Система термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля
THERMOSTATTING SYSTEM OF BATTERY MODULE AND HYBRID CAR INVERTER

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к конструкции систем охлаждения и подогрева батарейного модуля и инвертора гибридных транспортных средств, в частности грузового транспортного средства с опрокидывающейся кабиной.
Гибридные автомобили оснащены компонентами тягового электропривода. Основными компонентами комбинированной энергоустановки являются установка накопления энергии, в состав которой входят батарейные модули, а также установка инвертора и коммутационного блока. Оптимальная рабочая температура, при которой литий-ионные батарейные модули способны исправно функционировать, накапливать и передавать заряд, находится в пределах от +10°С до +35°С. При эксплуатации транспортного средства, следует предотвратить перегрев батарей. Критическая температура, при которой батарейные модули и инвертор выходят из строя, составляет +55…+60°С. В условиях низких температур окружающей среды у литий-ионных батарейных модулей гибридных транспортных средств могут возникнуть следующие проблемы: снижение срока службы аккумулятора, снижение емкости, ограничение процесса зарядки.
Использование обогрева батарейного модуля с инвертором является очень важной технической характеристикой для успешной эксплуатации гибридного автомобиля в холодное время года. Способ обогрева батарейного модуля и рабочие характеристики устройства обогревателя непосредственно влияют на удобство, стабильность работы и безопасность транспортного средства. Для осуществления обогрева батарейного модуля и инвертора предложено много вариантов, но из-за невозможности обеспечить стабильную температуру нагрева они не нашли широкого применения на транспорте. Например, батарею аккумуляторов снабжают рукавом из теплоизолирующего материала, или для обогрева применяют инфракрасную пленку, а для сохранения тепла используют теплоизолирующую манжету, или согревающую обертку на поверхности аккумулятора. Такие способы применяют только для неподвижных аккумуляторов, использование внешнего источника энергии для обогрева аккумулятора не подходит для находящегося в движении транспортного средства.
Применение автономного дизельного подогревателя в низкотемпературном контуре имеет сложности связанные с поддержанием рабочего температурного режима, с реализацией управления работы, а также возрастает стоимость обслуживания гибридного автомобиля.
Известно устройство термостатирования агрегатов электромобиля, содержащее насос с электроприводом для подачи жидкого теплоносителя от радиатора в рубашки жидкостного охлаждения аккумуляторной батареи, тягового электродвигателя, инвертора, прибора для зарядки аккумуляторной батареи, в гидролиниях, сообщающих упомянутые рубашки охлаждения с входом радиатора, установлены краны, управляемые датчиками температуры теплоносителя в указанных гидролиниях, на выходе из радиатора установлен кран, управляемый датчиком температуры на входе в радиатор, вход в рубашку охлаждения аккумуляторной батареи сообщен с насосом через кран, управляемый датчиком температуры на выходе из рубашки охлаждения аккумуляторной батареи, при этом вход в рубашку охлаждения аккумуляторной батареи сообщен с выходом охладителя теплоносителя через кран, управляемый датчиком температуры на выходе охладителя, и через обратный клапан и сообщен с выходом электронагревателя теплоносителя через упомянутый обратный клапан. Кроме того, устройство содержит компенсационно-расширительный бачок, вход которого сообщен с выходами рубашек охлаждения аккумуляторной батареи, тягового электродвигателя, инвертора, прибора для зарядки аккумуляторной батареи, а выход из бачка сообщен с входом в насос (см. патент RU №2673788, МПК В60К 11/02 (2006.01), F01P 3/20 (2006.01) от 29.11.2018 г.).
В известном устройстве отсутствуют элементы жидкостного подогрева, что приведет к невозможности применения аналога при низких температурах. Данное решение возможно применять только на электромобилях гаражного хранения.
Известен предпусковой подогреватель двигателя с дополнительным обогревом аккумуляторных батарей и предохранителем отключения, состоящий из теплообменника, горелки, насосного агрегата, патрубка выхода отработавших газов, переходника на патрубок выхода отработавших газов, источника высокого напряжения (транзисторного коммутатора), трубопровода для отвода отработавших газов, распределителя воздушного потока, электромагнитного клапана, температурного датчика (см. патент RU №85860, МПК В60Н 1/00 (2006.01) от 20.08.2009 г.).
Наиболее близким устройством такого же назначения является автономная система предпусковой подготовки двигателя, содержащая устройство обогрева аккумуляторных батарей, выполненное в виде трубки одним концом связанной с трубопроводом подачи теплоносителя в двигатель, а другим концом - с трубопроводом отвода охлажденного теплоносителя от двигателя в предпусковой подогреватель (см. патент RU №183420 МПК F02N 19/02 (2010.01) от 21.09.2018 г.).
Данные технические решения обеспечивают обогрев аккумуляторных батарей, но не подходят для подогрева и охлаждения батарейных модулей гибридных транспортных средств, имеющих вход и выход для теплоносителя.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение эффективного нагрева батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля при отрицательных температурах окружающей среды в условиях безгаражного хранения для умеренного климатического исполнения по ГОСТ 15150-69, а также обеспечение поддержания оптимальной температуры в необходимом диапазоне для предотвращения их перегрева.
