Электроаккумуляторное устройство модульного типа
ELECTRIC STORAGE DEVICE OF MODULAR TYPE

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к электрическим зарядным устройствам и предназначено для накопления, преобразования, трансформации, транспорта и передачи электрической энергии транспортным средствам, приводимым в движение электромоторами и имеющим тяговые аккумуляторные батареи. Изобретение также может быть использовано для домохозяйств и промышленности в качестве накопителя электрической энергии, источника переменного и постоянного тока, блока бесперебойного питания, блока стабилизации напряжения и снятия пиковых нагрузок питающей сети, а также для интеграции источников возобновляемой энергии в домашнюю сеть.
Известна система мобильной зарядки [CN206697971U, опубл. 01.12.2017], содержащая аккумуляторный модуль, преобразователи постоянного/переменного тока, постоянного/постоянного тока и схему переключения режимов, балансировочные платы, главный модуль управления, модуль беспроводной передачи данных, модули защиты от перегрузок с предохранителями и другие блоки. Главный модуль управления включает в себя блок сбора и управления данными и контроллер, блок сбора и управления данными соединен с аккумуляторным модулем и модулем зарядки и учета для определения рабочего состояния. Аккумуляторный модуль может содержать группу литиевых батарей, соединенных параллельно. Система мобильной зарядки может располагаться на мобильной платформе, а также имеет главный управляющий модуль и другие контролирующие и управляющие модули с возможностью подключения к облачным сервисам хранения и обработки информации, посредством которых осуществляется подбор подходящего способа мобильной зарядки с использованием информации, полученной от системы мобильной зарядки, оператора таких систем и запроса от потребителя услуги зарядки. В режиме преобразования постоянного тока в переменный устройство может выдавать потребителю электроэнергию с параметрами 220 В и 3,3 кВт выходной переменного тока, обеспечивая медленную подзарядку электромобиля. В режиме преобразования постоянного тока в постоянный устройство обеспечивает постоянный ток напряжением 450 В и мощностью 20 кВт, обеспечивая быструю зарядку электромобиля.
Недостатками известного устройства являются необходимость использования отдельного блока для подзарядки аккумуляторных батарей, отсутствие возможности выработки электроэнергии низкого напряжения, отсутствие возможности объединения устройств в управляемую систему для увеличения мощности выдаваемой/потребляемой устройством(ми) электрической энергии.
Наиболее близким и принятым автором за прототип [CN106849292B, опубл. 17.12.2019] является компактное и легкое зарядное устройство для электрического транспортного средства, обеспечивающее быструю зарядку внешнего потребителя и быстрое восстановление заряда батарей, с единым блоком управления, с системой термостатирования и блоком защиты от повышения температуры, с отображением состояния заряда, локации устройства, дистанционным обменом данными. Устройство выполнено передвижным с возможностью работы как от сети, так и автономно. Зарядное устройство содержит блок ввода переменного тока, соединенный с сетью электропитания и используемый для питания от источника переменного тока; блок вывода постоянного тока соединен с электромобилем и используется для зарядки аккумулятора электромобиля постоянным током; выпрямительный блок, соединенный с блоком ввода переменного тока и блоком вывода постоянного тока для преобразования переменного тока в постоянный ток; блок управления зарядкой соединен с блоком ввода переменного тока, выпрямительным блоком и блоком вывода постоянного тока и используется для мониторинга состояния блока ввода переменного тока, управления выходом постоянного тока, управления и получения информации о состоянии выпрямительного блока; источник питания соединен с блоком ввода переменного тока и электромобилем и используется для обеспечения питания системы управления батареями электромобиля. Зарядное устройство дополнительно включает в себя: коммуникационный блок, соединенный с блоком управления зарядкой, измерительный блок, блок взаимодействия с человеком, GPS и блок связи. Измерительный блок используется для учета количества электроэнергии, блок взаимодействия с человеком используется для отображения и ввода информации, а GPS используется для получения и передачи информации о местоположении и состоянии зарядного оборудования и электромобиля в центр управления. Блок контроля подключения соединен с блоком управления зарядкой и электромобилем, при этом блок контроля подключения используется для определения состояния соединения с электромобилем и связи с системой управления аккумулятором электромобиля для получения информации о состоянии и потребности в зарядке аккумуляторной батареи электромобиля, а также предоставления информации о зарядном оборудовании для системы управления аккумуляторной батареей электромобиля. Блок контроля изоляции соединен с блоком управления зарядкой и используется для определения сопротивления изоляции зарядного оборудования от замыкания на землю. Блок контроля температуры соединен с блоком управления зарядкой и используется для контроля внутренней температуры. Блок управления температурой содержит датчик температуры и устройство охлаждения, датчик температуры регистрирует внутреннюю температуру зарядного устройства и передает информацию о температуре в блок управления зарядкой, а блок управления зарядкой управляет устройством охлаждения для поддержания внутренней температуры зарядного устройства в пределах нормы. Зарядное устройство размещено на мобильной платформе и перемещается вместе с мобильной платформой. Внутренний источник питания соединен с блоком ввода переменного тока и блоком преобразования переменного тока в постоянный и используется для обеспечения питания блока управления зарядкой и блока управления связью. Блок ввода переменного тока используется для защиты от перегрузки по току, перенапряжения, утечки тока, предотвращения скачков напряжения и молниезащиты в зарядном устройстве, а блок вывода постоянного тока используется для защиты от перегрузки по току в зарядном оборудовании и электромобиле. Зарядное устройство дополнительно содержит блок накопления энергии и блок преобразования постоянного тока в постоянный ток, при этом блок накопления энергии соединен с блоком управления зарядкой и блоком преобразования постоянного тока в постоянный ток и используется для зарядки аккумуляторной батареи электромобиля. Зарядное устройство дополнительно содержит инверторный блок преобразования постоянного тока в переменный и блок вывода переменного тока, при этом инверторный блок соединен с блоком накопления энергии и блоком вывода переменного тока для осуществления медленной зарядки электромобиля переменным током.
Недостатками известного устройства являются: дублирование преобразовательных устройств для обеспечения подзарядки устройства накопления и выдачи мощности для зарядки электромобиля, высокая стоимость, вес и большие габариты устройства за счет объединении в устройстве разнообразных узкоспециализированных блоков, низкая эффективность за счет многократного преобразования энергии в устройствах силовой электроники, малая емкость накопителя энергии, низкая мощность зарядки электромобиля, длительное время зарядки электромобиля, ненадежная и нестабильная работа устройства в условиях низких температур, невозможность использовать устройство для нужд энергоснабжения прочих потребителей и регулирования напряжения в сети, отсутствие возможности масштабирования выдаваемой мощности за счет объединения устройств в управляемую систему.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности существующей зарядной инфраструктуры для электротранспорта путем создания электроаккумуляторного устройства модульного типа, позволяющего произвести зарядку штатных тяговых аккумуляторов электромобиля постоянным током высокой мощности в любом месте за короткий промежуток времени. Дополнительной технической задачей заявляемого изобретения является снятие сетевых ограничений для бытовых и промышленных потребителей электроэнергии в случае отсутствия технической возможности увеличения присоединенной электрической мощности по причине дефицита мощности со стороны сетевой организации, изношенности оборудования и сетей, низком качестве напряжения, невозможности резервирования электроснабжения традиционными методами (подключение к другой линии электропередачи, подключение к генератору и т.д.).
Техническим результатом изобретения является улучшение массогабаритных характеристик, стабильности работы и повышение безопасности эксплуатации электроаккумуляторного устройства модульного типа, используемого для зарядки электромобиля или в качестве накопителя и преобразователя электрической энергии в домохозяйствах и промышленности.
Технический результат достигается тем, что электроаккумуляторное устройство модульного типа содержит коммутационный разъем, включающий в себя клемму высокого напряжения и клемму низкого напряжения, выполненные с возможностью подключения внешнего источника питания и внешнего потребителя тока, и информационную клемму, при этом клемма высокого напряжения соединена с высоковольтным двунаправленным преобразователем, соединенным через контактор с аккумуляторной батареей, состоящей из аккумуляторов, соединенных между собой шинами в силовую цепь, к которой подключен шунт для измерения силы тока, предохранитель и предохранительная чека, служащая для экстренного обесточивания электроаккумуляторного устройства, при этом аккумуляторы подключены к балансировочным платам, которые подключены к главной балансировочной плате, аккумуляторная батарея соединена через предохранитель с низковольтным DC/DC преобразователем, соединенным с клеммой низкого напряжения коммутационного разъема, при этом к низковольтному DC/DC преобразователю подключены балансировочные платы через главную балансировочную плату, контроллер и через клемму низкого напряжения помпа жидкостной системы охлаждения высоковольтного двунаправленного преобразователя, при этом к контроллеру присоединены высоковольтный двунаправленный преобразователь, контактор, шунт, главная балансировочная плата, информационная клемма, датчик температуры, датчик задымления, датчик влажности, сервисный экран, аварийная кнопка, светодиод, ШИМ-контроллер греющего кабеля для подогрева аккумуляторной батареи и помпа жидкостной системы охлаждения высоковольтного двунаправленного преобразователя, при этом основой конструкции электроаккумуляторного устройства модульного типа является несущий поддон, выполненный с возможностью взаимодействия с грузоподъемными механизмами, на котором закреплен корпус с крышкой, внутри корпуса на несущем поддоне закреплена аккумуляторная батарея с шинами, балансировочными платами, главной балансировочной платой, причем между аккумуляторами аккумуляторной батареи размещен греющий кабель, снабженный предохранителем, внутри корпуса над аккумуляторной батареей под крышкой размещен лоток с противопереливным стаканом, имеющим форму конического выступа днища лотка, направленного внутрь лотка, при этом в верхней части конического выступа выполнено технологическое отверстие для размещения коммутационных проводов, днище лотка выполнено с уклоном в сторону помпы жидкостной системы охлаждения, а датчик влажности расположен под помпой, в лотке на расстоянии от его днища закреплены высоковольтный двунаправленный преобразователь, контактор, низковольтный DC/DC преобразователь, контроллер, датчик температуры, датчик задымления, а также жидкостная система охлаждения высоковольтного двунаправленного преобразователя, при этом снаружи корпуса размещен коммутационный разъем, сервисный экран, светодиод и аварийная кнопка. При этом в качестве высоковольтного двунаправленного преобразователя могут устанавливаться преобразователи, преобразующие постоянный ток в постоянный (DC/DC) или переменный ток в постоянный (AC/DC). При этом жидкостная система охлаждения высоковольтного двунаправленного преобразователя включает впускной вентиляционный канал и выпускной вентиляционный канал, соединенные воздуховодами с радиатором, к которому присоединены расширительный бачок и помпа.
