Система управления легким городским электротранспортом, способ её работы и батарейный модуль
SYSTEM FOR CONTROL OF LIGHT URBAN ELECTRIC TRANSPORT, ITS OPERATION METHOD AND BATTERY MODULE

Рассматриваемый комплекс изобретений относится к области электромобилей, а именно к системе быстрой замены сменных накопителей электроэнергии для легкого электротранспорта и управлению энергией всей транспортной системы.
На сегодняшний день широкое распространение получает городской электротранспорт. Благодаря своей высокой эффективности, электромобили - это перспективное направление развития. Однако из-за ограниченной емкости систем накопления энергии, временной и дистанционный ресурс передвижения транспорта ограничен. Также при зарядке транспортным средствам необходимо подъезжать к зарядным станциям и другим местам электропитания, а это хлопотно. Кроме того, процесс зарядки современных электромобилей требует значительно большего времени.
В свою очередь, устройства быстрой зарядки электромобилей наносят большой вред системе накопления энергии и ускоряют изнашивание аккумуляторов.
Решением данных проблем является система управления легким городским электротранспортом, способ ее работы и батарейный модуль для ее осуществления.
Батареи существующих электромобилей в основном большие и громоздкие, большинство из них интегрированы в кузов автомобиля, быстрая замена аккумуляторов существующих электромобилей не предусмотрена конструкцией.
Значительную часть стоимости электромобиля составляет батарея. Разработанная система электротранспорта позволяет уменьшить стоимость электромобиля за счет возможности покупки электромобиля без батарей. В данном случае, батарейные модули могут закупаться отдельно автомобильным парком, либо арендоваться в сети зарядных станций.
Технической задачей комплекса изобретений является ускорение процедуры пополнения энергии электромобилем, повышение срока службы накопителей энергии, управление логистикой батарейных модулей в сети зарядных станций, повышение удобства эксплуатации.
Известна система городского транспорта с использованием электромобилей, отличающаяся тем, что она содержит:
- множество электромобилей, каждый из которых оснащен взаимозаменяемым блоком, содержащим одну или несколько аккумуляторов питания двигателя транспортного средства;
- по крайней мере один киоск, содержащий средства хранения и зарядки этих взаимозаменяемых блоков и средств для обмена, так называемого взаимозаменяемого блока на электромобиль [1].
Преимуществом нашего решения является наличие системы управления верхнего уровня, позволяющей управлять логистикой батарейных модулей в сети зарядных станций. Для монтажа батарейных модулей не требуется специальное загрузочное оборудование. Батарейные модули универсальные, подходят ко многим транспортным средствам.
Известна электрическая система общественного транспорта, включающая: автобус с электрическим приводом, оснащенный кассетным аккумулятором и системой управления на шине; зарядную станцию, размещенную в заранее определенном месте для зарядки комплектов кассетных аккумуляторов; погрузочно-разгрузочный аппарат, в котором, когда автобусу заменяют комплект кассетных батарей, устройство загрузки и разгрузки выгружает комплект кассетных батарей из автобуса и загружает заряженный комплект кассетных батарей в автобус; зарядную станцию, оборудованную системой управления зарядом, а погрузочно-разгрузочный аппарат - системой управления загрузкой и разгрузкой. Система управления погрузкой и разгрузкой, система управления на шине и система управления зарядом могут взаимодействовать друг с другом, посредством чего, когда система управления загрузкой и разгрузкой принимает сигнал, отправленный от установленной на шине системы управления автобуса, что автобус возвращается к зарядной станции, система управления загрузкой и разгрузкой перемещает устройство загрузки и разгрузки в заранее определенное положение, соответствующее автобусу на зарядной станции и ждет; и когда автобус прибывает в заранее определенное положение, система управления загрузкой и разгрузкой управляет устройством загрузки и разгрузки, чтобы заменить комплект кассетных батарей на заряженный комплект кассетных батарей, в результате чего автобус может непрерывно работать в сети; зарядная станция дополнительно включает в себя зарядное устройство и устройство автоматического отслеживания электросети для поиска данных о потреблении электроэнергии в электросети; и система управления зарядкой определяет, находится ли используемая электросеть в впадинах, на основе данных поиска устройства автоматического отслеживания электросети; если да, запускается программа полной зарядки в зарядном устройстве, управляемом системой управления зарядом, и комплект кассетных батарей заряжается полным током до тех пор, пока комплект кассетных батарей не будет полностью заряжен; если нет, запускается программа плавающего заряда в зарядном устройстве, управляемая системой управления зарядом, и комплект кассетных батарей заряжается плавающим током [2].
