной собственности КНР. Все содержание указанной заявки включается в материалы настоящей заявки путем отсылки.
Область техники
Объектами настоящего изобретения являются силовая установка, в частности силовая установка электромобиля, электромобиль с такой силовой установкой и способ обогрева аккумуляторной батареи электромобиля.
Предшествующий уровень техники
C развитием технологий в число видов транспорта входят транспортные средства, использующие новые виды энергии, в частности электромобили. Эксплуатационные требования, особенно требования удобства для пользователя транспортным средством, все возрастают, и, соответственно, транспортное средство должно отвечать различным условиям работы. Но в настоящее время большинство электромобилей не может удовлетворять этим требованиям. Особенно зимой, когда температура довольно низка, характеристики батареи, в частности ее емкость или способность разряжаться, могут падать вплоть до невозможности использования аккумулятора. Рабочая температура аккумулятора, особенно литий-ионного аккумулятора, обычно лежит в пределах от -20°C до 55°C, и аккумулятор не может заряжаться при низкой температуре. В условиях низких температур у аккумулятора в электромобиле могут возникнуть следующие проблемы:
(1) Ионы лития могут легко осаждаться на катоде и терять активность при низких температурах. Поэтому, если аккумулятор электромобиля обычно используют при низких температурах, срок службы аккумулятора может уменьшиться, что, соответственно, снижает безопасность эксплуатации.
(2) Когда литий-ионный аккумулятор заряжают при низкой температуре, ионы лития могут легко осаждаться и разряжаться на катоде, понижая, таким образом, емкость аккумулятора. Более того, при длительном использовании отложения лития нарастают, что приводит к возможной опасности возникновения внутреннего короткого замыкания.
(3) Способность разряжаться у аккумулятора при низкой температуре ограничивается.
Все перечисленные выше проблемы неблагоприятны для эксплуатации электромобиля, который использует энергию, не загрязняющую окружающую среду.
Способ обогрева аккумуляторной батареи является очень важной технологической операцией для обслуживания электромобиля. Способ обогрева аккумуляторной батареи и рабочие характеристики обогревателя аккумулятора непосредственно влияют на удобство, стабильность работы и безопасность транспортного средства. Для обогрева аккумуляторов предложено много способов, но из-за недостаточной управляемости эти способы 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. Более того, использование внешнего источника энергии для обогрева аккумулятора не подходит для находящегося в движении транспортного средства. Поэтому упомянутые способы не нашли широкого применения для электромобилей.
Краткое описание изобретения
Первым объектом предлагаемого изобретения является силовая установка электромобиля. Силовая установка содержит аккумуляторную батарею и соединенный с ней обогреватель аккумуляторов, выполняющий функцию обогрева аккумуляторной батареи при ее зарядке и разрядке; устройство управления аккумуляторами, соединенное с аккумуляторной батареей и обогревателем аккумуляторов соответственно, управляющее обогревателем аккумуляторов для обогрева аккумуляторной батареи, когда температура аккумуляторной батареи ниже, чем первое пороговое значение для обогрева и остаточный заряд аккумуляторной батареи больше, чем пороговая величина заряда при движении, отслеживающее текущую скорость изменения силы тяги электромобиля в реальном времени и прекращающее обогрев аккумуляторной батареи обогревателем аккумуляторов, когда текущая скорость изменения силы тяги достигает заданного порога скорости изменения силы тяги; электрическую распределительную коробку, выполняющую функцию распределения выходного напряжения аккумуляторной батареи; двигатель; контроллер двигателя, соединенный, соответственно, с двигателем и электрической распределительной коробкой, содержащий первый входной терминал, второй входной терминал и пускозарядный конденсатор, подсоединенный между первым и вторым входными терминалами, выполняющий функцию подачи энергии двигателю согласно управляющей команде и напряжению, распределяемому электрической распределительной коробкой; и разграничительный индуктор, подсоединенный между аккумуляторной батареей и электрической распределительной коробкой, причем индуктивность разграничительного индуктора соответствует емкости пускозарядного конденсатора.
С силовой установкой электромобиля согласно предлагаемому изобретению, при использовании в электромобиле больших токов разрядки аккумуляторной батареи, внутренний резистор батареи может нагреваться сам по себе и обогревать посредством этого аккумуляторную батарею. В отсутствие внешнего источника энергии электричество для обогрева полностью поставляется аккумуляторной батареей. Режим обогрева для аккумуляторной батареи может регулироваться с помощью устройства управления аккумуляторами и обогревателя аккумуляторов, что может серьезно уменьшить ограничения на использование электромобиля при низких температурах, удовлетворяя, таким образом, требованиям к движению и зарядке при низких температурах. Более того, силовая установка обогревает аккумуляторную батарею напрямую, и в связи с этим могут быть достигнуты более высокий тепловой к.п.д., более низкие затраты и удобство эксплуатации.
Другим объектом предлагаемого изобретения является электромобиль, содержащий упомянутую выше силовую установку. Электромобиль может нормально работать в холодных регионах, и аккумуляторная батарея может обогреваться при движении электромобиля, обеспечивая, таким образом, безопасное и ровное движение.