Улучшение массогабаритных характеристик электроаккумуляторного устройства достигается за счет выполнения в едином корпусе конструктивного решения, совмещающего зарядную (аккумуляторная батарея с аккумуляторами, соединенными между собой шинами) и силовую (высоковольтный двунаправленный преобразователь, шунт, предохранитель, контактор, клемма высокого напряжения) части, а также использования аккумуляторов с высокой удельной плотностью энергии. Реализация функции преобразования постоянного или переменного тока высокого напряжения посредством высоковольтного двунаправленного преобразователя позволяет избежать дублирования преобразовательных устройств для обеспечения заряда аккумуляторной батареи электроаккумуляторного устройства и выдачи мощности для зарядки электромобиля. При этом электрическая цепь, образованная клеммой высокого напряжения, соединенной с высоковольтным двунаправленным преобразователем и далее через контактор с аккумуляторной батареей, используется как для заряда аккумуляторной батареи от внешнего источника питания, так и для подачи напряжения в сторону внешнего потребителя. Конструктивное выполнение силовой части электроаккумуляторного устройства модульного типа и его системы термостатирования в лотке позволяет компактно их разместить вместе с зарядной частью в едином корпусе. Размещение высоковольтного двунаправленного преобразователя и низковольтного DC/DC преобразователя постоянного тока в постоянный в одном корпусе позволяет улучшить массогабаритные характеристики устройства при сохранении широкого диапазона выходного напряжения, подаваемого внешнему потребителю. При этом клемма низкого напряжения может быть использована для питания извне низковольтного DC/DC преобразователя и возобновления работы низковольтной части электроаккумуляторного устройства модульного типа для последующей его подзарядки от внешнего источника электроэнергии. Далее переменный ток будет обозначаться как АС, а постоянный ток - DC.
Улучшение стабильности работы и повышение безопасности эксплуатации устройства при высоких нагрузках и неблагоприятных температурных режимах окружающей среды достигается за счёт встроенной системы термостатирования (впускной вентиляционный канал, выпускной вентиляционный канал, воздуховод, радиатор, помпа, расширительный бачок, соединительные шланги, греющий кабель), которая обеспечивает поддержание температуры оборудования в оптимальном рабочем диапазоне, предотвращая его перегрев или переохлаждение.
Высокая степень надежности работы и безопасности при эксплуатации устройства обеспечена системой управления и автоматического мониторинга рабочих параметров (контроллер, балансировочные платы аккумуляторов батареи и главная балансировочная плата, датчик температуры, датчик задымления, датчик влажности, клемма низкого напряжения и информационная клемма коммутационного разъёма, шунт, светодиод, ШИМ контроллер, сервисный экран), а также системой экстренного отключения (предохранительная чека, аварийная кнопка, предохранители силовой цепи аккумуляторной батареи, греющего кабеля и низковольтного DC/DC преобразователя). Отключение электроаккумуляторного устройства модульного типа может быть произведено как в ручном режиме, так и в автоматическом. Для экстренного отключения устройства в ручном режиме предусмотрена аварийная кнопка, при нажатии на которую сигнал поступает к контроллеру, а с него к контактору, размыкая его и отключая высоковольтный двунаправленный преобразователь от аккумуляторной батареи. Если данные меры не приводят к ликвидации аварийной ситуации, дополнительно вручную активируется предохранительная чека, которая при её экстренном извлечении оператором устройства создаёт механический разрыв в силовой цепи аккумуляторной батареи.
В автоматическом режиме при возникновении аварийной ситуации безопасность работы электроаккумуляторного устройства модульного типа обеспечивается предохранителем силовой цепи аккумуляторной батареи, который защищает силовую цепь, соединяющую аккумуляторы в аккумуляторную батарею, предохранителем греющего кабеля, который защищает греющий кабель, а также предохранителем, защищающим низковольтный DC/DC преобразователь. Экстренное отключение греющего кабеля обеспечивается предохранителем греющего кабеля, размыкающим цепь питания кабеля по превышению допустимого протекающего тока.
Датчик температуры, датчик задымления и датчик влажности измеряют соответствующие параметры заявляемого устройства, передают сигналы в контроллер, который автоматически снижает выходную мощность при превышении температуры аккумуляторной батареи выше оптимальной, при этом при задымлении или протечке охлаждающей жидкости контроллер меняет цвет светодиода на красный, сигнализируя об аварийной ситуации, а на сервисном экране появляется индикация ошибки.
Кроме того, несущий поддон электроаккумуляторного устройства, выполненный с возможностью взаимодействия с грузоподъемными механизмами, обеспечивает надежную фиксацию устройства во время погрузки, разгрузки и транспортировки. Корпус и крышка, выполненные из композитных материалов, обеспечивают защиту электроаккумуляторного устройства от внешних воздействий.
На фиг. 1 показан общий вид электроаккумуляторного устройства модульного типа в различных проекциях. На фиг. 2 приведена блок-схема устройства.