Недостатками данной системы является громоздкая структура всей системы и медленная замена АКБ.
Известен способ и система планирования энергии электромобиля, блока аккумуляторной батареи и станция замены аккумулятора, отличающийся тем, что способ включает: определение основного преобразователя для замены батареи заменяемого электромобиля в заранее заданной области; определение главной энергетической подстанцией сменной батареи, выделенной для зоны распределения энергии в заранее установленной зоне и распределение батареи с изменением мощности в зону распределения энергии; при этом зона распределения энергии находится в пределах заданной зоны, подобласти, в которой расположена подстанция, причем подобласть включает одно или несколько зарядных устройств; зарядное устройство в состоянии ожидания в зоне диспетчеризации энергии управляется для замены зарядки аккумуляторной батареи, а заряженная батарея для замены доставляется на главную станцию изменения мощности. Способ диспетчеризации энергии электрического транспортного средства по п. 1, в котором определение энергообменной батареи, выделенной главной энергообменной станцией зоне диспетчеризации энергии в заранее установленной зоне, включает: получение информации о состоянии зарядного устройства; информация о состоянии включает в себя адрес зарядного устройства, доступный период зарядки и емкость зарядки; определение, в соответствии с информацией о состоянии зарядного устройства, мощности зарядки, требуемой для изменяющейся батареи, и политики планирования области планирования энергии, батареи смены мощности, выделенной для области планирования энергии [3].
Недостатками данного решения являются отсутствие возможности зарядки батарей вне стационарных зарядных станций, а также определение местоположения всех элементов системы.
Известен блок аварийной тяговой аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что он содержит: батарейный блок; литиевый батарейный модуль и систему управления аккумулятором в батарейном блоке, где литиевый батарейный модуль и/или система управления аккумулятором выполнены с возможностью извлечения или вталкивания из батарейного ящика с помощью соответствующего механизма лотка [4].
Недостатками данного решения являются сложность и длительность замены батарейных модулей, а также недостаточная надежность разъемов крепления.
Наиболее близким к техническому решению системы является «Система городского транспорта с использованием электромобилей» [1], который выбираем прототипом для изобретения системы.
Наиболее близким к техническому решению способа является «Способ и система планирования энергии электромобиля, блока аккумуляторной батареи и станции замены аккумулятора» [3], который выбираем прототипом для изобретения способа.
Наиболее близким к техническому решению батарейного модуля является «Блок аварийной тяговой аккумуляторной батареи» [4], который выбираем прототипом для изобретения устройства.
