В данной статье мы рассмотрим три наиболее интересных, на наш взгляд, патента компании Tesla Motors:

• Система управления двухмоторным электроприводом электромобиля (20130241445);

• Оптимизированный режим работы АКБ электротранспортного средства, позволяющий продлить жизненный цикл ячеек (20130221916);

• Обнаружение токовой перегрузки в группе АКБ (20130179012).

Система управления двухмоторным электроприводом электромобиля

Как известно, Tesla Model S выпускается в двух вариантах: с одним  и двумя двигателями на задней оси. В данном патенте рассматриваются технические решения реализации второго варианта. Следует четко оговорить, что под двухмоторным электроприводом понимается именно система, состоящая из двух электродвигателей. Не следует путать данную систему с гибридной тяговой электроустановкой.

В данном патенте предложен метод оптимизации крутящего момента, приложенного каждым из двух двигателей полностью электрического транспортного средства. Регулирование осуществляется с учетом пробуксовки колес. Показан один из вариантов реализации «электрического сцепления».

Данный способ в общем случае содержит в себе следующие этапы:

• Вычисление скорости транспортного средства;

• Расчет требуемого крутящего момента для обеспечения требуемой скорости (в целом для всего электропривода);

• Разделение данного требования к крутящему моменту на требования для каждого из двух двигателей. На этом этапе рассчитывается оптимальный сигнал задания по моменту для каждого из двух приводов. При этом осуществляется контроль скорости каждого из колес и вычисляется «ошибка», обусловленная пробуксовкой;

• Данная ошибка минимизируется путем корректировки сигнала задания по моменту на первый и второй двигатели.

Описанный способ может дополнительно включать в себя один или более этапов мониторинга, в том числе:

• сигнала датчика рулевого управления;

• сигнала датчика тормозной системы;

• сигнала датчика температуры системы хранения энергии;

• напряжения;

• тока.

Кроме того, способ может включать в себя этап вычисления оптимального потока для первого и второго двигателей.

Итак, рассмотрим суть данного изобретения подробнее. На рисунке представлены основные элементы системы 600 двухмоторного тягового электропривода.

Мощность от электродвигателей 601 и 603 передается на ось 605 посредством трансмиссии-дифференциала 607. В данном случае, несмотря на наличие двух двигателей 601 и 603, система не сконфигурирована для обеспечения независимых скоростей на колесах 609 и 611. Двигатели 601 и 603 могут работать с одной скоростью или разными скоростями, в зависимости от того, как они соединены с осью посредством трансмиссии-дифференциала (далее мы покажем, что наиболее эффективно выполнять данные соединения с разными передаточными соотношениями трансмиссии). Запитан привод от системы накопления энергии ESS 613 (по сути АКБ, с системой контроля электрических параметров).

В предпочтительном варианте исполнения данного изобретения, как это будет подробно доказано ниже, оптимальные рабочие характеристики двигателей 601 и 603 различны, и это способствует увеличению производительности системы в целом. В предпочтительном варианте данного изобретения оба двигателя являются асинхронными двигателями переменного тока. Оптимальные кривые момента и мощности в функции скорости представлены на рисунке (fig.7, fig.8 соответственно).

Кривые 701 и 801 — оптимальные кривые момента и мощности для двигателя 601.
Кривые 703 и 803 — оптимальные кривые момента и мощности для двигателя 603.
Кривые 705 и 805 — оптимальные кривые момента и мощности для комбинации двигателей 601 и 603 (по сути суммарные момент и мощность).

Из рисунка видно, что максимальное количество крутящего момента от одного из двигателей (например, 601), является по-существу просто постоянным во всем диапазоне скоростей вращения двигателя. Как результат, мощность, обеспечиваемая вторым двигателем, возрастает в функции скорости. Данный вариант является предпочтительным как для двигательного так и для генераторного режимов работы.

Одним из преимуществ такого подхода является то, что он может быть использован для компенсации падения крутящего момента на более высоких скоростях, характерного для двигателей с ограниченным рабочим напряжением. Таким образом достигается более высокая максимальная скорость автомобиля. Кроме того, в некоторых случаях масса двухмоторного электропривода получается меньше однодвигательного электропривода, обеспечивающего те же показатели.

Данные оптимальные кривые, показанные на рисунке выше, предусматривают применение именно асинхронных двигателей, для которых характерна ровная полка момента на низких скоростях и последующее падение крутящего момента на более высоких скоростях. Точка 707 на графике соответствует номинальному режиму работы второго двигателя.