Основой конструкции электроаккумуляторного устройства модульного типа (фиг. 1а) является несущий поддон 1, выполненный в виде решетчатой конструкции, обеспечивающей возможность взаимодействия с грузоподъемными механизмами, например, грузоподъёмной тележкой типа «рохли» или штабелером. На несущем поддоне 1 закреплен корпус 2, снабженный крышкой 3, которые обеспечивают защиту электроаккумуляторного устройства от внешних воздействий и защиту оператора от контакта с зарядной и силовой частями устройства. Несущий поддон 1 может быть выполнен из ударопрочного пластика, закрепленный на нем корпус 2 и крышка 3 - из композитных материалов, например, стеклоткани с эпоксидной смолой, стекломата с эпоксидной смолой, стекловолокна с эпоксидной смолой.
Внутри корпуса 2 на несущем поддоне 1 закреплена аккумуляторная батарея 4, состоящая из нескольких аккумуляторов 5 с высокой удельной плотностью энергии (более 200 Вт*ч на 1 кг). В качестве таких аккумуляторов могут применяться накопители, состоящие из ячеек (например, литий-железо-фосфатных, литий-ионных, литий-титанатных, литий-полимерных, никель-металл-гибридных и др.), соединённых внутри аккумулятора по последовательно-параллельной схеме (на фигурах не показаны). Коммутация аккумуляторов 5 между собой осуществляется с помощью шин 6, образующих силовую цепь аккумуляторной батареи 4 и выполненных из токопроводящих материалов, обладающих низким показателем удельного сопротивления, например, из меди, алюмомеди, алюминия. Аккумуляторы 5 электрически подключены к балансировочным платам 7, которые, в свою очередь, подключены к главной балансировочной плате 8, соединенной с контроллером 9 (фиг. 1б, фиг. 2). Шунт 10 (фиг. 2) подключен к силовой цепи аккумуляторной батареи 4 и контроллеру 9 и служит для измерения силы тока. Балансировочные платы 7 и главная балансировочная плата 8 размещены в зазоре между боковой поверхностью аккумуляторной батареи 4 и корпусом 2 (фиг. 1б). В силовую цепь, соединяющую аккумуляторы 5 в аккумуляторную батарею 4, установлен предохранитель силовой цепи 11 аккумуляторной батареи 4. Кроме того, в силовую цепь аккумуляторной батареи 4 установлена предохранительная чека 12, служащая для экстренного обесточивания электроаккумуляторного устройства: при её экстренном извлечении оператором заявляемого устройства создаётся механический разрыв в силовой цепи аккумуляторной батареи 4.
Внутри корпуса 2 с зазором над аккумуляторной батареей 4 под крышкой 3 размещен лоток 13 (фиг. 1а, в). Днище лотка 13 выполнено с уклоном вниз в сторону помпы 14 жидкостной системы охлаждения, как места, наиболее вероятного по риску утечки охлаждающей жидкости. Для размещения коммутационных проводов, соединяющих оборудование, расположенное в нижней и верхней частях электроаккумуляторного устройства, а также для предотвращения утечки на аккумуляторную батарею 4 охлаждающей жидкости лоток 13 выполнен с противопереливным стаканом 15 в виде конического выступа днища, направленного внутрь лотка 13, при этом в верхней части конического выступа выполнено технологическое отверстие. В случае аварийной утечки охлаждающая жидкость скапливается на дне лотка 13, а противопереливной стакан 15 предотвращает её попадание в батарейный отсек через технологическое отверстие.
В лотке 13 на расстоянии от его днища закреплены (фиг. 1а, в) высоковольтный двунаправленный преобразователь 16, контактор 17, низковольтный DC/DC преобразователь 18, контроллер 9, датчик температуры 19, датчик задымления 20, а также жидкостная система охлаждения высоковольтного двунаправленного преобразователя, включающая впускной вентиляционный канал 21 и выпускной вентиляционный канал 22, соединенные воздуховодами 23 с радиатором 24, к которому присоединен расширительный бачок 25 и помпа 14, соединенные шлангами 26. При этом датчик влажности 27 установлен под помпой 14 с целью наиболее быстрого определения утечки охлаждающей жидкости. Для облегчения конструкции электроаккумуляторного устройства лоток 13 с противопереливным стаканом 15 может быть выполнен из композитного материала, например, стеклоткани с эпоксидной смолой, стекломата с эпоксидной смолой, стекловолокна с эпоксидной смолой.
На верхней наружной части крышки 3 корпуса 2 размещен коммутационный разъем 28 (фиг. 1б, а), включающий клемму высокого напряжения 29, клемму низкого напряжения 30 и информационную клемму 31 (фиг. 2). На передней части крышки 3 размещен сервисный экран 32, служащий для отображения текущего заряда аккумуляторной батареи 4, состояния и параметров работы устройства (фиг. 1б). В непосредственной близости от сервисного экрана 32 размещена аварийная кнопка 33, служащая для экстренного отключения электроаккумуляторного устройства в ручном режиме. Для индикации экстренного/рабочего состояния электроаккумуляторного устройства на крышке 3 установлен светодиод 34, подключенный к контроллеру 9 и изменяющий цвет: в режиме ожидания – зеленый цвет, в режиме заряд/разряд - синий цвет, в случае аварии - красный.
