МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ ДЛЯ ПОДКЛЮЧАЕМЫХ ГИБРИДНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Заявленное техническое решение относится к области машиностроения, автомобилестроения и средств, использующих электрическую энергию для самодвижения, приведения в движение механизмов, входящих в состав средств, освещения, отопления и прочего преобразования электрической в другие виды энергии и производства работ.
Из уровня техники известны гибридные транспортные средства, которые состоят наряду с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) из одного или нескольких других типов двигателей и источников энергии для них. Наиболее характерным примером в этой области являются бензино-электрические или дизель-электрические транспортные средства, обобщенно называемые «гибридами». В состав гибридов помимо ДВС и топливного бака с углеводородным топливом входят еще один или несколько электромоторов и тяговая аккумуляторная батарея (ТАКБ) для их питания.
Примером такого устройства может служить раздельный гибридный привод для легкового автомобиля (заявка на изобретение RU 2010149090 А). В состав гибридных транспортных средств также входит и стартерная аккумуляторная батарея, емкость которой пренебрежимо мала по сравнению с тяговой батареей. Поэтому саму стартерную батарею и энергию, запасаемую в ней, мы полностью исключаем из рассмотрения в контексте данного технического средства. В таких классических гибридах заряд ТАКБ производится от мотор-генератора, вращаемого либо ДВС, либо колесами самого транспортного средства при движении накатом или торможении (рекуперация). Гибридные транспортные средства существенно снижают расход углеводородного топлива и вредные выбросы в атмосферу за счет рекуперации и выключения ДВС на время, когда потребность в энергии ДВС отсутствует (движение накатом, торможение, временные остановки).
Недостатками данного технического решения являются невозможность заряда ТАКБ от внешних источников электроэнергии и, следовательно, ограниченное время работы всего транспортного средства с использованием только электрической энергии, т.е. без сжигания углеводородного топлива в ДВС. Конструкцией гибридов принципиально не предусмотрено отключение ТАКБ на длительное время при работе транспортного средства. Это ограничение конструкции объясняется тем, что ТАКБ постоянно принимает участие в работе основных систем транспортного средства, и ее отключение нарушило бы работу многих из этих систем. Таким образом, сравнительно малая емкость ТАКБ и невозможность ее временного отключения при движении не позволяют управлять тем, где и когда электрическая энергия, запасенная в ТАКБ, будет использована. Еще одним недостатком конструкции гидридов является невозможность быстрого и простого отсоединения ТАКБ, для замены разряженной батареи на такую же с более высокой степенью заряда, замены старой ТАКБ на батарею более новой конструкции, обладающую меньшим весом, большей емкостью, большей мощностью, и т.д.
Наиболее близкими к заявленному техническому решению являются так называемые подключаемые гибриды. Принципиальная конструкция подключаемых гибридов практически полностью повторяет обычные гибриды, с той лишь разницей, что ТАКБ подключаемых гибридов имеет большую емкость и оборудована зарядным устройством, что позволяет заряжать ТАКБ от внешнего источника электроэнергии, например от бытовой розетки, или специальной зарядной станции. Повышение емкости ТАКБ и наличие возможности ее зарядки от внешних источников существенно повышает пробег подключаемого гибрида исключительно на электротяге без использования ДВС. Это еще больше снижает количество вредных выбросов по сравнению с обычными транспортными средствами и гибридами. Примером такого технического решения может служить подключаемое гибридное транспортное средство с системой оптимизации V2G (Патент US 7928693).
К недостаткам данного технического решения по-прежнему можно отнести невозможность временного отключения ТАКБ во время движения с целью сохранения ее заряда для более позднего использования, а также невозможность быстрого снятия и замены ТАКБ.
Целью разработки заявляемого технического решения является построение новых транспортных средств, расходующих существенно меньше топлива, чем промышленно выпускаемые гибриды, обеспечивающих движение без вредных выбросов и с пониженным уровнем шума в жилых зонах, парках протяженностью несколько десятков километров и более.
Задача предлагаемой полезной модели состоит в обеспечении полного контроля за расходом электроэнергии, запасенной в аккумуляторных батареях, возможности быстрого снятия аккумуляторных батарей с целью замены разряженных на более заряженные, старых на более новые на обычных транспортных средствах с ДВС, гибридах и подключаемых гибридах.
Данная задача решается за счет того, что заявленная полезная модель представляет собой многокомпонентную аккумуляторную батарею для подключаемых гибридных и электрических транспортных средств. Многокомпонентная аккумуляторная батарея состоит из нескольких батарей: одной основной и одной или нескольких дополнительных. Основная батарея постоянно участвует в работе энергетической установки транспортного средства и является тяговой. Дополнительные аккумуляторные батареи подсоединены параллельно основной тяговой батарее и не являются необходимыми для работы транспортного средства. Дополнительные аккумуляторные батареи можно временно отключить от основной тяговой в целях, например, сохранения заряда отключенных дополнительных батарей для более позднего использования. Дополнительные аккумуляторные батареи можно легко снять с транспортного средства или заменить на такие же или другие в целях, например, замены разряженных батарей на заряженные. Даже если основную тяговую батарею невозможно заряжать от внешнего источника энергии, то дополнительные аккумуляторные батареи заряжают от внешнего источника энергии. Дополнительные аккумуляторные батареи используют как для дозарядки основной тяговой батареи, так и для питания электромоторов транспортного средства совместно с основной тяговой батареей. Дополнительные аккумуляторные батареи можно использовать в качестве источников энергии для любого дополнительного оборудования, внешнего по отношению к транспортному средству или установленного на транспортном средстве, с или без снятия дополнительных батарей с транспортного средства.