Техническая задача изобретения системы решается тем, что содержит не менее одного батарейного модуля, не менее одного внешнего потребителя энергии, не менее одного транспортного средства, не менее одного устройства накопления энергии, не менее одной стационарной зарядной станции, не менее одной мобильной зарядной станции, не менее одной ветрогенераторной электростанции, не менее одной солнечной электростанции, не менее одной линии электропередачи, не менее одного устройства управления энергосистемой, не менее одного контроллера, не менее одной базы данных, не менее одного дисплея при том, что контроллер устройства управления энергосистемой выполнен с возможностью двусторонней беспроводной связи с контроллерами батарейного модуля, транспортного средства, устройства накопления энергии, мобильной зарядной станции и стационарной зарядной станции, причем контроллеры батарейного модуля, транспортного средства, устройства накопления энергии, мобильной зарядной станции и стационарной зарядной станции выполнены с возможностью передачи на контроллер устройства управления энергосистемой информации о местоположении всех элементов системы, состоянии заряда каждого батарейного модуля, возможности его дальнейшей эксплуатации и о количестве заряженных батарейных модулей на мобильной и стационарной зарядных станциях. Также изношенный в системе батарейный модуль выполнен с возможностью размещения в устройстве накопления энергии для дальнейшей эксплуатации внешними потребителями и управления энергосистемой направляет контроллеру мобильной зарядной станции координаты местоположения транспортного средства с полностью разряженным батарейным модулем и информацию о количестве требуемых батарейных модулей.
Техническая задача изобретения способа решается тем, что сначала заряжается батарейный модуль в зарядных станциях, затем батарейный модуль устанавливается на транспортное средство и эксплуатируется. Во время эксплуатации происходит обмен информацией о диагностике, обработке и контроле результатов измерений состояния заряда и состояния батарейного модуля между контроллерами батарейного модуля и транспортного средства. Затем осуществляется обмен информацией между контроллерами транспортного средства и устройством управления энергосистемой о местоположении всех элементов системы, состоянии заряда каждого батарейного модуля, возможности его дальнейшей эксплуатации и о количестве заряженных батарейных модулей на мобильной и стационарной зарядных станциях. Устройство управления энергосистемой в результате полученной информации контролирует остаток энергии заряда в батарейном модуле, определяет местоположение транспортного средства и ближайшей к нему стационарной зарядной станции с достаточным количеством заряженных батарейных модулей. В случае определения контроллером устройства управления энергосистемой недостатка энергии для достижения стационарной зарядной станции транспортным средством, на контроллер мобильной зарядной станции направляется команда с указанием местоположения транспортного средства и количества требуемых батарейных модулей для замены. По прибытии мобильной зарядной станции к транспортному средству производят замену разряженных батарейных модулей. После этого проверяют разряженный батарейный модуль на возможность дальнейшей эксплуатации. В случае определения негодности, батарейный модуль размещают в устройство накопления энергии для дальнейшей эксплуатации. Для годных батарейных модулей - цикл эксплуатации повторяется.
Техническая задача изобретения устройства решается тем, что батарейный модуль содержит не менее одного контроллера, не менее одной направляющей, не менее одного слота, не менее одной ячейки батареи, не менее одного узла крепления, не менее одного контактного узла батареи и не менее одного контактного узла слота, отличающийся тем, что контактный узел батареи и контактный узел слота имеют не менее одного силового и сигнального интерфейса, причем силовой интерфейс слота выполнен в виде штыревых контактов. При этом контроллер батарейного модуля выполнен с возможностью диагностики, обработки и контроля результатов измерений протекающего тока, напряжения и температуры всего батарейного модуля, каждой ячейки и контроллера батарейного модуля, а узел крепления выполнен в виде электромеханического запорного устройства с петлей и с не менее чем одной направляющей. Сущность комплекса изобретений поясняется чертежами, на которых:
на фиг. 1 представлена общая блок-схема системы управления легким городским электротранспортом;
на фиг. 2 представлена блок схема контроллеров системы управления легким городским электротранспортом;
на фиг. 3 представлен алгоритм способа работы системы управления легким городским электротранспортом;
на фиг. 4 представлен батарейный модуль;
на фиг. 5 представлен слот батарейного модуля;
на фиг. 6 представлена схема установки батарейного модуля в слот;
на фиг. 7 представлено электромеханическое запорное устройство батарейного модуля;
на фиг. 8 представлен контактный узел батарейного модуля;
на фиг. 9 представлен контактный узел слота;
на фиг. 10 представлены ячейки батарейного модуля;
на фиг. 11 фотография батарейных модулей на транспортном средстве;
на фиг. 12 фотография транспортного средства.