Перечислим основные преимущества двухмоторного тягового электропривода, по сравнению с одномоторным:

• Конфигурация с двумя двигателями позволяет получить большую производительность с точки зрения оптимизации кривой мощности в более широком диапазоне регулирования момента и скорости, характерном для электротранспортных средств;

• За счет разделения нагрузок проще поддерживать двигатель в пределах требуемой рабочей температуры;

• Использование двух небольших двигателей вместо одного большого улучшает распределение веса;

• Система оптимизирована для множества различных условий эксплуатации. Например, если система с одним двигателем эффективна на крутом подъеме по бездорожью, то она будет неэффективна в городских условиях, так как в этом случае будет потребляться порядка 10% мощности относительно первого варианта. В двухдвигательной системе один из моторов работает постоянно, а второй подключается только для обеспечения большей скорости или крутящего момента;

• Уменьшается нагрузка на трансмиссию, что способствует увеличению надежности.

Другими словами, система использует два двигателя для приведения в движение одной задней оси автомобиля (дифференциал подключается только при входе в поворот и т.п.). Использование первого двигателя с большим передаточным числом редуктора позволяет получить высокий момент, что эффективно при подъемах. Второй двигатель, подключенный к оси через трансмиссию с меньшим передаточным числом, включается в работу только когда нужно обеспечить высокую скорость. При этом каждый из двигателей работает в режиме, близком к номинальному, то есть с максимальным КПД. 

На рисунке показана функциональная схема работы двухмоторного электропривода электромобиля. Физически рассмотренные двигатели 601 и 603 подключаются к инверторам 903, 909, которые в свою очередь запитаны от системы накопления энергии ESS 1101.  Контроль (ограничение) мощности, напряжения и тока на каждом из инверторов осуществляется посредством контроллеров 905, 911. Общий контроль, включающий в себя перераспределение мощности между приводами осуществляется блоком 913.

В тексте патента рассматриваются еще три варианта реализации электропривода, с использованием индивидуальных источников питания для каждого двигателя, использования DC/DC преобразователей на одном из двигателей и др. Мы же данные варианты подробно рассматривать не будем, а ограничимся представленным выше описанием силовой установки.

Возвращаясь к алгоритму распределения энергии между двумя двигателями, считаем необходимым подробнее рассмотреть, как осуществляется расчет требуемого момента для каждого из двигателей.

Для этой цели используется контроллер момента 1301. Формирование задания на момент осуществляется в функции сигналов датчиков, расположенных в транспортном средстве, которые можно разделить на 4 группы:

1. Используемые для контроля работы транспортного средства. Здесь осуществляется мониторинг скорости вращения колес посредством датчиков 1303-1306. Система также может включать в себя систему контроля устойчивости транспортного средства 1335.

2. Используемые для мониторинга работы электропривода. К ним относится датчик температуры 1307, датчик скорости двигателя 1309 (1311 и 1313 для второго двигателя соответственно).

3. Используемые для мониторинга состояния и производительности системы накопления энергии. Это датчик температуры 1315, напряжения 1317 и тока 1319. Здесь же работают датчики температуры 1321 и 1323.

4. Используемые для контроля данных, вводимых пользователем. Это тормозной датчик 1325, датчик педали «газа» 1327, датчик рулевого управления 1329. Система также может включать в себя в общем случае датчик переключения передач 1331 и датчик выбора режима работы 1333.

Обрабатывая сигналы со всех вышеназванных датчиков, система контроля момента формирует сигналы задания на момент для каждого из двух двигателей.

Оптимизированный режим работы АКБ электротранспортного средства, позволяющий продлить жизненный цикл ячеек

В данном патенте предлагается система управления температурой аккумуляторной батареи, используемая для поддержания температуры батареи в пределах требуемого диапазона. Кроме того, предлагается контролировать процесс заряда таким образом, чтобы максимально продлить жизненный цикл ячеек АКБ.

Прежде чем переходить к решениям, предложенным инженерами компании, рассмотрим основные факторы, влияющие на длительность жизненного цикла аккумуляторных батарей.

На рисунке 1 (fig.1) представлен график, который иллюстрирует влияние напряжения отсечки при заряде на срок службы АКБ. Напряжение отсечки — это напряжение, при котором процесс зарядки завершается (намеренно останавливается). Используя напряжение отсечки 4,15 В (кривая 101), АКБ первоначально обеспечивает более высокую емкость, чем в случае использования напряжения отсечки 4,1 В (кривая 103). После приблизительно 200 циклов зарядки ситуация меняется. Из рисунка видно, что полезный срок службы АКБ может быть значительно расширен путем простого уровня напряжения отсечки. К сожалению, такое решение имеет и отрицательные последствия. Аккумуляторная батарея, заряженная до меньшего напряжения обладает меньшей емкостью, чем заряженная до максимального напряжения отсечки.

На рисунке 2 (fig.2) представлен график, иллюстрирующий влияние температуры на напряжение и емкость АКБ:
Кривая 201 — для температуры 40° С;
Кривая 202 — для температуры 30° С;
Кривая 203 — для температуры 20° С.