Третьим объектом предлагаемого изобретения является способ обогрева аккумуляторной батареи электромобиля. Способ предусматривает определение температуры и остаточного заряда аккумуляторной батареи. Если температура аккумуляторной батареи ниже, чем первое пороговое значение для обогрева и остаточный заряд аккумуляторной батареи больше чем пороговая величина заряда при движении, обогреватель аккумуляторов переводят на обогрев аккумуляторной батареи; отслеживая текущую скорость изменения силы тяги электромобиля в реальном времени, когда аккумуляторная батарея обогревается. Когда текущая скорость изменения силы тяги электромобиля достигает заданного порога скорости изменения силы тяги, обогрев аккумуляторной батареи обогревателем аккумуляторов прекращают, и если температура аккумуляторной батареи ниже, чем первое пороговое значение для обогрева и остаточный заряд аккумуляторной батареи ниже, чем пороговая величина заряда при движении показывают, что недопустимы обогрев или подача энергии аккумуляторной батарее и движение электромобиля,
В способе обогрева аккумуляторной батареи электромобиля согласно предлагаемому изобретению, аккумуляторная батарея может обогреваться без потребления энергии от какого-либо внешнего источника. Температура аккумуляторной батареи может быть повышена до необходимой величины, после чего аккумуляторная батарея может нормально заряжаться и разряжаться. Это может серьезно уменьшить ограничения на использование электромобиля при низких температурах, поскольку удовлетворяются требования к движению и зарядке при низких температурах. Более того, отслеживая скорость изменения силы тяги электромобиля и оценивая, не слишком ли высока выходная мощность аккумуляторной батареи, можно остановить обогрев аккумуляторной батареи, если ее выходная мощность слишком высока, и таким образом избежать чрезмерной разрядки аккумуляторной батареи. Это продляет срок службы аккумуляторной батареи, и улучшает динамические характеристики электромобиля.
Краткое описание чертежей
Описание возможных вариантов предлагаемого изобретения дается в обобщенных терминах со ссылками на сопровождающие чертежи, выполненные без соблюдения масштаба.
На Фиг. 1 показана схема силовой установки электромобиля согласно одному из вариантов изобретения;
Фиг. 2 показывает схему силовой установки электромобиля согласно другому варианту изобретения;
Фиг. 3 показывает вариант принципиальной электрической схемы силовой установки электромобиля согласно изобретению;
Фиг. 4 и 5 показывают возможные схемы электрических соединений силовой установки электромобиля согласно изобретению;
Фиг. 6 показывает схему электрической распределительной коробки в силовой установке электромобиля согласно изобретению;
Фиг. 7 показывает последовательность этапов способа обогрева аккумуляторной батареи электромобиля согласно изобретению;
Фиг. 8 показывает схему выполнения этапов способа обогрева аккумуляторной батареи электромобиля согласно одному из вариантов изобретения;
Фиг. 9 показывает схему выполнения этапов способа обогрева аккумуляторной батареи электромобиля согласно другому варианту изобретения;
Подробное описание
Детали изобретения будут раскрыты при описании конструктивных вариантов, проиллюстрированных на прилагаемых чертежах. Специалистам понятно, что заявленное изобретение может быть воплощено во многих разных формах, которые не должны рассматриваться как ограничивающие данное изобретение.
В описании соотносительные термины «продольный», «боковой», «нижний», «верхний», «передний», «задний», «правый», «левый», «горизонтальный», «вертикальный», «над», «под», «верх», «низ», «внутренний», «наружный», а также производные от них (например, «горизонтально», «вниз», «вверх» и т.д.) следует понимать как относящиеся к ориентации только при демонстрации на чертежах и пояснениях к ним. Соотносительные термины даются для удобства описания и не требуют, чтобы предлагаемое устройство было бы сконструировано или работало именно в такой ориентации.
В описании термины, относящиеся к прикреплению, сцеплению и т.п., такие как "соединенный" и "взаимосвязанный", относятся к связям, которые скрепляют или соединяют элементы между собой механическим или электрическим соединением, как напрямую, так и через промежуточные элементы, если иное не оговорено специально. Тот или иной смысл приведенных выше фраз и терминов будет понятен специалистам в каждом конкретном случае.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 в некоторых вариантах предлагаемого изобретения силовая установка электромобиля включает: аккумуляторную батарею 101, обогреватель 102 аккумуляторов, устройство 103 управления аккумуляторами, электрическую распределительную коробку 104, двигатель 105, контроллер 106 двигателя и разграничительный индуктор L2. Обогреватель 102 аккумуляторов соединен с аккумуляторной батареей 101 и выполняет функцию обогрева аккумуляторной батареи 101 при ее зарядке и разрядке. Устройство 103 управления аккумуляторами соединено с обогревателем 102 аккумуляторов и аккумуляторной батареей 101 посредством CAN шины 107 и соединено с аккумуляторной батареей 101 посредством проверочного кабеля 108 для замера температуры и напряжения каждого аккумулятора и выходного тока аккумуляторной батареи 101. Кроме того, устройство 103 управления аккумуляторами выполняет функцию оценки текущего состояния электромобиля, для расчета температуры и остаточного заряда аккумуляторной батареи 101, и посылает по CAN шине 107 управляющие сигналы соответствующим электрическим устройствам, приводя их в действие. В частности, устройство 103 управления аккумуляторами выполнено с возможностью переключения обогревателя 102 аккумуляторов на обогрев аккумуляторной батареи 101, когда температура аккумуляторной батареи 101 ниже, чем первый порог обогрева, а остаточный заряд аккумуляторной батареи 101 больше, чем пороговая величина заряда при движении, и с возможностью отслеживания текущей скорости изменения силы тяги электромобиля в реальном времени, и прекращения обогрева аккумуляторной батареи обогревателем аккумуляторов, когда текущая скорость изменения силы тяги электромобиля достигает заданного порога скорости изменения силы тяги. Устройство 103 управления аккумуляторами выполняет функцию перевода обогревателя 102 аккумуляторов на продолжение обогрева аккумуляторной батареи 101, когда текущая скорость изменения силы тяги ниже заданного порога скорости изменения силы тяги. Нужно понимать, что скорость изменения силы тяги определяется по изменению силы тяги за определенное время. Другими словами, водитель определяет, нужно ли переводить обогреватель 102 аккумуляторов на обогрев аккумуляторной батареи 101 в зависимости от изменения силы тяги за определенное время. Электрическая распределительная коробка 104 является высоковольтным устройством для включения и выключения больших токов. Выходное напряжение аккумуляторной батареи 101, распределяется устройством 103 управления аккумуляторами путем отправки управляющего сигнала на электрическую распределительную коробку 104. Контроллер 106 двигателя соединен с двигателем 105 и электрической распределительной коробкой 104 соответственно, и содержит первый входной терминал, второй входной терминал и пускозарядный конденсатор C2 подсоединенный между первым и вторым входными терминалами. Контроллер 106 двигателя выполняет функцию подачи энергии двигателю 105 согласно управляющей команде и напряжению, распределяемому к контроллеру 106 двигателя электрической распределительной коробкой 104. В частности, контроллер 106 двигателя преобразует постоянный ток из аккумуляторной батареи 101 в трехфазный переменный ток, потребляемый двигателем 105, для подачи энергии двигателю 105 по внешнему рабочему контуру контроллера 106 двигателя, и управляет двигателем 105 в соответствии с сигналами, посылаемыми устройством 103 управления аккумуляторами. Разграничительный индуктор L2 подсоединен между аккумуляторной батареей 101 и электрической распределительной коробкой 104, и индуктивность разграничительного индуктора L2 соответствует емкости пускозарядного конденсатора C2.