На чертежах обозначены следующие элементы:
1 - батарейный модуль;
2 - внешний потребитель энергии;
3 - транспортное средство;
4 - устройство накопления энергии;
5 - мобильная зарядная станция;
6 - стационарная зарядная станция;
7 - ветрогенераторная электростанция;
8 - солнечная электростанция;
9 - линии электропередачи;
10 - устройство управления энергосистемой;
11 - база данных;
12 - дисплей;
13 - контроллер батарейного модуля;
14 - контроллер транспортного средства;
15 - контроллер внешнего потребителя энергии;
16 - контроллер стационарной зарядной станции;
17 - контроллер мобильной зарядной станции;
18 - контроллер устройства накопления энергии;
19 - контроллер устройства управления энергосистемой;
20 - зарядка батарейного модуля в зарядных станциях;
21 - установка батарейного модуля на транспортное средство;
22 - эксплуатация батарейного модуля;
23 - обмен информацией между контроллерами батарейного модуля и транспортного средства;
24 - обмен информацией между контроллерами транспортного средства и устройства управления энергосистемой;
25 - контроль заряда в батарейном модуле, определение местоположения транспортного средства и ближайшей к нему стационарной зарядной станции устройством управления энергосистемой;
26 - определение контроллером устройства управления энергосистемой недостатка энергии для достижения ближайшей зарядной станции;
27 - проверка возможности транспортного средства доехать до стационарной зарядной станции;
28 - направление мобильной зарядной станции к транспортному средству;
29 - замена разряженного батарейного модуля;
30 - проверка на возможность дальнейшей эксплуатации;
31 - размещение в устройстве накопления энергии, в случае негодности, батарейного модуля;
32 - дальнейшая эксплуатация годного батарейного модуля;
33 - петля электромеханического запорного устройства батарейного модуля;
34 - направляющие батарейного модуля;
35 - контактный узел батарейного модуля;
36 - слот батарейного модуля;
37 - электромеханическое запорное устройство батарейного модуля;
38 - контактный узел слота батарейного модуля;
39 - сигнальный интерфейс батарейного модуля;
40 - силовой интерфейс батарейного модуля;
41 - сигнальный интерфейс слота батарейного модуля;
42 - силовой интерфейс слота батарейного модуля;
43 - ячейки батарейного модуля.
Система управления легким городским электротранспортом, содержит не менее одного батарейного модуля (1), не менее одного внешнего потребителя энергии (2), не менее одного транспортного средства (3), не менее одного устройства накопления энергии (4), не менее одной мобильной зарядной станции (5), не менее одной стационарной зарядной станции (6), не менее одной ветрогенераторной электростанции (7), не менее одной солнечной электростанции (8), не менее одной линии электропередачи (9), не менее одного устройства управления энергосистемой (10), не менее одной базы данных (11), не менее одного дисплея (12), не менее одного контроллера батарейного модуля (13), не менее одного контроллера транспортного средства (14), не менее одного контроллера стационарной зарядной станции (16), не менее одного контроллера мобильной зарядной станции (17), не менее одного контроллера устройства накопления энергии (18), не менее одного контроллера устройства управления энергосистемой (19).
Предлагаемая система управления легким городским электротранспортом работает следующим образом: заряженный блок батарейного модуля (1) устанавливается в транспортное средство (3) на стационарной зарядной станции (6) или мобильной зарядной станции (5).