Для решения поставленной задачи система термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля, имеющая вход и выход соответственно для соединения с трубопроводом подачи теплоносителя в двигатель и с трубопроводом отвода охлажденного теплоносителя от двигателя в предпусковой подогреватель, выполнена в виде низкотемпературного контура, включающего теплообменник типа «жидкость-жидкость», предназначенный для объединения низкотемпературного контура и контура системы подогрева двигателя, блок охлаждения в составе с радиатором и электровентилятором, расширительный бачок, насос электрический, два датчика температурных, один из которых установлен на входе в радиатор, а второй - на выходе из теплообменника, и электрический кран, установленный на входе в теплообменник, при этом теплообменник и радиатор блока охлаждения выполнены с возможностью для соединения с батарейным модулем и инвертором.
Совокупность отличительных признаков, заключающаяся в том, что система термостатирования выполнена в виде низкотемпературного контура, включающего теплообменник типа «жидкость-жидкость», предназначенный для объединения низкотемпературного контура и контура системы подогрева двигателя, блок охлаждения в составе с радиатором и электровентилятором, расширительный бачок, насос электрический, два датчика температурных, один из которых установлен на входе в радиатор, а второй - на выходе из теплообменника, и электрический кран, установленный на входе в теплообменник, при этом теплообменник и радиатор блока охлаждения выполнены с возможностью для соединения с батарейным модулем и инвертором, позволяет обеспечить эффективный нагрев батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля при отрицательных температурах окружающей среды в условиях безгаражного хранения для умеренного климатического исполнения, а также обеспечить поддержание оптимальной температуры в необходимом диапазоне для предотвращения их перегрева.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема системы термостатирования батарейного модуля и инвертора, соединенная с контуром системы подогрева двигателя.
Система термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля выполнена в виде низкотемпературного контура, включающего теплообменник 1 типа «жидкость-жидкость», блок охлаждения 2 в составе с радиатором 3 и электровентилятором 4, расширительный бачок 5 с пробкой с блоком клапанов, насос электрический 6, два датчика температурных 7 и 8, один из которых установлен на входе в радиатор 3, а второй - на выходе из теплообменника 1, и электрический кран 9. Теплообменник 1, выполненный в пластинчатом либо в трубчатом варианте, и радиатор 3 блока охлаждения 2 соединены с батареями 10 и инвертором 11.
Теплообменник 1 объединяет низкотемпературный контур для термостатирования батарейного модуля и инвертора 11 с основным контуром системы подогрева двигателя 12 посредством параллельного подключения. Вход в теплообменник 1 связан с трубопроводом подачи теплоносителя в двигатель 12, а выход - с трубопроводом отвода охлажденного теплоносителя от двигателя 12 в предпусковой подогреватель 13. Электрический кран 9 установлен перед входом в теплообменник 1 и предназначен для обеспечения своевременного перекрытия горячего потока охлаждающей жидкости из двигателя 12 или предпускового подогревателя 13 в теплообменник 1. Насос электрический 6, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя по всему низкотемпературному контуру, установлен перед теплообменником. Теплообменник 1 и радиатор 3 соединены трубопроводами с расширительным бачком 5, предназначенным для компенсации изменения объема жидкости, связанного с температурным расширением и испарением.
Все части системы соединены стальными трубами с приварными патрубками, а также рукавами для жидких рабочих сред при помощи червячных хомутов.
Устройство работает следующим образом.
Низкотемпературный контур системы термостатирования батарейного модуля и инвертора заполнен охлаждающей жидкостью, замерзающей при низких температурах окружающей среды. При необходимости проведения предпусковой подготовки автомобиля, запускается предпусковой подогреватель 13, выполняющий подогрев охлаждающей жидкости контура системы подогрева двигателя 12 за счет сжигания топлива, которая циркулирует благодаря электрическому насосу 14. Подогретый теплоноситель нагревает змеевик теплообменника 1, змеевик в свою очередь передает тепло жидкости, находящейся в низкотемпературном контуре. Из корпуса теплообменника 1 прогретый теплоноситель низкотемпературного контура перетекает в подключенные параллельно батареи 10 и инвертор 11, прогревая их, поступает в радиатор 3 блока охлаждения 2, вентилятор 4 которого во время режима прогрева не включается. Из радиатора 3 теплоноситель возвращается в теплообменник 1. Циркуляцию по низкотемпературному контуру обеспечивает насос 6. Расширительный бачок 5 компенсирует изменения объема жидкости. При достижении рабочего температурного диапазона батарейного модуля температурный датчик 8 подает сигнал в электронный блок управления (не показан) о закрытии электрического крана 9. При повышении заданного температурного диапазона охлаждающей жидкости датчик 7 подает сигнал в электронный блок управления о включении электровентилятора 4 блока охлаждения.
Технический результат заключается в обеспечении эффективного нагрева батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля при отрицательных температурах окружающей среды до температурного порога, при котором батареи и инвертор выходят на оптимальный рабочий режим, а также поддержание оптимальной температуры в необходимом диапазоне для предотвращения их перегрева.
Заявляемое техническое решение возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании.