СИСТЕМА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ БАТАРЕЙ ДЛЯ ГИБРИДНЫХ ЛОКОМОТИВА И ВНЕДОРОЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
SYSTEM OF HIGH-TEMPERATURE BATTERIES FOR HYBRID LOCOMOTIVE AND OFF-ROAD VEHICLES

Правительственные интересы
Раскрываемое изобретение сделано при поддержке правительства по контракту номер DE-FC04-2002AL68284, заключенному министерством энергетики. Правительство имеет определенные права на раскрываемое здесь изобретение.
Предпосылки создания раскрываемого изобретения
Раскрываемое здесь изобретение относится, в общем, к системам и способам управления для использования в сочетании с большими внедорожными (т.е. применяемыми вне автомобильных дорог) транспортными средствами, такими как локомотивы, большие экскаваторы, самосвалы и т.д. В частности, раскрываемое здесь изобретение относится к системе и способу управления температурой батареи, используемой для аккумулирования и передачи электрической энергии, такой как энергия динамического торможения или избыточная мощность первичного двигателя, производимой дизель-электровозами (тепловозами с электрической передачей) и другими большими внедорожными транспортными средствами, приводимыми в движение тяговыми электрическими двигателями.
Фиг.1 представляет собой блок-схему приводимого в качестве примера локомотива 100 предшествующего уровня техники. В частности, Фиг.1 в общем виде отражает типичный дизель-электровоз, относящийся к предшествующему уровню техники, такой как, например, АС6000 или АС4400, оба из которых могут быть приобретены у General Electric Transportation Systems. Как показано на Фиг.1, локомотив 100 включает в себя дизельный двигатель 102, приводящий в действие генератор переменного тока/выпрямитель 104. Как широко известно в данной области техники, генератор переменного тока/выпрямитель 104 подает электрическую мощность постоянного тока в инвертор 106, который преобразует электрическую мощность постоянного тока в переменный ток в форме, пригодной для использования тяговым электродвигателем 108, установленным на платформе под корпусом основного двигателя. Одна из распространенных конфигураций локомотива включает по одной паре инвертор/тяговый электродвигатель на ось. В иллюстративных целях на Фиг.1 проиллюстрированы два инвертора 106.
Строго говоря, инвертор преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока. Выпрямитель преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока. Для обозначения инверторов и выпрямителей также иногда используется термин «преобразователь». Подводимая таким образом электрическая мощность может именоваться мощностью первичного двигателя (или первичной электрической мощностью), а генератор переменного тока/выпрямитель 104 может именоваться источником мощности первичного двигателя. При типичном применении дизель-электровоза переменного тока электрическая мощность переменного тока из генератора переменного тока сначала выпрямляют (преобразуют в постоянный ток). Выпрямленный переменный ток после этого инвертируют (например, с использованием силовой электронной аппаратуры, такой как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или тиристоры, действующие в качестве широтно-импульсных модуляторов), для того чтобы обеспечить подходящую форму мощности переменного тока для соответствующего тягового электродвигателя 108.
Как известно в данной области техники, тяговые электродвигатели 108 обеспечивают тяговое усилие для перемещения локомотива 100 и любых других транспортных средств, таких как грузовые вагоны, прицепленные к локомотиву 100. Такие тяговые электродвигатели 108 могут представлять собой электрические двигатели переменного тока или постоянного тока. При использовании тяговых электродвигателей постоянного тока ток на выходе генератора переменного тока обычно выпрямляют с тем, чтобы обеспечить надлежащую мощность постоянного тока. При использовании тяговых электродвигателей переменного тока ток на выходе генератора переменного тока обычно выпрямляют, преобразуя его в постоянный ток, и после этого инвертируют в трехфазный переменный ток, прежде чем подать на тяговые электродвигатели 108.
Тяговые электродвигатели 108 обеспечивают также усилие торможения для управления скоростью или для замедления локомотива 100. Это обычно именуется динамическим торможением и широко известно в данной области техники. Если дать упрощенное описание, то когда тяговый электродвигатель не нужен для обеспечения движущей силы, он может быть переконфигурирован (посредством силовых переключающих устройств) таким образом, что электродвигатель действует как генератор. Сконфигурированный таким образом тяговый электродвигатель генерирует электрическую энергию, что имеет своим результатом замедление локомотива. В локомотивах предшествующего уровня техники, таких как локомотив, проиллюстрированный на Фиг.1, энергия, сгенерированная в режиме динамического торможения, обычно передается на элементы 110 реостата, установленные на корпусе локомотива. Таким образом, энергия динамического торможения преобразуется в тепло и рассеивается из системы. Иначе говоря, энергия, сгенерированная в режиме динамического торможения, обычно теряется.