Режим обогрева при движении означает, что кроме аккумуляторной батареи 101 обогреваемой обогревателем 102 аккумуляторов, в электромобиле могут одновременно работать, хотя и с ограничениями, другие потребители высоковольтного напряжения, такие как двигатель и воздушный кондиционер. Соответственно, режим обогрева при стоянке означает, что, за исключением обогревателя 102 аккумуляторов, другие потребители электроэнергии в электромобиле, такие как двигатель и воздушный кондиционер, не работают. Пороговая величина заряда при движении является первой заданной величиной остаточного заряда аккумуляторной батареи, когда электромобиль может переходить в режим обогрева при движении. Пороговая величина заряда при стоянке является второй заданной величиной остаточного заряда аккумуляторной батареи, когда электромобиль может переходить в режим обогрева при стоянке.
В одном из вариантов изобретения обогреватель аккумуляторов 102 выполнен с возможностью проведения самотестирования на отказ и отправки результатов тестирования на устройство 103 управления аккумуляторами
Как показано на Фиг. 3, обогреватель 102 аккумуляторов включает первый блок 301 переключения, основной конденсатор C1, основной индуктор L1 и второй блок 302 переключения. Первый вывод первого блока 301 переключения соединен с одной клеммой аккумуляторной батареи 101 и разграничительным индуктором L2 соответственно. Первый вывод основного конденсатора C1 соединен со вторым выводом первого блока 301 переключения, а второй вывод основного конденсатора C1 соединен со второй клеммой аккумуляторной батареи 101. Первый вывод основного индуктора L1 соединен с узлом между первым блоком 301 переключения и основным конденсатором C1. Первый вывод второго блока 302 переключения соединен со вторым выводом основного индуктора L1, а второй вывод второго блока 302 переключения соединен со второй клеммой аккумуляторной батареи 101. Управляющий вывод первого блока 301 переключения и управляющий вывод второго блока 302 переключения соединены с устройством 103 управления аккумуляторами. Устройство 103 управления аккумуляторами посылает сигнал на обогрев управляющему выводу первого блока 301 переключения и управляющему выводу второго блока 302 переключения, чтобы, в свою очередь, переключить эти блоки на выработку тока зарядки и тока разрядки. Когда первый блок 301 переключения включен, то второй блок 302 переключения выключен, а когда второй блок 302 переключения включен, то выключен первый блок 301 переключения.
На Фиг. 3 буквами ESR обозначен эквивалентный резистор аккумуляторной батареи 101, буквами ESL - эквивалентный индуктор аккумуляторной батареи 101, и Ε - комплекс аккумуляторов. L2 - разграничительный индуктор, выполняющий функцию разграничения контура (Part 2) и контура (Part 5) эквивалентной нагрузки двигателя. Поэтому обратное напряжение аккумуляторной батареи 101 поглощается разграничительным индуктором L2 и не может использоваться для дополнительной нагрузки. C2 - пускозарядный конденсатор; a R - эквивалентная нагрузка двигателя. Когда обогреватель аккумуляторов работает, его внутренний блок переключения включается или выключается с определенной последовательностью.
На Фиг. 3 согласно одному из вариантов изобретения, блок переключения (например, первый блок 301 переключения или второй блок 302 переключения) может представлять собой биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). Когда обогреватель аккумуляторов начинает работу, внутренние элементы обогревателя аккумуляторов, такие как индуктор, конденсатор, находятся в исходном состоянии и не несут какой-либо энергии. Обогреватель аккумуляторов работает следующим образом. Когда IGBT1 включен, а IGBT2 выключен, комплекс аккумуляторов Ε заряжает основной конденсатор C1 по замкнутой цепи зарядки "E-ESR-ESL-D1-C1-E". После того, как комплекс аккумуляторов Ε заряжает основной конденсатор C1 в течение некоторого времени, напряжение основного конденсатора C1 становится равным напряжению комплекса аккумуляторов Е. Но из-за того, что в цепи есть индуктивный элемент, основной конденсатор C1 продолжает заряжаться так, что напряжение основного конденсатора C1 становится выше, чем напряжение комплекса аккумуляторов. Когда ток зарядки равен нулю, основной конденсатор C1 начинает разряжаться через замкнутую цепь "C1-D1-ESL-ESR-E-C1" до тех пор, пока ток разрядки не станет равным нулю. Когда IGBT1 выключен, a IGBT2 включен, основной конденсатор C1 продолжает разряжаться по замкнутой цепи "C1-D2-L1-IGBT2-C1". Из-за наличия основного индуктора L1, основной конденсатор C1 продолжает разряжаться, так что напряжение основного конденсатора C1 становится меньше, чем напряжение комплекса аккумуляторов Е. Вышеописанный процесс, таким образом, повторяется.
В одном из вариантов предлагаемого изобретения разграничительный индуктор L2 может предотвращать зарядку основного конденсатора C1 от пускозарядного конденсатора C2 через первый блок 301 переключения, так что форма сигнала от основного конденсатора C1 может регулироваться и таким образом можно управлять характеристиками контура обогрева. Следовательно, контур может работать нормально. В результате разграничительный индуктор L2 может потребоваться, когда двигатель 105 и обогреватель 102 аккумуляторов работают одновременно.