Клемма высокого напряжения 29 соединена с высоковольтным двунаправленным преобразователем 16, который в свою очередь через контактор 17 подключен к аккумуляторной батарее 4 (фиг. 2). В качестве высоковольтного двунаправленного преобразователя 16 могут устанавливаться преобразователи, преобразующие постоянный ток в постоянный (DC/DC) или переменный ток в постоянный (AC/DC). При этом электрическая цепь, образованная клеммой высокого напряжения, соединенной с высоковольтным двунаправленным преобразователем и далее через контактор с аккумуляторной батареей, используется как для заряда аккумуляторной батареи от внешнего источника питания, так и для подачи напряжения в сторону внешнего потребителя.
Аккумуляторная батарея 4 соединена через предохранитель 35 с низковольтным DC/DC преобразователем 18, соединенным с клеммой низкого напряжения 30 коммутационного разъема 28 (фиг. 2). При этом к низковольтному преобразователю 18 подключены балансировочные платы 7 через главную балансировочную плату 8, контроллер 9 и через клемму низкого напряжения 30 помпа 14 жидкостной системы охлаждения высоковольтного двунаправленного преобразователя. Низковольтный DC/DC преобразователь предназначен для преобразования тока высокого напряжения аккумуляторной батареи 4 в ток низкого напряжения для питания низковольтных устройств внешнего потребителя, а также питания балансировочных плат 7, главной балансировочной платы 8, контроллера 9, помпы 14, сервисного экрана 32, датчика температуры 19, датчика задымления 20, датчика влажности 27, светодиода 34. При этом клемма низкого напряжения 30 может быть использована для питания извне низковольтного DC/DC преобразователя 18 и возобновления работы низковольтной части электроаккумуляторного устройства модульного типа для последующей его подзарядки от внешнего источника электроэнергии.
За обеспечение непрерывной работы устройства при высоких нагрузках и неблагоприятных температурных режимах окружающей среды отвечает система термостатирования, состоящая из жидкостной системы охлаждения высоковольтного двунаправленного преобразователя и системы подогрева аккумуляторной батареи. Жидкостная система охлаждения обеспечивает стабильную и надежную работу высоковольтного двунаправленного преобразователя 16 в составе заявляемого электроаккумуляторного устройства при высоких нагрузках и/или высокой температуре окружающей среды и включает (фиг. 1а, 1в) впускной вентиляционный канал 21 и выпускной вентиляционный канал 22, соединенные воздуховодами 23 с радиатором 24, к которому присоединена помпа 14 и расширительный бачок 25, соединенные шлангами 26. За обеспечение сохранения мощностных параметров электроаккумуляторного устройства и поддержания рабочей температуры аккумуляторной батареи 4 при низких температурах окружающей среды отвечает система подогрева аккумуляторной батареи (фиг. 1а, фиг. 2), включающая в себя греющий кабель 36 с предохранителем греющего кабеля 37, расположенный внутри аккумуляторной батареи 4 между аккумуляторами 5, а также ШИМ контроллер 38, который по командам контроллера 9 осуществляет управление степенью нагрева греющего кабеля 36. Охлаждение аккумуляторной батареи 4 осуществляется за счет естественной вентиляции через противопереливной стакан 15 лотка 13.
Мониторинг параметров электроаккумуляторного устройства модульного типа и управление его работой осуществляется контроллером 9 и датчиками параметров (фиг. 2). К контроллеру 9 подключены высоковольтный двунаправленный преобразователь 16, контактор 17, шунт 10, датчик температуры 19, датчик задымления 20, датчик влажности 27, сервисный экран 32, аварийная кнопка 33, светодиод 34, ШИМ-контроллер 38 греющего кабеля 36 для подогрева аккумуляторной батареи 4 и помпа 14 жидкостной системы охлаждения высоковольтного двунаправленного преобразователя 16.
Безопасность работы электроаккумуляторного устройства помимо предохранительной чеки 12 и аварийной кнопки 33 обеспечивается предохранителем 11 силовой цепи аккумуляторной батареи 4, подключенным в силовую цепь, соединяющую аккумуляторы 5 в аккумуляторную батарею 4, предохранителем греющего кабеля 37, подключенным к греющему кабелю 36, а также предохранителем 35 низковольтного DC/DC преобразователя 18 (фиг. 2).
Устройство работает следующим образом.
Электроаккумуляторное устройство имеет несколько режимов работы: заряд, разряд, ожидание. В режиме заряда напряжение подаётся от внешнего источника питания, аккумуляторная батарея заряжается. В режиме разряда напряжение подается в сторону внешнего потребителя (например, электромобиля), и аккумуляторная батарея разряжается. В режиме ожидания осуществляется транспортировка и хранение устройства.
В режиме заряда электроаккумуляторное устройство при помощи коммутационного разъема 28 (фиг. 1) подключают к источнику питания через внешнее управляющее устройство, например, к электросети, генератору, электроустановке, источнику возобновляемой энергии или к иному источнику тока. На клемму высокого напряжения 29 коммутационного разъема 28 от внешнего источника питания поступает высокое напряжение постоянного тока (или переменного тока в случае установки в качестве высоковольтного двунаправленного преобразователя 16 преобразователя, преобразующего переменный ток в постоянный AC/DC), которое затем подается на высоковольтный двунаправленный преобразователь 16 (фиг. 2). Одновременно через информационную клемму 31 коммутационного разъема 28 на контроллер 9 поступает информационный сигнал о начале заряда устройства. Контроллер 9, получив этот сигнал, замыкает контактор 17, подключая высоковольтный двунаправленный преобразователь 16 к аккумуляторной батарее 4. Преобразователь 16 преобразует поступившее на него высокое напряжение в низкое напряжение, соответствующее напряжению тока заряда аккумуляторной батареи 4, установленной в электроаккумуляторном устройстве, которое затем через контактор 17 подается на аккумуляторную батарею 4. Аккумуляторная батарея 4 начинает заряжаться. При этом главная балансировочная плата 8 контролирует уровень напряжения, шунт 10 измеряет силу тока в силовой цепи аккумуляторной батареи 4 и передает сигнал контроллеру 9, осуществляющему регулирование силы тока. Текущий заряд аккумуляторной батареи 4 отображается на сервисном экране 32.