Следует отметить, что в типичном локомотиве постоянного тока согласно предшествующему уровню техники элементы реостата динамического торможения соединены с тяговыми электродвигателями. Однако в типичном локомотиве переменного тока согласно предшествующему уровню техники элементы реостата динамического торможения соединены с тяговой электрической шиной 112 постоянного тока, поскольку каждый тяговый электродвигатель обычно соединен с этой шиной посредством связанного с ним инвертора (см. Фиг.1).
Для того чтобы избежать потери этой сгенерированной энергии, были разработаны системы локомотивов с гибридной энергетической установкой, включающие в себя системы 114 поглощения и аккумулирования энергии, предназначенные для поглощения и регенерации по меньшей мере части электрической энергии динамического торможения, сгенерированной при работе тяговых электродвигателей локомотива в режиме динамического торможения. Система 114 поглощения и аккумулирования энергии не только поглощает и аккумулирует энергию, сгенерированную в режиме динамического торможения локомотива, но и выдает аккумулированную энергию для содействия тяговому усилию локомотива (то есть чтобы дополнить и/или заменить собой мощность первичного двигателя). Предпочтительно система 114 поглощения и аккумулирования энергии включает в себя по меньшей мере одну из следующих подсистем 116 аккумулирования, предназначенных для аккумулирования электрической энергии, сгенерированной во время режима динамического торможения: подсистему батареи, подсистему маховика или подсистему сверхъемкого конденсатора и преобразователь 118. Возможны и другие подсистемы аккумулирования. Это аккумулирование и повторное использование энергии улучшает рабочие характеристики (эффективность использования топлива, тяговую мощность, выбросы в атмосферу) локомотива. Приводимые в качестве примера гибридные локомотив и внедорожные транспортные средства и системы описаны в патентах США №№ 6591758, 6612245, 6612246 и 6615118 и в заявках на патент США №№ 10/378335, 10/378431 и 10/435261, права на которые принадлежат правообладателю раскрываемого здесь изобретения и содержимое которых включено сюда посредством ссылки.
Эти транспортные средства должны работать в широком диапазоне условий окружающей среды, включая колебания температуры. Типичный диапазон температуры окружающей среды составляет от -40°С до +50°С, при этом в некоторых областях применения он расширяется до -50°С и +60°С. Одно из устройств 116 аккумулирования энергии, используемых в таких транспортных средствах, представляет собой аккумуляторные батареи различных типов, например свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, литий-ионные, никель-металл-гидридные и т.д. Рабочие характеристики аккумуляторной батареи сильно зависят от ее внутренней температуры. Например, никель-кадмиевая батарея требует снижения номинальных рабочих параметров в случае, если температура этой батареи выше 40°С или если она ниже 0°С, и требует значительного (возможно, что почти функционально неприемлемого) снижения номинальных рабочих параметров при температуре ниже -20°С и выше 55°С. Поскольку значительная часть работы локомотива приходится на этот диапазон, то требуется значительно увеличивать размер батареи или радикальным образом ограничивать ее использование во время работы при этой температуре. Кроме того, это оказывает негативное воздействие на срок службы батареи.
Аналогичным образом другие типы аккумуляторных батарей имеют различную работоспособность в зависимости от температуры. Эти батареи обычно охлаждаются посредством принудительно подаваемого воздуха, а иногда посредством охлаждения жидкостью (например, посредством систем жидкостного охлаждения), а сама жидкость впоследствии охлаждается воздухом. Поскольку диапазон температуры окружающего воздуха слишком широк для того, чтобы эксплуатировать аккумуляторные батареи при их оптимальных рабочих характеристиках, то требуется либо кондиционирование охлаждающего воздуха, либо корректировка рабочих характеристик, например снижение номинальных рабочих параметров батареи. Во время работы при низкой температуре воздух перед охлаждением батареи необходимо нагревать, чтобы предотвратить слишком низкое падение температуры батареи или необходимость снижения номинальных рабочих параметров. В дополнение к этому, для того чтобы поток охлаждающего воздуха оказывал охлаждающее действие на аккумуляторную батарею гибридной энергетической установки непосредственно или через промежуточный контур с жидким теплоносителем, температура потока воздуха должна быть ниже, чем температура батареи. Поскольку диапазон температур окружающего воздуха, в котором должны работать локомотивы и другие внедорожные транспортные средства, может достигать 60°С, то для большинства технологий аккумулирования энергии работа гибридного транспортного средства при высокой температуре окружающей среды представляет серьезную проблему. Требуется либо предварительно охлаждать охлаждающий воздух, либо снижать номинальную рабочую характеристику батареи. Эти операции и системы охлаждения/нагрева являются сложными и добавляют издержки в соотношении массы/размера/затрат.