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><mi>L</mi><mi>C</mi></mrow></msqrt></mrow>
Индуктивность L разграничительного индуктора L2 может быть определена по формуле
, где Т - эквивалентная нагрузка рабочего цикла двигателя 105 и С - емкость пускозарядного конденсатора C2. Обогревателю 102 аккумуляторов необходимо управлять IGBT модулем и включать/выключать первый блок 301 переключения или второй блок 302 переключения. Принимая рабочую частоту первого блока 301 переключения или второго блока 302 переключения равной t, для того, чтобы уменьшить воздействие обогревателя 102 аккумуляторов на контроллер 106 двигателя, можно считать, что цикл контура, состоящего из разграничительного индуктора L2 и пускозарядного конденсатора C2, равен Т. В одном из вариантов, Τ>10t, что соответствует проектным требованиям. Поэтому используемое здесь выражение "Т - цикл эквивалентной рабочей нагрузки двигателя 105" означает, что Τ - это цикл контура, содержащего разграничительный индуктор L2 и пускозарядный конденсатор C2.
В одном из вариантов обогреватель 102 аккумуляторов содержит силовой коннектор, соединяющий и прикрепляющий силовой кабель 109. Силовой коннектор должен быть защищен от вихревых токов. Когда обогреватель 102 аккумуляторов работает, частота тока меняется очень быстро, что приводит к очень быстрому повышению температуры магнитного материала в силовом коннекторе, в связи с чем магнитная проницаемость силового коннектора должна быть низкой. В одном из вариантов предлагаемого изобретения, обогреватель 102 аккумуляторов содержит низковольтный коннектор, который соединен и сообщается с внешними системами. Низковольтный коннектор включает CAN шину 107, соединенную с устройством 103 управления аккумуляторами, кабелем самопроверки и кабелем сигнала отказа.
На Фиг. 2 и Фиг. 4 в одном из вариантов предлагаемого изобретения, разграничительный индуктор L2 помещен в обогреватель 102 аккумуляторов. Плавкий предохранитель 401 также помещен в обогреватель 102 аккумуляторов. Как показано на Фиг. 4, обогреватель 102 аккумуляторов включает разграничительный индуктор L2, плавкий предохранитель 401 и источник энергии для обогревателя 102 аккумуляторов. Обогреватель 102 аккумуляторов включает четыре силовых разъема, два из которых соединены с аккумуляторной батареей 101 посредством силового кабеля 109, а два других соединены силовым кабелем 109 с электрической распределительной коробкой 104. В одном из вариантов предлагаемого изобретения, силовые коннекторы используются на обоих концах высоковольтного кабеля.
В одном из вариантов разграничительный индуктор L2 помещен в обогреватель 102 аккумуляторов, и когда аккумуляторную батарею 101 не требуется обогревать, обогреватель 102 аккумуляторов может быть удален, так что электрическая распределительная коробка 104 может соединяться непосредственно с аккумуляторной батареей 101. Электромобилю в жарких районах не нужны какие-либо обогреватели аккумуляторов, но они необходимы в зонах с холодным климатом. Поэтому, если электромобиль должен быть адаптирован к разным зонам, доработка может быть небольшой, что значительно снижает затраты.
На Фиг. 1 и Фиг. 5 в одном из вариантов предлагаемого изобретения разграничительный индуктор L2 может быть помещен в электрическую распределительную коробку 104. Независимо от того, помещен ли разграничительный индуктор L2 в обогреватель 102 аккумуляторов или в электрическую распределительную коробку 104, разграничительный индуктор L2 расположен между аккумуляторной батареей 101 и электрической распределительной коробкой 104. На Фиг. 1, электрическая распределительная коробка 104 не соединена с обогревателем 102 аккумуляторов напрямую. Аккумуляторная батарея 101 включает четыре силовых разъема, два из которых соединены с обогревателем 102 аккумуляторов посредством двух силовых кабелей 109, а два других соединены с электрической распределительной коробкой 104 двумя другими силовыми кабелями 109. В этом варианте силовая установка электромобиля содержит реле 501 с функцией выбора соединения или разъединения разграничительного индуктора L2 с контуром, как показано на Фиг. 5. Обогреватель 102 аккумуляторов соединен параллельно с электрической распределительной коробкой 104. Плавкий предохранитель 401 вмонтирован в аккумуляторную батарею 101.
Разграничительный индуктор L2 помещен в электрическую распределительную коробку 104 так, что влияние на электрическую распределительную коробку 104 со стороны обогревателя 102 аккумуляторов может быть заметно снижено. Более того, когда обогреватель 102 аккумуляторов работает, разграничительный индуктор L2 может быть соединен с контуром с помощью реле 501, и когда обогреватель 102 аккумуляторов прекращает работу, разграничительный индуктор L2 может быть отсоединен от контура с помощью реле 501.
Как показано на Фиг. 1-3, силовая установка электромобиля может включать охлаждающий агрегат 110, выполняющий функцию охлаждения первого блока 301 переключения и второго блока 302 переключения.
Охлаждающий агрегат 110 может включать канал продувки, встроенный в обогреватель 102 аккумуляторов, и вентилятор, установленный на одном конце канала продувки. Вентилятор применяют для рассеивания тепла для обогревателя 102 аккумуляторов.
В другом варианте охлаждающий агрегат 110 может содержать канал охладителя, встроенный в обогреватель 102 аккумуляторов, причем вход и выход охладителя соответственно расположены в обогревателе 102 аккумуляторов. Эффективность рассеивания тепла и выполнение уплотнения обогревателя аккумуляторов можно улучшить, используя охлаждение обогревателя аккумуляторов.
На Фиг. 6 электрическая распределительная коробка 104 включает: первичный контактор 601 и пускозарядный контактор 602. Первичный контактор 601 распределяет выходное напряжение аккумуляторной батареи 101 по энергопотребляющим устройствам, в частности к двигателю 105 электромобиля. Пускозарядный контактор 602 соединен с первым входным терминалом 603 или со вторым входным терминалом 604 контроллера 106 двигателя, и выполняет функцию зарядки пускозарядного конденсатора C2 под контролем устройства 103 управления аккумуляторами перед тем, как контроллер 106 двигателя запустит двигатель 105.