Увеличение рабочей температуры от 20° С до 40° С значительно повышает разрядную емкость, которая в свою очередь, может привести к повышению производительности транспортного средства. Однако, срок службы АКБ при более высокой температуре снижается. Это наглядно демонстрируется на рисунке 3 (fig.3). На данном графике кривая 301 соответствует температуре 35° С, кривая 303 — температуре 55° С. Как мы видим из рисунка, за счет снижения температуры, например,  при длительном простое транспортного средства, АКБ способна удерживать гораздо более высокую емкость в течение более длительного жизненного цикла её ячеек.

На рисунке 4 (fig.4) показано влияние температуры на удержание энергии для ячеек при простое транспортного средства.
Кривая 401 соответствует температуре 20° С;
Кривая 403 — температуре 40° С;
Кривая 405 — температуре 55° С.

Кроме того, следует учитывать глубину разряда АКБ при эксплуатации электромобиля. Для большинства типов аккумуляторных ячеек зачастую разряд больше, чем на 70…80 % от номинальной мощности приведет к уменьшению срока службы АКБ. Этот эффект показан на рисунке 5 (fig. 5).
Кривая 501 соответствует глубине разряда 10%;
Кривая 502 — глубине разряда 20%;
Кривая 503 — глубине разряда 30%;
Кривая 504 — глубине разряда 40%;
Кривая 505 — глубине разряда 50%;
Кривая 506 — глубине разряда 70%;
Кривая 507 — глубине разряда 100%.

Как видно из рисунка, только в случае разряда на 20…30 % будет достигаться эффект продления срока службы АКБ. Это обстоятельство полностью рушит распространенный стереотип о том, что для продления жизненного цикла аккумулятора необходимо максимально разряжать его перед зарядкой.

Транспортное средство (согласно предложенному изобретению) включает в себя систему управления, которая отслеживает и контролирует общее функционирование различных подсистем автомобиля. Система управления температурой, которая включает в себя подсистемы охлаждения и нагрева АКб, используется в сочетании с системой охлаждения и нагрева салона автомобиля. Контроллер в первую очередь поддерживает температуру АКБ посредством температурных датчиков. Также данная система следит за уровнем заряда и скоростью разряда, как в процессе эксплуатации автомобиля, так и в режиме хранения (простоя). Кроме того, система хранит в памяти число циклов заряд-разряд для установленной АКБ, в зависимости от которого выбирается оптимальное напряжение отсечки и скорость заряда.

Пользователь может контролировать посредством, например, сенсорного монитора, расположенного в салоне, выбор желаемого режима работы электромобиля. Выделяют 4 основных режима работы:

• Стандартный;

• Режим хранения;

• Увеличенный запас хода;

• Режим повышенной производительности.

Рассмотрим подробнее каждый режим с точки зрения работы предложенной системы контроля аккумуляторной батареи.

В стандартном режиме система настроена на обеспечение компромисса между производительностью и временем автономной работы. В стандартном режиме напряжение отсечки при заряде составляет 70…90 %. Батарея поддерживается при относительно прохладной температуре 30…35° С во время эксплуатации автомобиля. Оптимальная температура во время заряда лежит в диапазоне 35…40° С.

Режим хранения сконфигурирован для оптимизации работы батареи, когда автомобиль не используется в течение двух-трех недель или более. В этом режиме напряжение отсечки ограничено значением 30…50 %. Температура АКб поддерживается 20…25° С.

Как только пользователем выбирается данный режим, если транспортное средство не работает, а уровень заряда АКБ составляет более 50 %, система активно снижает уровень заряда, тем самым помогая продлить срок службы АКБ. При этом система подвергает АКБ нагрузке (включение фар, вентилятора, применение фиктивной нагрузки).

Режим увеличенного запаса хода — это режим, который позволяет достичь максимальной дальности езды на одном заряде АКБ. При этом батарея держится относительно теплой. За счет этого уменьшается сопротивление и достигается большая мощность разряда.

Режим повышенной производительности предназначен для достижения максимальной производительности за счет уменьшения срока службы АКб и уменьшения дальности хода. В этом режиме напряжение отсечки составляет 90…100 %. Температура АКБ поддерживается в диапазоне большем, чем обычно, приблизительно 37…40° С.

Конкретные параметры (напряжение, уровень и скорость заряда) будут устанавливаться в зависимости от типа и емкости АКБ.

На рисунке приведен один из возможных вариантов снимка экрана сенсорного монитора, позволяющего выбирать желаемый режим. Суть данного изобретения сводится к наличию режима продления срока службы АКБ, отсутствующего в большинстве автомобилей.