В соответствии с широко распространённым техническим решением аккумуляторы 5 аккумуляторной батареи 4 состоят из находящихся внутри каждого из них аккумуляторных ячеек, соединённых по последовательно-параллельной схеме (на фигурах не показаны). При достижении заданного порогового значения напряжения U в аккумуляторах 5 контроллер 9 снижает силу зарядного тока следующим образом: балансировочные платы 7 контролируют уровень напряжения ячеек в аккумуляторах 5 и передают эту информацию главной балансировочной плате 8, которая сравнивает данные значения с пороговыми (задаются заранее). В случае достижения верхнего порогового значения, что соответствует достижению максимального уровня заряда одного из аккумуляторов 5, главная балансировочная плата 8 передает сигнал контроллеру 9, который, по достижении максимального порога напряжения любой ячейки аккумулятора останавливает процесс заряда. При этом аккумуляторы 5 балансируются, т.е. происходит перераспределение электрической энергии между максимально заряженными и минимально заряженными ячейками аккумуляторов. После выравнивания напряжения в аккумуляторах 5 до единого уровня процесс заряда возобновляется. Контроллер 9 управляет процессом, останавливая и возобновляя заряд, пока все аккумуляторы 5 аккумуляторной батареи 4 не зарядятся до 100%. При достижении полного заряда всей аккумуляторной батареи 4 контроллер 9 размыкает контактор 17, отключая высоковольтный двунаправленный преобразователь 16 от аккумуляторной батареи 4.
В режиме разряда устройство работает следующим образом. Через коммутационный разъем 28 электроаккумуляторное устройство подключают к внешнему потребителю электроэнергии через внешнее управляющее устройство. Через информационную клемму 31 коммутационного разъема 28 в контроллер 9 поступает информационный сигнал о начале разряда устройства. Контроллер 9 подает сигнал контактору 17 на замыкание, и из аккумуляторной батареи 4 на высоковольтный двунаправленный преобразователь 16 поступает напряжение постоянного тока, где оно преобразуется в напряжение, соответствующее напряжению потребителя электрической энергии, а затем подается через клемму высокого напряжения 29 коммутационного разъема 28 внешнему потребителю: электромобилю, в сеть предприятия, домохозяйства или другому электроаккумуляторному устройству по предлагаемому изобретению. Одновременно через клемму низкого напряжения 30 коммутационного разъема 28 заявляемое устройство через низковольтный DC/DC преобразователь 18 может подавать низкое напряжение для подключения и питания любого другого внешнего оборудования.
Для предотвращения ускоренной деградации и выхода из строя аккумуляторной батареи 4 предусмотрена защита от падения напряжения на её аккумуляторах 5 ниже безопасного уровня, причем порог срабатывания защиты может настраиваться. В режиме разряда электроаккумуляторного устройства балансировочные платы 7 контролируют напряжение и уровень остаточного заряда аккумуляторов 5 и не дают им разрядиться ниже значения безопасного уровня, своевременно выключая режим разряда путем передачи сигнала через главную балансировочную плату 8 на контроллер 9, который, в свою очередь, размыкает контактор 17, отключая высоковольтный двунаправленный преобразователь 16 от аккумуляторной батареи 4.
В режиме ожидания энергопотребление всех элементов и систем электроаккумуляторного устройства модульного типа снижается. В этом режиме низковольтный DC/DC преобразователь 18 преобразует постоянный ток высокого напряжения с аккумуляторной батареи 4 в постоянный ток низкого напряжения и питает контроллер 9, балансировочные платы 7, главную балансировочную плату 8, датчик температуры 19, датчик задымления 20 и датчик влажности 27. На сервисный экран 32 выводится только минимально необходимая информация. В случае падения напряжения аккумуляторной батареи 4 ниже уровня, необходимого для обеспечения работы низковольтного DC/DC преобразователя 18 вследствие длительного хранения электроаккумуляторного устройства модульного типа на складе, либо длительного нахождения его в режиме ожидания при отрицательных температурах окружающего воздуха, клемма низкого напряжения 30 может быть использована для питания извне низковольтного DC/DC преобразователя 18 и возобновления работы низковольтной части электроаккумуляторного устройства модульного типа для последующей его подзарядки от внешнего источника электроэнергии.
Во всех режимах работы электроаккумуляторного устройства модульного типа датчик температуры 19, датчик задымления 20 и датчик влажности 27 измеряют соответствующие параметры устройства, передают сигналы в контроллер 9. При превышении температуры устройства выше оптимальной контроллер 9 путём подачи сигнала на высоковольтный двунаправленный преобразователь 16 автоматически снижает выходную мощность, а также подключает жидкостную систему охлаждения путем подачи сигнала на помпу 14, а в случае понижения температуры ниже оптимальной температуры эксплуатации аккумуляторной батареи 4 подключает систему подогрева. При задымлении или протечке охлаждающей жидкости контроллером 9 подаётся команда на размыкание контактора 17; при этом контроллер 9 меняет цвет светодиода 34 на красный, сигнализируя об аварийной ситуации, а на сервисном экране 32 появляется индикация ошибки.