В процессе эксплуатации батарейного модуля контроллер батарейного модуля (13) измеряет его параметры и обменивается информацией с контроллерами транспортного средства (14) и устройства управления энергосистемой (10). В свою очередь, контроллер транспортного средства (14) обменивается информацией с контроллером устройства управления энергосистемой (19). Устройство управления энергосистемой (10) рассчитывает необходимость пополнить заряд, определяет местоположение ближайшей стационарной зарядной станции (6) и/или мобильной зарядной станции (5). После того, как транспортное средство (3) прибывает к стационарной зарядной станции или мобильной зарядной станции - батарейный модуль снимается и перемещается на мобильную или стационарную зарядную станцию. Транспортное средство с заряженными батарейными модулями уезжает с зарядной станции. Разряженный батарейный модуль (1) устанавливается на любую из зарядных станций. В случае диагностирования значительного износа, батарейный модуль больше не может использоваться в транспортном средстве, информация о выводе батарейного модуля из транспортной системы передается стационарной зарядной станции или мобильной зарядной станции, а затем на устройство управления энергосистемой. Устройство управления энергосистемой (10) перераспределяет батарейные модули в устройство накопления энергии (4). Затем батарейный модуль перемещается в устройство накопления энергии (4). Вся информация хранится в базе данных (11) и отображается на дисплее (12).
Батарейный модуль (1) состоит из петли электромеханического запорного устройства батарейного модуля (33), направляющих батарейного модуля (34), контактного узла батарейного модуля (35), слота батарейного модуля (36), электромеханического запорного устройства батарейного модуля (37), контактного узла слота батарейного модуля (38), сигнального интерфейса батарейного модуля (39), силового интерфейса батарейного модуля (40), сигнального интерфейса слота батарейного модуля (41), силового интерфейса слота батарейного модуля (42), ячеек батарейного модуля (43) и контроллера батарейного модуля (13).
Батарейный модуль работает следующим образом: батарейный модуль (1) вставляется в слот батарейного модуля (36) по направляющим батарейного модуля (34), причем сигнальный интерфейс батарейного модуля (39) и силовой интерфейс батарейного модуля (40) совмещаются с сигнальным интерфейсом слота батарейного модуля (41) силовым интерфейсом слота батарейного модуля (42) и фиксируется в петле электромеханического запорного устройства батарейного модуля (33). После этого электромеханическое запорное устройство (37) закрывается. Через контактный узел батарейного модуля (35) происходит обмен энергией и информацией между контроллером батарейного модуля (13) и контроллером транспортного средства (14). При зарядке батарейного модуля (1) через контактный узел (35) батарейного модуля проходит обмен энергией и информацией между контроллером батарейного модуля (13) и контроллерами стационарной и мобильной зарядных станций (16, 17). При использовании батарейного модуля в устройстве накопления энергии (4) он также подключается через контактный узел (35).
Предлагаемый комплекс изобретений позволит значительно увеличить энергосбережение и логистический потенциал функционирования системы легкого городского электротранспорта, повысить эксплуатационную надежность и долговечность работы батарейных модулей и транспортных средств. Также система предоставляет «вторую» жизнь отработанным батарейным модулям в устройствах накопления энергии.
Промышленная применимость подтверждается фотографиями на фиг. 11 и фиг. 12.
Пример работы системы управления городским электротранспортом.
Рабочая сессия батарейного модуля (1) начинается с того, что заряженный блок батарейного модуля устанавливается в транспортное средство (3) на стационарной зарядной станции (6) или мобильной зарядной станции (5). Затем в процессе эксплуатации батарейного модуля контроллер батарейного модуля (13) измеряет напряжение батарейного модуля (которое не превышает 48 В), напряжение каждой ячейки батарейного модуля (43), протекающего тока, температуры контроллера батарейного модуля и ячеек батарейного модуля. Одновременно с этим контроллер батарейного модуля диагностирует и контролирует состояние напряжения батарейного модуля, превышение максимального напряжения, снижение напряжения батарейного модуля ниже минимального и снижение напряжения ячеек батарейного модуля ниже минимального и превышение критического уровня тока. В результате процедур измерения, диагностики и контроля рассчитывается остаточная энергия модуля, количество принятой/отданной энергии батарейного модуля за рабочую сессию, количество принятой/отданной энергии за время жизни батарейного модуля, а также допустимый максимальный ток.