Следовательно, имеется потребность в высокотемпературной батарее и системе для локомотивов и внедорожных транспортных средств, предназначенных для работы в широком диапазоне температур, которые не требуют предварительного охлаждения охлаждающего воздуха, и при этом упомянутая система способна управлять температурой батареи так, чтобы обеспечивать оптимальные рабочие характеристики.
Краткое описание раскрываемого изобретения
Предлагается система электрической аккумуляторной батареи, установленная на внедорожном транспортном средстве с гибридной энергетической установкой, включающем в себя колеса для опоры и перемещения транспортного средства, генератор электрической мощности и тяговые электродвигатели для привода этих колес, причем электрическая мощность, сгенерированная на этом транспортном средстве, аккумулируется в выбранные моменты времени в системе электрической аккумуляторной батареи и выдается из системы электрической аккумуляторной батареи для передачи тяговым электродвигателям с целью приведения в движение этого транспортного средства, причем эти транспортное средство и система батареи подвергаются воздействию некоторого диапазона условий окружающей среды. Система аккумуляторной батареи включает в себя по меньшей мере одну батарею для аккумулирования и высвобождения электрической мощности, причем эта по меньшей мере одна батарея создает внутреннюю рабочую температуру батареи, которая превышает самую высокую температуру окружающей это транспортное средство среды.
В другом аспекте раскрываемого здесь изобретения предлагается система электрической аккумуляторной батареи, установленная на внедорожном транспортном средстве с гибридной энергетической установкой, включающем в себя колеса для опоры и перемещения транспортного средства, генератор электрической мощности и тяговые электродвигатели для привода этих колес, причем электрическая мощность, сгенерированная на этом транспортном средстве, аккумулируется в выбранные моменты времени в системе электрической аккумуляторной батареи и выдается из системы электрической аккумуляторной батареи для передачи тяговым электродвигателям с целью приведения в движение этого транспортного средства, причем эти транспортное средство и система батареи подвергаются воздействию некоторого диапазона условий окружающей среды, при этом система электрической аккумуляторной батареи включает в себя по меньшей мере одну батарею для аккумулирования и высвобождения электрической мощности, причем эта батарея работает при некоторой внутренней температуре батареи для эффективного аккумулирования и высвобождения электрической мощности, представляющей собой эффективную температуру батареи, которая выше любой из температур окружающей транспортное средство и систему батареи среды, и при этом батарея охлаждается до более низкой температуры, чем ее эффективная внутренняя рабочая температура, когда транспортное средство не находится в эксплуатации в течение длительного периода времени; контрольно-измерительный прибор для измерения параметра, являющегося показателем внутренней температуры батареи; и контроллер для управления нагревом батареи вновь до ее эффективной температуры, когда внутренняя температура батареи падает ниже заранее заданного уровня, так что батарея остается готовой к эффективной работе при возвращении транспортного средства к работе.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые и другие аспекты, признаки и преимущества раскрываемого здесь изобретения станут более понятными в свете нижеследующего подробного описания при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 - блок-схема традиционной гибридной двигательной установки локомотива;
Фиг.2 - блок-схема варианта реализации гибридной энергетической двигательной установки по настоящему изобретению;
Фиг.3 - блок-схема системы управления батареей;
Фиг.4А - блок-схема традиционной системы жидкостного охлаждения двигателя;
Фиг.4В-4D - блок-схемы систем жидкостного охлаждения в соответствии с принципами настоящего изобретения;
Фиг.5А - блок-схема традиционной системы воздушного охлаждения;
Фиг.5В-5I - блок-схемы систем воздушного охлаждения в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Подробное описание раскрываемого изобретения
Предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. В нижеследующем описании хорошо известные функции или конструкции подробно не описываются для того, чтобы избежать «затемнения» сути раскрываемого здесь изобретения ненужной детализацией.
Предлагаются батарея, система и способ управления батареей, предназначенные для использования в локомотивах и больших внедорожных транспортных средствах. В системе и способе по настоящему изобретению используются аккумуляторные батареи, которые работают при высоких внутренних температурах, например натрий-никель-хлоридная батарея, которая работает при температурах свыше 270°С, или в качестве другого примера натрий-серная батарея, которая может работать при температурах свыше 350°С. Эти батареи используют для аккумулирования и высвобождения электрической энергии или мощности химическую реакцию, например экзотермическую реакцию. Эта экзотермическая реакция создает внутреннюю рабочую температуру, которая не зависит от самой высокой температуры окружающей транспортное средство среды и превышает эту самую высокую температуру. При использовании высокотемпературной батареи в гибридном внедорожном транспортном средстве не требуется никакого предварительного охлаждения охлаждающего воздуха, необходимого для аккумуляторной батареи гибридной энергетической установки (даже в условиях самой высокой температуры окружающего воздуха). Традиционные конструкции батарей либо требуют снижения номинальных рабочих параметров в условиях самой высокой температуры окружающего воздуха, либо требуют некоторого предварительного охлаждения воздуха, используемого для отвода тепла, в условиях самой высокой температуры окружающего воздуха. Традиционные батареи способны работать в течение коротких периодов времени при температурах порядка 50°С, но для того чтобы соответствовать прогнозам срока службы изготовителя, они должны эксплуатироваться при температурах менее примерно 35°С.