Все протекающие процессы и контролируемые параметры отображаются на сервисном экране 32. При возникновении экстренных ситуаций отключение устройства может быть произведено как в ручном режиме, так и в автоматическом. Для экстренного отключения устройства в ручном режиме предусмотрена аварийная кнопка 33, при нажатии на которую сигнал поступает к контроллеру 9, а с него к контактору 17, размыкая его и отключая высоковольтный двунаправленный преобразователь 16 от аккумуляторной батареи 4. Если нажатие аварийной кнопки не привело к устранению аварийной ситуации, то после размыкания контактора 17 в ручном режиме можно активировать предохранительную чеку 12, при экстренном ручном извлечении которой происходит механический разрыв силовой цепи аккумуляторной батареи 4.
В автоматическом режиме при возникновении короткого замыкания в силовой цепи аккумуляторной батареи 4 цепь разрывается встроенным плавким предохранителем 11. Экстренное автоматическое отключение греющего кабеля 36 обеспечивается встроенным плавким предохранителем 37, размыкающим цепь питания кабеля. В случае возникновения короткого замыкания в цепи низковольтного DC/DC преобразователя 18 автоматически срабатывает плавкий предохранитель 35.
Включение жидкостной системы охлаждения в случае превышения температуры устройства выше оптимального значения осуществляется следующим образом: сигнал с датчика температуры 19 поступает в контроллер 9, который даёт сигнал помпе 14 на включение. Охлаждающая жидкость из радиатора 24 по соединительным шлангам 26 (фиг. 1а, в) поступает в расширительный бачок 25, затем с помощью помпы 14 подаётся в рубашку охлаждения высоковольтного двунаправленного преобразователя 16, отбирает у него тепло, а затем нагретая жидкость поступает обратно в радиатор 24, далее процесс повторяется. Сам же радиатор 24 обдувается через впускной вентиляционный канал 21 и воздуховоды 23 воздухом, поступающим извне и имеющим температуру окружающей среды, а затем нагретый воздух выбрасывается наружу через выпускной вентиляционный канал 22. Охлаждение аккумуляторной батареи 4 осуществляется за счет естественной вентиляции через противопереливной стакан 15 лотка 13.
При понижении температуры ниже оптимальной температуры эксплуатации аккумуляторной батареи 4 сигнал с датчика температуры 19 поступает в контроллер 9, который через ШИМ контроллер 38 управляет включением/выключением и степенью нагрева греющего кабеля 36. Греющий кабель, прилегая вплотную к корпусам аккумуляторов 5 аккумуляторной батареи 4, нагревает их до оптимальной рабочей температуры, после чего температура греющего кабеля снижается до температуры поддержания оптимального состояния аккумуляторов 5.
При необходимости выработки электрической энергии большой мощности несколько электроаккумуляторных устройств электрически соединяют друг с другом посредством их коммутационных разъемов. Известно, что объединение аккумуляторных батарей с различным уровнем остаточного заряда в комплексы неэффективно, так как совокупная емкость группы батарей равна емкости минимально заряженной аккумуляторной батареи. В заявляемом изобретении электроаккумуляторные устройства модульного типа, имеющие различные уровни остаточного заряда, при их объединении в комплексы могут работать эффективно в режимах заряда и разряда независимо от остаточного уровня заряда аккумуляторной батареи отдельно взятого устройства.
Работа электроаккумуляторного устройства модульного типа в частных случаях исполнения с различными типами высоковольтного двунаправленного преобразователя (DC/DC или AC/DC) иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Электроаккумуляторное устройство заряжает электромобиль. На клемму высокого напряжения 29 коммутационного разъема 28 от внешнего источника питания поступает высокое напряжение постоянного тока 400 В. Контроллер 9, получив через информационную клемму 31 коммутационного разъема 28 сигнал о начале заряда электроаккумуляторного устройства, замыкает контактор 17, подключая высоковольтный двунаправленный DC/DC преобразователь 16, преобразующий постоянный ток в постоянный, к аккумуляторной батарее 4. Преобразователь преобразует поступивший на него постоянный ток с напряжением 400В в постоянный ток с напряжением 260В, соответствующим напряжению тока заряда аккумуляторной батареи 4. Аккумуляторная батарея 4 начинает заряжаться. При этом главная балансировочная плата 8 контролирует уровень напряжения, шунт 10 измеряет силу тока в цепи и передает ее контроллеру 9, осуществляющему регулирование силы тока, текущий заряд аккумуляторной батареи 4 отображается на сервисном экране 32. При достижении полного заряда всей аккумуляторной батареи 4, как описано выше, контроллер 9 размыкает контактор 17, отключая высоковольтный двунаправленный DC/DC преобразователь 16 от аккумуляторной батареи 4.