Согласно изобретению устройство 103 управления аккумуляторами может выполнять функцию оценки, достигла ли текущая скорость изменения силы тяги электромобиля заданного порога скорости изменения силы тяги, и заставляет обогреватель аккумуляторов остановить обогрев аккумуляторной батареи, когда текущая скорость изменения силы тяги достигла заданного порога скорости изменения силы тяги. В это время аккумуляторная батарея только снабжает энергией энергопотребляющее оборудование электромобиля и обеспечивает движение электромобиля. Понятно, что скорость изменения силы тяги определяется в соответствии с изменением величины силы тяги в некоторый период времени, т.е. водитель определяет, будет ли производиться управление обогревом аккумуляторной батареи в соответствии с изменением силы тяги в определенный период времени. В одном из вариантов изобретения, если текущая скорость изменения силы тяги остается ниже заданного порога скорости изменения силы тяги, например, если электромобиль закончил движение на подъем или перестал резко ускоряться, устройство управления аккумуляторами переключает обогреватель аккумуляторов на продолжение обогрева аккумуляторной батареи; а, если электромобиль не закончил подъем или не перестал резко ускоряться, то устройство управления аккумуляторами дает команду обогревателю аккумуляторов остановить обогрев аккумуляторной батареи, и аккумуляторная батарея дает энергию только энергопотребляющему оборудованию электромобиля и для движения электромобиля.
С силовой установкой электромобиля согласно предлагаемому изобретению, используя разряд большого тока аккумуляторной батареи электромобиля, можно нагревать внутренний резистор аккумуляторной батареи и саму аккумуляторную батарею. Без какого-либо внешнего источника энергии электричество для обогрева полностью поставляется аккумуляторной батареей. Управление обогревом аккумуляторной батареи может проводиться устройством управления аккумуляторами и обогревателем аккумуляторов, что может значительно снизить ограничения на использование электромобиля при низких температурах и соответствовать требованиям для движения и зарядки при низких температурах, то есть, аккумуляторную батарею можно обогревать при движении электромобиля с ограниченной мощностью. Более того, силовая установка электромобиля обогревает аккумуляторную батарею непосредственно, и, следовательно, могут достигаться более высокая эффективность обогрева, уменьшаться затраты и повышаться удобство использования.
Еще одним объектом предлагаемого изобретения является устройство электромобиля. Электромобиль включает упомянутую выше силовую установку. Электромобиль может двигаться при низких окружающих температурах, если при этом обогревается аккумуляторная батарея, что обеспечивает надежное и устойчивое движение.
Далее со ссылками на Фиг. 7-9 подробно описывается способ обогрева аккумуляторной батареи электромобиля. На Фиг. 7-9 конкретные величины (такие как, например, -10°C) являются только иллюстративными для объяснения различных пороговых значений (таких как первый порог нагревания), но не ограничивают объем предлагаемого изобретения. Величины различных пороговых значений могут меняться в зависимости от конкретных условий, что очевидно специалистам. Более того, исполнительные команды на этапах, представленных на Фиг. 7-11, являются только примерными и иллюстративными, но не ограничивают объем предлагаемого изобретения. Исполнительная команда на выполнение этапов может меняться в зависимости от конкретных условий, что также очевидно специалистам.
На Фиг. 7 представлен способ обогрева аккумуляторной батареи электромобиля. Способ включает следующие этапы.
На этапе S701 определяют температуру и остаточный заряд аккумуляторной батареи.
На этапе S702, если температура аккумуляторной батареи ниже, чем первый порог нагревания, а остаточный заряд аккумуляторной батареи выше, чем пороговая величина заряда при движении, обогреватель аккумуляторов переключают на обогрев аккумуляторной батареи.
На этапе S703, когда аккумуляторная батарея обогревается, текущую скорость изменения силы тяги электромобиля отслеживают в реальном времени.
На этапе S704, когда текущая скорость изменения силы тяги электромобиля достигает заданного порога скорости изменения силы тяги, обогреватель аккумуляторов прекращает обогрев аккумуляторной батареи.
На этапе S705, если температура аккумуляторной батареи ниже, чем первый порог нагревания, и остаточный заряд аккумуляторной батареи ниже, чем пороговая величина заряда при стоянке, аккумуляторной батарее не допускается производить обогрев или зарядку аккумуляторной батареи и движение электромобиля.
Согласно варианту предлагаемого изобретения, показанному на Фиг. 8, способ обогрева аккумуляторной батареи электромобиля может включать следующие этапы.
На этапе S801 включают питание электромобиля.
На этапе S802 определяют температуру аккумуляторной батареи.
На этапе S803 оценивают, находится ли температура аккумуляторной батареи ниже первого порога обогрева. Если нет, то обогрев аккумуляторной батареи не требуется, и возвращаются к этапу S802; если да, то необходимо определить остаточный заряд аккумуляторной батареи, и переходят к этапу S804.
На этапе S804 оценивают, превышает ли остаточный заряд аккумуляторной батареи пороговую величину заряда для движения. Если да, то переходят к этапу S806; а если нет, то переходят к этапу S805.
На этапе S805 устройство управления аккумуляторами посылает на приборную панель команду показать предупреждение о том, что остаточный заряд аккумуляторной батареи слишком низок, и электромобиль не может обогреваться, двигаться или питаться энергией.
На этапе S806 обогреватель аккумуляторов проводит самотестирование на наличие отказа в работе, если отказ есть, то переходят к этапу S807, а если нет, то переходят к этапу S808.
На этапе S807 электромобиль не может обогреваться, двигаться или питаться энергией.
На этапе S808 обогреватель аккумуляторов греет аккумуляторную батарею, и во время обогрева одновременно выполняют этап S812.
На этапе S809 устройство управления аккумуляторами оценивает, достигла ли текущая скорость изменения силы тяги электромобиля заданного порога скорости изменения силы тяги согласно переданному сигналу о силе тяги. Если да, то переходят к этапу S810; а если нет, то переходят к этапу S812.