Даже несмотря на то что эти высокотемпературные батареи нуждаются в начальном нагреве, пока они работают, батареи будут сохранять высокую температуру. Если эти батареи находятся в работе, они нуждаются в охлаждении. Любая батарея, которая работает при температуре, превышающей температуру окружающей локомотив среды, может эффективно охлаждаться с помощью имеющегося вокруг окружающего охлаждающего воздуха либо непосредственно, либо опосредованно через поверхность раздела с жидкой или теплоотводящей средой, а следовательно, окружающий воздух не требует никакого предварительного охлаждения. Преимущество состоит в том, что в диапазоне высоких рабочих температур не требуется никакого охлаждения воздуха или жидкости (например, теплоносителя) и в то же самое время не требуется снижать номинальные рабочие параметры батареи.
Охлаждающая среда и схема/система охлаждения, которые используются в сочетании с системой управления батареей по настоящему изобретению, интегрированы в системы транспортного средства. Поскольку охлаждение батареи требуется (обычно) только тогда, когда транспортное средство генерирует мощность (например, в двигательном режиме, режиме торможения), и поскольку во время данного периода также задействованы другие тяговые и управляющие функции, то потребности в охлаждении тяговой/вспомогательной системы могут быть объединены. Например, охлаждающий воздух может быть подан от охлаждающего вентилятора тягового электродвигателя. Поскольку батарея работает при высоких температурах (250-350°С), то батарея может охлаждаться подогретым воздухом (то есть воздухом, который охладил другие конструктивные элементы, такие как силовая электронная аппаратура, тяговый генератор переменного тока, тяговые электродвигатели, радиатор, вспомогательное оборудование и т.д.) и, следовательно, система охлаждения может быть упрощена. Также возможно объединить охлаждение батареи с водяной системой радиатора двигателя, используя при этом воду в качестве охлаждающей среды. Ниже будут описаны разнообразные возможные системы воздушно-водяного охлаждения.
Фиг.2 является представленной на системном уровне блок-схемой, которая иллюстрирует аспекты системы 200 управления батареей по настоящему изобретению. В частности, Фиг.2 иллюстрирует систему 200 управления батареей, подходящую для использования с гибридной энергетической установкой локомотива, такой как гибридная энергетическая установка 100 локомотива, показанная на Фиг.1. Однако следует понимать, что система 200 управления батареей, проиллюстрированная на Фиг.2, также подходит для использования с другими большими внедорожными транспортными средствами. Такие транспортные средства включают в свое число, например, большие экскаваторы, карьерные самосвалы и тому подобное. В качестве дополнительного примера отметим, что в таких больших карьерных самосвалах могут использоваться мотор-колеса, такие как мотор-колесо GEB23.TM.AC, использующее систему привода GE150AC.TM (оба из которых могут быть приобретены у правообладателя настоящего изобретения). Следовательно, хотя Фиг.2, в общем, описана в отношении установки локомотива, проиллюстрированная на ней система 200 управления батареей не должна рассматриваться как ограниченная применениями в локомотивах.
Как проиллюстрировано на Фиг.2, дизельный двигатель 102 приводит в действие источник 104 мощности первичного двигателя (например, преобразователь в виде генератора переменного тока/выпрямителя). Предпочтительно источник 104 мощности первичного двигателя подает мощность постоянного тока на инвертор 106, который подводит мощность трехфазного переменного тока к тяговому электродвигателю 108 локомотива. Однако следует понимать, что система 200, проиллюстрированная на Фиг.2, может быть изменена также таким образом, чтобы также функционировать с тяговыми электродвигателями постоянного тока. Предпочтительно имеется множество тяговых электродвигателей (например, по одному на ось), и каждая ось связана с множеством колес 109 локомотива. Иными словами, каждый тяговый электродвигатель локомотива предпочтительно включает в себя вращающийся вал, соединенный со связанной с ним осью для обеспечения тягового усилия на колеса. Таким образом, каждый тяговый электродвигатель 108 локомотива обеспечивает необходимую движущую силу связанному с ним множеству колес 109 локомотива, вызывая перемещение локомотива.