Техническим результатом является:
- возможность проезжать до нескольких десятков километров, используя исключительно электротягу;
- движение таких дооборудованных транспортных средств в жилых зонах, парках и других областях с повышенными требованиями к экологии становится бездымным и бесшумным;
- заряд таких дооборудованных гибридов можно производить как от обычных бытовых электророзеток, так и от специальных зарядных станций;
- использование дополнительных батарей, работающих параллельно основной, в случае движения с использованием ДВС и электромоторов одновременно приводит к снижению расхода углеводородного топлива в два и более раз;
- разряженные дополнительные батареи можно легко заменять на полностью заряженные, что сокращает время зарядки транспортного средства;
- одни дополнительные батареи можно заменять на другие, обладающие большей емкостью, производительностью, меньшим весом;
- при невозможности зарядки дополнительных батарей от внешних источников, например в дальних поездках, дополнительные батареи можно снять, что уменьшает вес транспортного средства.
Сущность технического решения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - общий вид компоновки многокомпонентной аккумуляторной батареи на транспортном средстве;
на фиг.2 - электрическая схема подключения многокомпонентной аккумуляторной батареи.
Обычный гибридный автомобиль (гибрид) заправляется только углеводородным топливом, хранимым в топливном баке, и сжигает это топливо в двигателе внутреннего сгорания. Небольшая тяговая аккумуляторная батарея заряжается от мотор-генератора, приводимого во вращение либо самим ДВС, либо колесами автомобиля при торможении. Никаких внешних источников электрической энергии у классического гибрида нет.
Обычный подключаемый гибрид предусматривает зарядку от внешнего источника электроэнергии, наряду с топливным баком и ДВС оборудован уже гораздо более емкой тяговой аккумуляторной батареей, которая вносит гораздо более весомый вклад в движение автомобиля, вращая электромотор.
И у обычных, и у подключаемых гибридов аккумуляторная батарея на борту одна. Она является тяговой, представляет собой неотъемлемую часть конструкции автомобиля и постоянно участвует в его работе.
Предлагаемое техническое решение (на фиг.1) принципиально отличается от обычных тем, что в дополнение к основной тяговой батарее 1 обычного гибрида установлены гораздо более емкие дополнительные аккумуляторные батареи 2, заряжаемые от внешнего источника 3. Дополнительные аккумуляторные батареи 2 подсоединяются параллельно основной тяговой батарее 1 и выполняют две основные функции: подзаряжают основную тяговую батарею 1, если мощность, потребляемая электромотором 4 невелика, и/или участвуют во вращении электромотора 4 при высоких уровнях отбора электрической мощности, выполняя при этом роль дополнительных тяговых батарей. Топливный бак 5 и ДВС 6, как традиционные элементы автомобиля, могут присутствовать и играть существенную роль в движении подключаемого гибрида или отсутствовать в случае электромобиля. Дополнительные аккумуляторные батареи 2 можно временно отключать от основной тяговой батареи 1 с помощью переключателя 7.
На фиг.2 приведена электрическая схема подключения многокомпонентной аккумуляторной батареи, которая заряжается от внешнего источника тока 3, используя зарядное устройство 8. Выходное напряжение дополнительных аккумуляторных батарей 2 может быть ниже рабочего напряжения основной тяговой батареи 1. В этом случае используется инвертор 9 для повышения выходного напряжения дополнительных аккумуляторных батарей 2. Основная тяговая 1 и дополнительные аккумуляторные 2 батареи соединены параллельно и подсоединены к электромотору 4. Между дополнительными аккумуляторными батареями 2 и инвертором 9 (если инвертор присутствует в конструкции) расположен предохранитель 10. Между инвертором 9 и основной тяговой батареей 1 расположен переключатель 7, позволяющий временно отключать дополнительные аккумуляторные батареи 2, например, с целью сохранения заряда дополнительных аккумуляторноых батарей 2 для последующего использования.
Работает устройство следующим образом. Зарядка дополнительных аккумуляторноых батарей 2 осуществляется от внешнего источника тока 3.
Если отбор мощности электромотора 4 превышает выходную мощность дополнительноых аккумуляторноых батарей 2 (или инвертора 9 в случае его наличия), то энергия дополнительных аккумуляторных батарей 2 передается непосредственно электромотору 4.
Если отбор мощности электромотора 4 меньше выходной мощности дополнительных аккумуляторных батарей 2 (или инвертора 9 в случае его наличия), или если электромотор 4 не используется, то энергия дополнительных аккумуляторных батарей 2 используется для заряда основной тяговой батареи 1. Выходное напряжение дополнительных аккумуляторных батарей 2 (или инвертора 9 в случае его наличия) меньше максимально допустимого напряжения на клеммах основной тяговой батареи 1. Таким образом, исключается перезаряд основной тяговой батареи 1 за счет энергии дополнительных аккумуляторных батарей 2.
Предложенное решение реализовано опытным путем, посредством установки дополнительных батарей и прочего оборудования, указанного на фиг.2, на гибридный автомобиль Toyota Prius. Роль основной батареи при этом выполняет основная тяговая батарея указанного автомобиля. В результате реализации предложенного решения расход топлива снизился более чем вдвое при пробеге между зарядками до 50 км. Емкость дополнительных батарей составляет 4 Квт*час.
Результатом реализации предложенной полезной модели также явилась возможность бесшумного и бездымного движения автомобиля на электротяге с пробегом до 25 км на одной зарядке. Дальнейшие реализации предложенного решения планируются с использованием более емких дополнительных аккумуляторных батарей других типов, что должно привести к еще большей топливной экономичности транспортных средств разных типов и конструкций.