На этапе S810 обогреватель аккумуляторов останавливает работу и аккумуляторная батарея снабжает энергией только энергопотребляющее оборудование электромобиля и его двигатель.
На этапе S811 оценивают, закончил ли электромобиль движение на подъем или перестал резко ускоряться, если да, то переходят к этапу S808; а если нет, то переходят к этапу S810. Другими словами, если текущая скорость изменения силы тяги электромобиля ниже, чем заданный порог скорости изменения силы тяги, например, если электромобиль закончил движение на подъем или перестал резко ускоряться, устройство управления аккумуляторами дает команду обогревателю аккумуляторов продолжить обогрев аккумуляторной батареи.
На этапе S812 до обогрева обогреватель аккумуляторов проводит самотестирование на наличие отказа в работе, если отказ есть, то переходят к этапу S813, а если нет, то переходят к этапу S814.
На этапе S813 электромобиль не может обогреваться, двигаться или питаться энергией.
На этапе S814 оценивают, окончен ли обогрев, если да, то переходят к этапу S815, а если нет, то переходят к этапу S808.
На этапе S815 посылается CAN сигнал обогревателю аккумуляторов на прекращение обогрева аккумуляторной батареи.
В варианте, показанном на Фиг. 8, первое пороговое значение температуры для обогрева может составлять -10°C, и пороговая величина заряда может составлять 30% от полной емкости аккумуляторной батареи.
В другом варианте изобретения, представленном на Фиг. 9, способ обогрева аккумуляторной батареи электромобиля может включать следующие этапы.
На этапе S901 включают питание электромобиля.
На этапе S902 определяют температуру и остаточный заряд аккумуляторной батареи.
На этапе S903 оценивают, остается ли температура аккумуляторной батареи ниже, чем первый порог нагрева, если да, то переходят к этапу S905, а если нет, то переходят к этапу S904.
На этапе S904 устройство управления аккумуляторами включает пускозарядный контактор, и после окончания предварительной зарядки включает первичный контактор. Электромобиль движется нормально. В частности, устройство управления аккумуляторами включает пускозарядный контактор в электрической распределительной коробке для зарядки пускозарядного конденсатора и выключает пускозарядный контактор после того, как предварительная зарядка закончена.
На этапе S905 определяют, превышает ли остаточный заряд аккумуляторной батареи пороговый заряд для движения. Если да, то переходят к этапу S907; а если нет, то переходят к этапу S906.
На этапе S906 устройство управления аккумуляторами посылает на приборную панель команду высветить информацию о том, остаточный заряд аккумуляторной батареи слишком низок для того, чтобы электромобиль мог обогреваться, двигаться или заряжаться.
На этапе S907 пользователь подтверждает необходимость обогрева аккумуляторной батареи. Если да, то переходят к этапу S909, а если нет, то переходят к этапу S908.
На этапе S908 устройство управления аккумуляторами посылает команду на приборную панель для высвечивания информации, что электромобиль не может обогреваться, двигаться или заряжаться.
На этапе S909 обогреватель аккумуляторов выполняет самотестирование на наличие отказа в работе. Если отказ есть, то переходят к этапу S910, а если нет, то переходят к этапу S911.
На этапе S910 устройство управления аккумуляторами прекращает подачу энергии и отправку сообщений обогревателю аккумуляторов, и посылает сообщение на приборную панель для высвечивания информации, что выявлен отказ в работе обогревателя аккумуляторов, так что электромобиль не может обогреваться, двигаться или заряжаться.
На этапе S911 устройство управления аккумуляторами посылает сигнал обогревателю аккумуляторов на обогрев аккумуляторной батареи
На этапе S912 устройство управления аккумуляторами включает пускозарядный контактор и, после окончания предварительной зарядки, включает первичный контактор, и далее аккумуляторная батарея обогревается, в то время, как обогреватель аккумуляторов продолжает выполнять самотестирование. В частности, устройство управления аккумуляторами рассчитывает текущую температуру и фактический остаточный заряд аккумуляторной батареи, рассчитывает максимальную выходную мощность аккумуляторной батареи согласно текущей температуре и фактическому остаточному заряду аккумуляторной батареи, и приводит электромобиль в движение с ограниченной мощностью относительно максимальной выходной мощности.
На этапе S913 устройство управления аккумуляторами оценивает, достигла ли скорость изменения силы тяги электромобиля заданного порога скорости изменения силы тяги согласно сообщению о силе тяги, если да, то переходят к этапу S914, а если нет, то переходят к этапу S916.
На этапе S914 обогреватель аккумуляторов останавливает работу, и аккумуляторная батарея подает энергию только для движения электромобиля и для питания его энергопотребляющего оборудования.
На этапе S9156 определяют, закончилось ли движение на подъем или резкое ускорение, если да, то переходят к этапу S912, а если нет, то переходят к этапу S914.
На этапе S916 оценивает, нажата ли кнопка обогрева и удерживается ли в течение заданного времени. Если да, то переходят к этапу S917, а если нет, то переходят к этапу S918. В одном из вариантов заданное время может составлять 2 секунды.
На этапе S917 устройство управления аккумуляторами посылает сообщение на табло приборной панели, что пользователь остановил обогрев, так что электромобиль не может обогреваться, двигаться или питаться энергией.
На этапе S918 проверяют, нет ли отказа в работе обогревателя аккумуляторов. Если отказ есть, то переходят к этапу S919, а если нет, то переходят к этапу S920.
На этапе S919 обогреватель аккумуляторов прекращает работу и на приборной панели появляется предупреждение о том, что электромобиль не может обогреваться, двигаться или питаться энергией.
На этапе S920 определяют, находится ли температура аккумуляторной батареи выше первого порога нагрева, если да, то переходят к этапу S923, а если нет, то переходят к этапу S921.
На этапе S921 определяют, находится ли температура любого отдельного аккумулятора в батарее выше второго порога нагрева, если да, то переходят к этапу S923, а если нет, то переходят к этапу S922.