При эксплуатации тяговых электродвигателей 108 в режиме динамического торможения по меньшей мере часть сгенерированной электрической мощности направляется в носитель для аккумулирования энергии, такой как аккумуляторная батарея 204. В той мере, в которой эта батарея 204 неспособна принять и/или аккумулировать всю энергию динамического торможения, избыточная энергия предпочтительно направляется в элементы 110 реостата торможения для рассеивания в виде тепловой энергии. Кроме того, во время периодов, когда двигатель 102 эксплуатируется таким образом, что он обеспечивает больше энергии, чем необходимо для приведения в действие тяговых электродвигателей 108, избыточная мощность (также именуемая избыточной электрической мощностью первичного двигателя) может необязательно быть аккумулирована в батарее 204. Соответственно, батарея 204 может заряжаться в моменты времени, отличные от тех, когда тяговые электродвигатели 108 работают в режиме динамического торможения. Этот аспект системы проиллюстрирован на Фиг.2 штрихпунктирной линией 201, где инвертор 106 управляется как преобразователь постоянного тока в постоянный ток (что не проиллюстрировано на Фиг.2).
Батарея 204 по Фиг.2 предпочтительно сконструирована и выполнена с возможностью селективного увеличения мощности, выдаваемой тяговым электродвигателям 108, или, необязательно, запитывания отдельных тяговых электродвигателей, связанных с отдельным энергетическим тендерным прицепом или грузовым вагоном. Такая мощность может именоваться вторичной электрической мощностью и получается из электрической энергии, аккумулированной в батарее 204. Таким образом, система 200, проиллюстрированная на Фиг.2, пригодна для использования в сочетании с локомотивом, имеющим бортовой носитель для аккумулирования энергии, и/или с отдельным энергетическим тендерным прицепом.
Система 200 включает в себя систему 202 управления батареей для управления разнообразными операциями, связанными с батареей 204, такими как управление температурой батареи и/или зарядкой/разрядкой батареи. Фиг.2 также иллюстрирует дополнительный источник 203 энергии, который предпочтительно управляется системой 202 управления батареей. Этот дополнительный источник 203 энергии может представлять собой второй двигатель (например, заряжающий двигатель или другой локомотив) или совершенно отдельный источник мощности (например, расположенный рядом с путями источник мощности, такой как зарядное устройство для батареи), предназначенный для зарядки батареи 204. В одном предпочтительном варианте реализации дополнительный источник 203 энергии соединен с тяговой электрической шиной (не проиллюстрированной на Фиг.2), которая также передает первичную электрическую мощность от источника 104 мощности первичного двигателя.
Как проиллюстрировано на Фиг.3, система 202 управления батареей предпочтительно включает в себя процессор 206 управления батареей и базу 208 данных. Процессор 206 управления батареей определяет различные условия окружающей среды, например температуру окружающей батарею среды, и использует эту информацию об окружающей среде для нахождения данных в этой базе 208 данных с тем, чтобы оценить внутреннюю температуру батареи. Следует понимать, что такая содержащаяся в базе данных информация могла бы предоставляться различными источниками, включая бортовую базу данных, связанную с процессором 206; систему связи (например, систему беспроводной связи), предоставляющую информацию из центрального источника; данные, вводимые вручную оператором; данные, передаваемые одним или более расположенными рядом с путями сигнальными устройствами; сочетание таких источников и тому подобное. Наконец, и другая информация о транспортном средстве, такая как размер и масса транспортного средства, допустимая мощность, связанная с первичным двигателем, показатели коэффициента полезного действия, текущая и ожидаемая скорость, текущая и ожидаемая электрическая нагрузка и тому подобное, может быть включена в базу данных (или передана в реальном или близком к реальному масштабе времени) и использована процессором 206 управления батареей.