Все вышеперечисленные данные контроллер батарейного модуля (13) передает в ходе эксплуатации контроллеру транспортного средства (14).
В свою очередь контроллер транспортного средства (14) передает устройству управления энергией (10) координаты местоположения транспортного средства (3) и прогнозируемый пробег на оставшемся заряде батарейного модуля.
Устройство управления энергосистемой (10) рассчитывает необходимость пополнить заряд батарейного модуля и рекомендует ближайшую стационарную или мобильную зарядную станцию.
После прибытия транспортного средства к стационарной зарядной станции (6) или мобильной зарядной станции (5), оператор зарядной станций либо водитель снимает батарейный модуль (весом не более 13 кг) и перемещает на зарядную станцию.
В транспортном средстве (3) оператор зарядных станций либо водитель устанавливает заряженные блоки тяговой аккумуляторной батареи (1) в транспортное средство (3), производится оплата за полученную энергию.
Транспортное средство (класс L1-L7, N1, M1) с заряженными батарейными модулями уезжает с зарядной станции.
Разряженный батарейный модуль (1) устанавливается на любую зарядную станцию. Контроллер батарейного модуля (13) обменивается информацией с контроллером стационарной зарядной станции (16) или мобильной зарядной станции (17). Зарядка производится до момента, пока контроллер батарейного модуля (13) не сообщит стационарной зарядной станции (6) или мобильной зарядной станции (5) о завершении заряда.
Контроллер батарейного модуля (13) высылает контроллеру стационарной зарядной станции (16) или мобильной зарядной станции (17) информацию о проценте износа батарейного модуля (1) (об остаточной емкости), стационарная зарядная станция (6) или мобильная зарядная станция (5) передает эту информацию на устройство управления энергосистемой (10).
В случае диагностирования контроллером батарейного модуля (13) значительного износа батарейного модуля, батарейный модуль больше не может использоваться в транспортном средстве из-за недостаточной мощности. Информация о выводе батарейного модуля из системы управления легким городским электротранспортом передается стационарной зарядной станции (6) или мобильной зарядной станции (5), а затем на устройство управления энергосистемой (10).
Устройство управления энергосистемой перераспределяет батарейные модули в устройство накопления энергии (4), где используется в качестве источника энергии в том числе в устройствах бесперебойного питания от ЛЭП, устройствах накопления электроэнергии на ветрогенераторных и солнечных электростанциях, где батарейный модуль работает в условиях малых токов и постоянного мониторинга состояния.
В случае критического износа батарейного модуля, контроллер батарейного модуля (13) блокирует его работу и передает эту информацию на контроллер устройства накопления энергии (4) и контроллер устройства управления энергосистемой (10). Устройство управления энергосистемой (10) рассчитывает необходимость ввода в систему управления легким городским электротранспортом новых батарейных модулей.
Источники информации
1. Патент FR 2749547 A1 «Система городского транспорта с использованием электромобилей», B60L 11/18; B60S 5/06; B60L 11/18, дата подачи 06.06.1996, дата публикации 12.12.1997.
2. Патент US 8022666 B2 «Электрическая система общественного транспорта», B60S 5/06; H02J 7/00; Н04М 11/02; B60K 1/04; B65F 9/00; B65G 1/00; B65G 65/00; B66F 7/28; E02D 27/00; H02J 7/14, дата подачи 20.11.2004, опубликовано 20.09.2011.
3. Заявка WO 2018184363 А1 «Способ и система планирования энергии электромобиля, блока аккумуляторной батареи и станции замены аккумулятора», G06Q 10/06, дата подачи 07.04.2017, дата публикации 10.11.2018.
4. Патент CN 107275543 «Блок аварийной тяговой аккумуляторной батареи в сборе», Н01М 10/42; Н01М 10/613; Н01М 10/625; Н01М 10/6563; Н01М 10/6567; Н01М 10/6569; Н01М 2/10, дата по дачи 01.08.2017, дата публикации 20.10.2017.