На этапе S922 определяют, превышает ли непрерывное время нагрева пороговое время нагрева, если да, то переходят к этапу S923, а если нет, то переходят к этапу S912.
На этапе S923 нагревание заканчивается, и обогреватель аккумуляторов прекращает работу.
В одном из вариантов изобретения первый порог нагрева может составлять -10°C, второй порог нагрева может составлять 20°C, и пороговая продолжительность нагрева может составлять 20 минут.
В некоторых вариантах, когда электромобиль подключен к энергопитанию, устройство управления аккумуляторами определяет температуру аккумуляторной батареи и состояние первичного контактора. Температура аккумуляторной батареи - это средняя температура для всех отдельных аккумуляторов в батарее. Устройство управления аккумуляторами замеряет температуру каждого отдельного аккумулятора в аккумуляторной батарее через коллектор информации и рассчитывает температуру аккумуляторной батареи. Если температура аккумуляторной батареи ниже, чем первая температура обогрева, и остаточный заряд аккумуляторной батареи больше, чем пороговая величина заряда при стоянке, пользователь нажимает и удерживает кнопку обогрева в течение 2 секунд, после чего устройство управления аккумуляторами посылает сообщение на обогреватель аккумуляторов через CAN шину, разрешая обогрев аккумуляторной батареи. Перед обогревом аккумуляторной батареи в режиме обогрева при движении, то есть, до запуска двигателя, устройство управления аккумуляторами посылает управляющий сигнал на электрическую распределительную коробку для включения пускозарядного контактора, и аккумуляторная батарея заряжает пускозарядный конденсатор C2. Когда напряжение пускозарядного конденсатора C2 становится равным с напряжением аккумуляторной батареи, двигатель можно запускать.
В одном из вариантов изобретения кнопка обогрева находится на измерительном устройстве. При условии, что температура аккумуляторной батареи ниже, чем первый порог нагрева и остаточный заряд аккумуляторной батареи больше, чем пороговая величина заряда при стоянке, когда кнопка обогрева нажата, обогреватель аккумуляторов может работать. Если кнопка обогрева нажата повторно и удерживается 2 секунды, обогреватель аккумуляторов принудительно останавливает работу.
Первичный контактор размещен в электрической распределительной коробке и выполняет функцию соединения или разъединения контроллера двигателя с источником энергии. Когда остаточный заряд аккумуляторной батареи больше, чем пороговая величина заряда для движения, устройство управления аккумуляторами посылает управляющий сигнал на электрическую распределительную коробку для включения первичного контактора, и двигатель можно запускать. Контроллер двигателя через управляющую схему преобразует постоянный ток в трехфазный переменный, потребляемый двигателем, для подачи энергии двигателю, позволяя электромобилю двигаться с ограниченной мощностью.
Пускозарядный контактор также размещен в электрической распределительной коробке и соединен с пускозарядным конденсатором C2 последовательно. В частности, пускозарядный конденсатор C2 заряжают перед запуском двигателя. Причины могут быть следующими. С одной стороны предварительная зарядка дает возможность избежать скачка тока а также избежать залипания контактов, вызванного включением первичного контактора. Ограничивающий ток резистор подсоединен последовательно между пускозарядным конденсатором и пускозарядным контактором. Когда предварительная зарядка окончена, устройство управления аккумуляторами включает первичный контактор, а затем выключает пускозарядный контактор. С другой стороны, поскольку ток больше в момент пуска двигателя, напряжение аккумуляторной батареи снижается. Поэтому сначала заряжается пускозарядный конденсатор C2 до тех пор, пока его напряжение не сравняется с напряжением аккумуляторной батареи, а затем запускается двигатель. Так как напряжение пускозарядного конденсатора не может измениться внезапно, путем соединения пускозарядного конденсатора и двигателя параллельно, влияние запуска двигателя на напряжение аккумуляторной батареи может быть уменьшено.
Когда обогреватель аккумуляторов получает сигнал на обогрев, отправленный устройством управления аккумуляторами, обогреватель выполняет самотестирование на наличие отказа в работе обогревателя аккумуляторов. В одном варианте предлагаемого изобретения обогреватель аккумуляторов посылает одиночный импульс 0,5 мс для проверки наличия отказа в работе обогревателя аккумуляторов. Если никакого отказа нет, обогреватель аккумуляторов посылает управляющий импульс (например, с периодом 20 мс и коэффициентом заполнения 20%) на внутренний модуль переключения чтобы коротко замкнуть аккумуляторную батарею на короткое время. Так достигается цель обогрева. В то же время обогреватель аккумуляторов посылает CAN сигнал на приборную панель, которая после получения CAN сигнала выводит на табло информацию "аккумуляторная батарея обогревается".
Когда аккумуляторная батарея обогревается, устройство управления аккумуляторами и обогреватель аккумуляторов продолжают следить за состоянием аккумуляторной батареи. Если температура аккумуляторной батареи выше, чем первый порог обогрева, или время непрерывного нагрева больше, чем пороговое время обогрева, или максимальная температура отдельного аккумулятора в аккумуляторной батареи выше, чем второй порог обогрева, обогреватель аккумуляторов прекращает посылать управляющий импульс на внутренний модуль переключения для того, чтобы остановить обогрев аккумуляторной батареи. Обогреватель аккумуляторов посылает CAN сигнал на приборную панель, которая после получения CAN сигнала выводит на табло информацию "обогрев закончен". Процесс обогрева закончен. В одном из вариантов изобретения второй порог обогрева может составлять 20°C, и пороговое время обогрева может составлять 20 минут. Предпочтительно, для того, чтобы в процессе обогрева избежать повторного запуска процедуры обогрева, если измеренная температура аккумуляторной батареи выше, чем первый порог обогрева на 5°C, обогрев аккумуляторной батареи прекращается.