Внутренняя температура батареи используется для разнообразных решений по управлению, включая пределы зарядки и разряда, и для принятия решения о том, запускать ли вновь двигатель для повторного нагрева или позволить ей замерзнуть и т.д. Обычно измерять внутреннюю температуру батареи бывает сложно из-за стоимости и сложности датчика. Поэтому процессор 206 управления батареей по настоящему изобретению оценивает внутреннюю температуру батареи, используя тепловые модели, хранящиеся в базе 208 данных. Эти тепловые модели основываются на разнообразных входных данных, включая возможную температуру корпуса батареи, температуру/давление окружающей среды, временную диаграмму тока заряда/разряда батареи и временную диаграмму работы вентилятора(ов) охлаждения батареи (температуру/расход теплоносителя). Эти входные данные используются для оценки внутренней температуры элементов аккумуляторной батареи внутри батарейного модуля. Спрогнозированная внутренняя температура батарей от всех батарейных модулей может быть использована для сравнения с измерениями истинной температуры внутри по меньшей мере одного выбранного модуля для сравнения с тепловой моделью. Если спрогнозированная температура отличается от измеренной температуры на ХХ градусов Цельсия, то может быть предпринято соответствующее действие (как то, снижение номинальных рабочих параметров, сообщение оператору, плановое техническое обслуживание и т.д.). Если спрогнозированная температура отличается от измеренных(ой) температур(ы) на YY градусов Цельсия (где YY>ХХ, например, значение ХХ могло бы составлять приблизительно 5 градусов Цельсия, тогда как значение YY могло бы составлять приблизительно 10 градусов Цельсия), то могут быть предприняты дальнейшие ограничительные шаги. Это могло бы включать в себя блокирование работы батареи. Тепловая модель батареи использует измеренные снаружи значения тока батареи, напряжение батареи плюс состояние заряда (SOC), которое вычисляется на основе суммарного интегрированного заряда батареи в ампер-часах. Кроме того, в качестве части этой модели для прогнозирования текущей температуры батареи используется предыстория и тенденция использования батареи в последнее время во время заряда и разряда батареи в этом транспортном средстве. Помимо этого, для определения температурной модели и/или сопротивления при конкретном состоянии заряда может быть использовано сопротивление на клеммах батареи. Для разработки начальной модели используются характеристики, основанные на испытаниях элементов батареи в лаборатории при различных температурах. Результаты, полученные на начальных тепловых моделях, сравниваются с истинной измеренной температурой батареи в течение представительных циклов заряда и разряда. На основе результатов лабораторных испытаний производится уточнение моделей.
После того как тепловая модель для батареи определена, процессор 206 управления батареей получает разнообразные параметры системы, например, из системы 222 жидкостного охлаждения и системы 224 воздушного охлаждения и управляет различными устройствами в этих системах так, чтобы управлять температурой батареи 204. Охлаждающие среды могут управляться таким образом, что в системах с множественными параллельными блоками батарей температура каждого компонента поддерживается в заранее заданных пределах. Обычно для получения мощностей разрядки и перезарядки, достаточных для применений в локомотивах и внедорожных транспортных средствах, требуется параллельная работа отдельных блоков батарей. Это могло бы быть достигнуто посредством разнообразных технологий, включая независимые регуляторы системы температуры/охлаждения, которые будут описаны ниже.
На Фиг.4А проиллюстрирована традиционная жидкостная система охлаждения двигателя. Такая система обычно включает в себя водяной бак 402 для размещения воды или другой охлаждающей среды, например теплоносителя, водяной насос 404 для прокачки теплоносителя по системе и водяную рубашку 406 двигателя, которая охлаждает двигатель за счет циркуляции теплоносителя вокруг двигателя. Датчик 412 температуры, расположенный в отводящей линии водяной рубашки, будет определять, находится ли теплоноситель выше заранее заданной температуры, и если это так, то будет устанавливать клапан 408 в положение циркуляции теплоносителя через радиатор 410. В ином случае теплоносителю будет дана возможность течь напрямую назад в водяной бак 402.
Фиг.4В-4D иллюстрируют системы жидкостного охлаждения в соответствии с принципами настоящего изобретения. В этих системах жидкостного охлаждения высокотемпературная батарея 204 может включать в себя водяную рубашку для охлаждения или понижения температуры батареи. Как показано на Фиг.4В, после того как процессор 206 управления батареей определил внутреннюю температуру батареи, процессор 206 снимает с датчика 412 показания температуры теплоносителя. Если батарея 204 нуждается в охлаждении, то процессор посылает на клапаны 408, 414 соответственно первый и второй управляющие сигналы для того, чтобы отвести часть потока теплоносителя к батарее. Следует понимать, что клапаны 408 и 412 могут представлять собой единый трехходовой клапан. Когда батарея 204 достигла удовлетворительной температуры, процессор 206 управляет клапанами 408 и 414 таким образом, чтобы весь поток теплоносителя проходил через радиатор 410.
Фиг.4С представляет собой другой вариант реализации системы жидкостного охлаждения, используемой в сочетании с системой управления батареей по настоящему изобретению. Как показано на Фиг.4С, теплоноситель отводится с помощью клапана 414 к батарее 204 до охлаждения двигателя посредством водяной рубашки 406 двигателя. При этом теплоноситель, соприкасающийся с батареей, будет иметь более низкую температуру, чем теплоноситель, показанный на Фиг.4В, и способен обеспечить более высокую степень охлаждения. Кроме того, жидкостная система, показанная на Фиг.4С, будет включать в себя датчик 416 температуры для использования процессором 206 с целью определения того, имеется ли доступный теплоноситель для охлаждения батареи.