При необходимости заряженное электроаккумуляторное устройство можно транспортировать к месту расположения электромобиля, требующего зарядки. Погрузку и разгрузку устройства из транспортного средства осуществляют грузоподъемным механизмом, например, грузоподъёмной тележкой типа «рохли» или штабелером, система подъема которого взаимодействует с несущим поддоном 1, выполненным в виде решетчатой конструкции с продольно-поперечными перегородками. При этом несущий поддон 1, корпус 2 и крышка 3 обеспечивают защиту электроаккумуляторного устройства от внешних воздействий и защиту оператора от контакта с зарядной и силовой частями устройства, а выполнение поддона, корпуса и крышки из композитных материалов облегчает погрузо-разгрузочные работы.
После доставки устройства к месту зарядки электромобиля к электроаккумуляторному устройству через коммутационный разъем 28 подключают электромобиль через внешнее управляющее устройство. Через информационную клемму 31 коммутационного разъема 28 в контроллер 9 поступает информационный сигнал о начале разряда устройства. Контроллер 9 замыкает контактор 17, из аккумуляторной батареи 4 на высоковольтный двунаправленный DC/DC преобразователь 16, преобразующий постоянный ток в постоянный, поступает напряжение постоянного тока величиной 260В, где оно преобразуется в напряжение 400В постоянного тока, соответствующее напряжению для заряда батарей электромобиля, а затем подается через клемму высокого напряжения 29 коммутационного разъема 28 в электромобиль. Одновременно через клемму низкого напряжения 30 коммутационного разъема 28 заявляемое устройство через низковольтный DC/DC преобразователь 18 подает напряжение 12В для подключения и питания любого другого внешнего оборудования, например, для подзарядки автомобильного аккумулятора 12В. Балансировочные платы 7 контролируют напряжение и уровень остаточного заряда аккумуляторов 5 аккумуляторной батареи 4 и не дают им разрядиться ниже значения безопасного уровня, своевременно выключая режим разряда путем передачи сигнала через главную балансировочную плату 8 на контроллер 9, который, в свою очередь, размыкает контактор 17, отключая высоковольтный двунаправленный DC/DC преобразователь 16 от аккумуляторной батареи 4.
Пример 2. Электроаккумуляторное устройство питает трёхфазную нагрузку переменного напряжения 380В (электропечь, сварочный аппарат, либо любой другой потребитель переменного трёхфазного напряжения). На клемму высокого напряжения 29 коммутационного разъема 28 от внешнего источника питания через внешнее управляющее устройство поступает высокое напряжение переменного тока 380 В. Контроллер 9, получив через информационную клемму 31 коммутационного разъема 28 сигнал о начале заряда электроаккумуляторного устройства, замыкает контактор 17, подключая высоковольтный двунаправленный AC/DC преобразователь 16, преобразующий переменный ток в постоянный, к аккумуляторной батарее 4. Преобразователь преобразует поступивший на него переменный ток с напряжением 380В в постоянный ток с напряжением 260В, соответствующим напряжению тока заряда аккумуляторной батареи 4. Аккумуляторная батарея 4 начинает заряжаться. При этом главная балансировочная плата 8 контролирует уровень напряжения, шунт 10 измеряет силу тока в цепи и передает ее контроллеру 9, осуществляющему регулирование силы тока, текущий заряд аккумуляторной батареи 4 отображается на сервисном экране 32. При достижении полного заряда всей аккумуляторной батареи 4, как описано выше, контроллер 9 размыкает контактор 17, отключая высоковольтный двунаправленный AC/DC преобразователь 16 от аккумуляторной батареи 4.
При необходимости заряженное электроаккумуляторное устройство можно транспортировать к месту расположения трёхфазной нагрузки переменного тока, как описано в примере 1.
После доставки устройства к потребителю к электроаккумуляторному устройству через коммутационный разъем 28 подключают трёхфазную нагрузку переменного тока через внешнее управляющее устройство. Через информационную клемму 31 коммутационного разъема 28 в контроллер 9 поступает информационный сигнал о начале цикла «разряд». Контроллер 9 замыкает контактор 17, из аккумуляторной батареи 4 на высоковольтный двунаправленный AC/DC преобразователь 16, преобразующий переменный ток в постоянный, поступает напряжение постоянного тока величиной 260В, где оно преобразуется в напряжение 380В переменного тока, соответствующее напряжению потребителя, а затем подается через клемму высокого напряжения 29 коммутационного разъема 28 к трёхфазной нагрузке переменного тока. Одновременно через клемму низкого напряжения 30 коммутационного разъема 28 заявляемое устройство через низковольтный DС/DC преобразователь 18 подает напряжение 12В для подключения и питания любого другого внешнего оборудования. Балансировочные платы 7 контролируют напряжение и уровень остаточного заряда аккумуляторов 5 и не дают им разрядиться ниже значения безопасного уровня, своевременно выключая режим разряда путем передачи сигнала через главную балансировочную плату 8 на контроллер 9, который, в свою очередь, размыкает контактор 17, отключая высоковольтный двунаправленный AC/DC преобразователь 16 от аккумуляторной батареи 4.
Пример 3. Электроаккумуляторное устройство питает однофазную нагрузку переменного тока 220В (жилой дом, утюг, чайник, либо любой другой потребитель переменного однофазного напряжения). Работа устройства аналогична примеру 2, при этом значение напряжения переменного тока, подаваемого внешнему потребителю, устанавливают величиной 220В.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет улучшить массогабаритные характеристики, повысить стабильность и надежность работы электроаккумуляторного устройства модульного типа за счет заявленной конструкции.