Если температура аккумуляторной батареи выше, чем первый порог обогрева, устройство управления аккумуляторами работает нормально. Если температура аккумуляторной батареи ниже, чем первый порог обогрева, и остаточный заряд аккумуляторной батареи меньше, чем пороговая величина заряда при стоянке, первичный контактор не включается и устройство управления аккумуляторами посылает CAN сигнал на аккумуляторную батарею и приборную панель, что аккумуляторная батарея не может обогреваться. Когда приборная панель получает CAN сигнал, она выводит на табло информацию "остаточный заряд аккумуляторной батареи недостаточен" для обогрева, движения или зарядки электромобиля.
Если отказ обогревателя аккумуляторов, включая защиту от недостаточного напряжения, защиту от избыточного напряжения, защиту от перегрева, защиту интервала ширины импульса или защиту максимального времени включения, происходит при самотестировании, обогрев аккумуляторной батареи не разрешен. Обогреватель аккумуляторов посылает сигнал об отказе. Приборная панель, получив сигнал об отказе, выводит на табло информацию "отказ обогревателя аккумуляторов". Обогрев не разрешается.
Если отказ обогревателя аккумуляторов, включая защиту от недостаточного напряжения, защиту от избыточного напряжения, защиту от перегрева, защиту интервала ширины импульса или защиту максимального времени включения, происходит в процессе обогрева, обогреватель аккумуляторов прекращает обогрев аккумуляторной батареи и посылает сигнал об отказе. Приборная панель, получив сигнал об отказе, выводит на табло информацию "отказ обогревателя аккумуляторов". Обогрев прерывается.
В некоторых вариантах предлагаемого изобретения обогреватель аккумуляторов содержит защитный контур для предотвращения вышеупомянутых отказов. Защитный контур подробно описывается ниже.
(1) Когда поступает сигнал отказа, IGBT в обогревателе аккумуляторов выключается. ERROR вывод (отказа) защитного контура находится на низком уровне, сигнал отказа выходит через оптрон, и таким образом ERROUT вывод (выходного сигнала отказа) находится на низком уровне. Для разблокировки состояния защиты, PWM (модуляция ширины импульса) волна должна поддерживаться на высоком уровне в течение 2 секунд, после чего сигнал отказа сбрасывается, и защитный контур возвращается к нормальному состоянию. Если сигнал отказа не может быть сброшен с помощью PWM волны в течение 2 секунд, в защитном контуре проявляется постоянная ошибка, так что защитный контур не может работать нормально.
(2) Для гарантии нормальной работы модуля разрядки IGBT, частота импульса, посылаемого DSP (процессором цифрового сигнала) может быть не слишком высокой, и продолжительность импульса может быть недостаточной. Например, максимальное время импульса может составлять 5 мс, а минимальный интервал может составлять 7-10 мс, или, в противном случае, будет выдаваться сигнал отказа.
(3) В одном варианте предлагаемого изобретения для приведения в действие IGBT используют подвод питания с DC-DC развязкой. Положительное напряжение смещения для электрода затвора IGBT может составлять +15 В, и отрицательное напряжение смещения для электрода затвора IGBT может составлять -7 В. Отрицательное напряжение смещения для электрода затвора IGBT может быстро выключать IGBT, избегая несрабатывания при включении IGBT из-за слишком большого тока перегрузки.
(4) В одном варианте предлагаемого изобретения, защитный контур включает контур защиты от недостаточного напряжения, который может предотвращать повышение энергопотребления IGBT, вызываемое недостаточным для движения напряжением. Когда напряжение для движения снижается до первого порога напряжения, начинает работать контур защиты от недостаточного напряжения. В одном из вариантов изобретения первый порог напряжения может составлять 9 В.
(5) Контур защиты от перегрева помогает избежать повреждения IGBT, вызываемого высокой температурой. Защитный контур отслеживает температуру помощью термистора. Когда температура IGBT выше, чем  порог безопасной температуры, начинает работать контур защиты от перегрева. Защитный контур также может устанавливать наличие разрыва в цепи термистора. Когда цепь термистора не замкнута, эквивалентное полное сопротивление равно бесконечности, и выдается сигнал защиты. В одном из вариантов изобретения порог безопасной температуры может составлять 85°C.
(6) Поскольку в замкнутой цепи разрядки имеется большая индуктивность, то, когда IGBT выключен, на терминале коллектора IGBT может возбуждаться избыточное напряжение. Поэтому между терминалом коллектора и терминалом эмиттера IGBT подсоединен параллельно высоковольтный конденсатор. Контур защиты от избыточного напряжения помогает избежать повреждения IGBT, вызываемого избыточным напряжением на терминале коллектора в момент выключения IGBT. Когда напряжение на терминале коллектора превышает второй порог напряжения, будет выдаваться сигнал отказа. В одном из вариантов изобретения второй порог напряжения может составлять 800 В.
Во время процесса обогрева аккумуляторной батареи, если пользователь неожиданно нажимает и удерживает кнопку обогрева в течение 2 секунд, обогреватель аккумуляторов прекращает обогрев аккумуляторной батареи, так что аккумуляторной батареи не разрешается зарядка, а электромобилю не разрешается движение.
Используя способ обогрева аккумуляторной батареи в силовой установке электромобиля согласно вариантам предлагаемого изобретения, аккумуляторную батарею электромобиля можно обогревать без использования энергии от внешних источников. Аккумуляторная батарея подогревается до необходимой температуры, после чего может нормально заряжаться или разряжаться. Так ограничения на пользование электромобилем при низких температурах могут быть серьезно уменьшены и требования к движению и зарядке при низких температурах могут удовлетворяться. Более того, отслеживая скорость изменения силы тяги электромобиля и оценивая, не слишком ли высока выходная мощность аккумуляторной батареи, можно остановить обогрев аккумуляторной батареи, если ее выходная мощность слишком высока, и таким образом избежать чрезмерной разрядки аккумуляторной батареи. Это продляет срок службы аккумуляторной батареи и улучшает динамические характеристики электромобиля.
В представленном описании сущность изобретения изложена в виде поясняющих примеров. Однако специалисту будет очевидно, что в конструктивных вариантах, не отклоняясь от духа и смысла изобретения, могут присутствовать и другие варианты, определяемые формулой изобретения. Описание и чертежи являются только иллюстративными, но не ограничивающими.