Фиг.4D представляет собой другой вариант реализации системы жидкостного охлаждения, используемой в сочетании с системой управления батареей по настоящему изобретению. В этом случае предусмотрен второй водяной насос 418 с тем, чтобы обеспечивать батарее 204 дополнительную емкость. Датчик 420 температуры будет передавать сигнал температуры процессору 206, что позволяет процессору определить, имеется ли доступный теплоноситель для охлаждения. Датчик 422 температуры будет измерять температуру теплоносителя после его отвода от батареи 204, и процессор будет использовать эту температуру, чтобы определить, нуждается ли этот отведенный теплоноситель в охлаждении посредством радиатора 410 или может быть отправлен назад в водяной бак 402. На основе этого определения процессор 206 управляет установкой клапана 414 в соответствующее положение.
На Фиг.5А проиллюстрирована традиционная система принудительного воздушного охлаждения. Такая система обычно включает в себя множество воздуховодов 502 для направления наружного, взятого из окружающей среды или кондиционированного воздуха к различным конструктивным элементам системы 500. Вентилятор 504 всасывает наружный воздух (ОА) через множество решеток и фильтров 506 и подает этот наружный воздух к различным конструктивным элементам системы, таким как силовая электронная аппаратура 508, генератор 510 переменного тока и т.д. для охлаждения этих конструктивных элементов. При подаче наружного воздуха в кабину оператора или к чувствительной электронной аппаратуре 514 могут быть использованы дополнительные фильтры 512. Помимо этого, дополнительные вентиляторы 518 с соответствующими решетками и фильтрами подают воздух для непосредственного охлаждения электродвигателей 520.
Фиг.5В-5I иллюстрируют системы принудительного воздушного охлаждения в соответствии с принципами настоящего изобретения. На Фиг.5В воздух выводится из выпускной трубы генератора 510 переменного тока к батарее 204. На Фиг.5С воздух выводится со стороны выпуска вентилятора 504 непосредственно к батарее 204, а на Фиг.5D воздух, выходящий от батареи 204, регенерируется и подается назад для охлаждения генератора 510 переменного тока. На Фиг.5Е батарея 204 обдувается воздухом на его пути между силовой электронной аппаратурой 508 и генератором 510 переменного тока, а на Фиг.5F батарея 204 получает воздух, выходящий от силовой электронной аппаратуры, как и на Фиг.5Е, но после охлаждения батареи просто выбрасывает этот воздух.
Фиг.5G иллюстрирует конфигурацию, при которой наружный или окружающий воздух подается непосредственно к батареям 204. Эта конфигурация выгодна там, где желательно максимальное охлаждение, например в случаях более теплого климата. Поскольку воздух, поступающий к батареям 204, не является предварительно нагретым, на этих батареях будет достигаться максимальный перепад температур. Аналогичная конфигурация показана на Фиг.5Н. Здесь параллельные прямоугольники батарей получают воздух от единого вентилятора 530 и управляются независимо друг от друга посредством системы управления батареями. Процессор батареи определяет температуру батареи так, как это описано выше, и получает значение температуры выходящего из вентилятора воздуха посредством датчика 532 температуры. На основе температуры батареи и температуры выходящего из вентилятора воздуха, процессор батареи управляет задвижками 534, 536 таким образом, чтобы обеспечить надлежащее количество воздуха для охлаждения батарей.
В дополнительном варианте реализации, показанном на Фиг.5I, воздух, нагретый батареей, может быть использован для отопления кабины локомотива. Процессор 206 управления батареей будет получать показания температуры в кабине оператора посредством пространственного датчика 540 температуры и температуры отходящего от батареи воздуха посредством датчика 532 температуры. После этого процессор 206 управления батареей будет определять, может ли отходящий от батареи воздух быть использован для отопления кабины оператора, и если это так, то будет управлять задвижкой 544 таким образом, чтобы отвести отходящий воздух в кабину оператора через надлежащие решетки и фильтры. В качестве альтернативы этот отходящий воздух направляется в теплообменник, соединенный с системой жидкостного отопления, так что не происходит никаких прямых передач воздуха.
Следует понимать, что Фиг.5В-5I представляют собой просто приводимые в качестве примера конфигурации систем воздушного охлаждения, используемых в сочетании с системой управления батареей для управления температурой батареи, и что имеется и много других возможных конфигураций. Также следует понимать, что система охлаждения батареи может представлять собой автономную систему жидкостного охлаждения, автономную систему воздушного охлаждения или комбинированную систему жидкостного и воздушного охлаждения.
Внутренняя температура батареи будет также использоваться для управления скоростями заряда и разряда в дополнение к традиционному состоянию заряда (SOC). Если внутренняя температура батареи находится в пределах определенного рабочего диапазона температур, например внутренняя температура > Т1, но < Т2, то процессор управления батареей разрешает разряд батареи при том условии, что напряжение на клеммах батареи и состояние заряда (SOC) выше заранее заданных пределов. Аналогичным образом, если внутренняя температура > Т3, но < Т4, то процессор управления батареей разрешает ток перезарядки при том условии, что напряжение на клеммах батареи и состояние заряда (SOC) ниже заранее заданных пределов. Один пример этого состоит в том, чтобы процессор управления батареей разрешал ее разрядку в случае, если Т1 и Т2 составляют 270°С и 350°С соответственно. В другом примере перезарядка со скоростью вплоть до заранее заданной высокой скорости допускается в случае, если Т3 и Т4 составляют 270°С и 320°С соответственно, а значение SOC меньше чем 70% полного заряда батареи. В еще одном другом примере перезарядка с заранее заданной низкой скоростью допускается в случае, если Т3 и Т4 составляют 270°С и 340°С соответственно, а значение SOC меньше чем 100%. В этих примерах значение SOC вычисляется традиционным образом, включая интегрирование тока батареи с целью определения суммарного заряда в ампер-часах, поступающего в батарею и выходящего из батареи.
Локомотивы и внедорожные транспортные средства используются в течение значительной части дня/года. Однако во время периодов простоя внутренняя температура батареи должна оставаться выше заранее заданного предела. Система 202 управления батареей по настоящему изобретению будет взаимодействовать с различными подсистемами для обеспечения того, чтобы батарея оставалась теплой, то есть сохраняла температуру выше заранее заданного предела температуры. Если во время периодов, когда двигатель выключен, температура батареи достигает заранее заданного нижнего предела температуры, то система управления батареей может посылать сигнал на повторный запуск двигателя до тех пор, пока батарея не зарядится до определенного высокого состояния заряда, так чтобы батарея могла поддерживаться теплой. Поскольку локомотив обычно простаивает только в течение коротких периодов времени, этот процесс повторного нагрева батареи ожидается редко. Система управления батареей может отдать команду двигателю/генератору переменного тока или вспомогательному источнику 203 мощности предоставить электрическую мощность для заряда батареи, отдать команду двигателю/генератору переменного тока или вспомогательному источнику 203 предоставить электрическую мощность электрическим нагревательным элементам внутри батареи или посредством ряда переключателей может использовать силовые клеммы постоянного тока на самой батарее для запитывания этих электрических нагревательных элементов. Помимо этого, тепло для батареи могут давать горячие выхлопные газы двигателя.
После продолжительного простоя, вызванного незапланированными событиями (например, продолжительного ремонта), батареи могут быть нагреты с использованием внешнего средства. Например, батареи могут поддерживаться горячими за счет внешнего электропитания постоянного/переменного тока при соответствующем управлении посредством процессора управления батареей. В качестве другого примера могут применяться электрические нагревательные элементы, встроенные в батарею, или могут быть использованы нагревательные элементы в самом транспортном средстве, например элементы реостата торможения. В качестве еще одной альтернативы к клеммам батареи может быть приложена электрическая мощность таким образом, чтобы создать множество внутренних потерь в батарее, например, посредством высокоскоростной зарядки, возможно, с последующей высокоскоростной разрядкой, которые будут нагревать батарею. Также возможно продлить этот период времени, поддерживая батареи теплыми с помощью изоляции/технологий управления тепловыми процессами/управления температурой теплоносителя, как те, что были описаны выше.
Если во время длительных периодов нерабочего состояния локомотива и высокотемпературных батарей, скажем, при нахождении его на запасных путях, температура батареи может упасть до значения, близкого к температуре замерзания находящегося внутри нее электролита, то процессор 206 управления батареей на основе полученных им переменных параметров, например температур от датчиков, или введенной оператором информации, например времени простоя, будет принимать решение о том, использовать ли внутреннюю энергию батареи для нагрева батареи или позволить батарее замерзнуть. Если известно, что локомотив не будет работать раньше, чем через заданное время, такое как 7 дней, то процессор управления батареей позволит батарее замерзнуть. Если ожидается, что локомотив заработает ранее, чем через заданное время, то процессор управления батареей обеспечит возможность, например, того, чтобы дополнительный источник 203 энергии осуществлял электрический нагрев батарей для поддержания их при рабочей температуре.
Хотя раскрываемое здесь изобретение было проиллюстрировано и описано на типичных вариантах реализации, оно не подразумевается ограниченным приведенными подробностями, поскольку в нем могут быть произведены разнообразные модификации и замены без какого-либо отклонения от сущности настоящего изобретения. Таким образом, специалистам в данной области техники с использованием не более чем рутинного экспериментирования могут прийти на ум дополнительные модификации и эквиваленты настоящего изобретения, раскрытого в данном документе, и все такие модификации и эквиваленты полагаются находящимися в рамках сущности и объема раскрываемого изобретения, определенных нижеследующей формулой изобретения.