Обнаружение токовой перегрузки в группе АКБ

В общем случае аккумуляторная батарея электромобиля представляет собой параллельно-последовательное соединение ячеек.

Итак, основная фишка Теслы заключается в идеально сбалансированной аккумуляторной батарее, имеющей наилучшие удельные показатели по массе и габаритам, способную быстро заряжаться даже при низких температурах, обеспечивающую максимальный для серийно выпускаемых автомобилей сегодня запас хода, но… в то же время имеющую довольно скромный ресурс и, как мы уже несколько раз могли видеть в новостях, способную к возгоранию.

Физически, как выяснили американские народные умельцы, батарея емкостью 85 кВт*ч состоит из 7104 литий-ионных аккумуляторов производства фирмы Panasonic , соединенных параллельно-последовательно. Каждый элемент имеет емкость 3400 мАч и типоразмер 18650, т.е. почти такой же, как и у батарейки, установленной в вашем пульте от телевизора.

У обывателя может возникнуть вопрос, почему бы не сделать одну большую батарею. Ответ заключается в том, что максимальное напряжение для литий-ионной батареи составляет 4,2 В. Это обусловлено особенностями физико-химических процессов, протекающих в элементе, в которые мы углубляться не будем. Очевидно, что 4,2 В будет недостаточно для питания столь мощного привода, ибо в этом случае в нем будут  протекать сумасшедшие токи.

Изначально элементы параллельно соединяются в группы по 74 шт. При параллельном соединении напряжение группы равно напряжению каждого из элементов (4,2 В), а емкость группы равна сумме емкостей элементов (250 Ач).

Далее шесть групп соединяются последовательно в модуль.  При этом напряжение модуля суммируется из напряжений групп и равняется примерно 25 В (4,2 В*6 групп). Емкость остается 250 Ач.

Поясним. Батарея состоит из двух слоев по высоте. Физически на рисунке на виде сверху полностью мы видим только первую и третью группы. Вторая и четвертая группы расположены строго под ними на нижнем слое. Пятая и шестая группы собраны из элементов разных слоев: по 37 с верхнего и 37 с нижнего.

Наконец, модули соединяются последовательно в батарею. Всего батарея содержит 16 модулей (итого 96 групп). Напряжение всех модулей при этом суммируется и составляет в итоге 400 В (16 модулей 25 В). Итого, каждый модуль содержит 444 ячейки, а вся батарея — 44416=7104. 

Внутри группы ячейки соединены параллельно, и напряжение на них одинаково. При последовательном соединении возникает необходимость контроля напряжения каждой составляющей. Для этого используется система управления аккумуляторной батареи (BMS), контролирующая заряд каждой группы и самого модуля. Кроме того, есть общая BMS, контролирующая всю батарею.

Данная система является собственной разработкой компании, на неё также имеется два патента.

В общем случае группа элементов представлена на рисунке 1 (fig.1)

Аккумуляторные ячейки 105 горизонтально соединены в параллель, а полученные ряды соединены последовательно.

На рисунке 2 (fig.2) представлено последовательное соединение полученных групп 100 в модуль 200 (далее будем называть его АКБ).

Дополнительно в данную цепь включен датчик тока 210, предохранитель 215, контакторы 220, система управления аккумуляторной батареей (BMS) 225 и разъем питания 230. Корпус 205 зачастую представляет собой герметичный контейнер. АКБ 200 как правило включает в себя систему распределения охлаждающей жидкости в общем случае представленную охлаждающим контуром 235 и насосом 240, изолированную от токопроводящих частей и имеющую возможность контроля её температуры.

Насос 240 запитан от  вспомогательной системы хранения энергии 245, отличной от АКБ 200. В противном случае при выходе из строя АКБ 200, напряжение питания насоса падало бы и охлаждение было бы невозможным. Контроллер 250 взаимодействует с системой BMS, насосом 240 и запитан также от независимого источника питания 245.

Датчик тока 210 измеряет ток в АКБ 200. Когда батарея работает нормально, все группы 100 показывают одинаковый ток, совпадающий по значению с током датчика 210. В случае обнаружения неполадки, контроллер 220 обеспечивает требуемую коммутацию с внешней нагрузкой через разъем питания 230.

Несмотря на всевозможные принимаемые меры и тщательную проверку АКБ при её проектировании, изготовлении и тестировании, во время её эксплуатации может случиться короткое замыкание КЗ между ячейками, обозначенное на рисунке 2 пунктиром 225. В приведенном примере предохранитель не сработает. Датчик тока при этом также не определит внештатного события. А между тем, закороченные ячейки могут настолько перегреться, что это выведет из строя значительную часть ячеек.

Внутреннее короткое замыкание 255 может произойти и в других случаях. Например, между соседними элементами высокого напряжения, через корпус автомобиля в случаях, когда изоляция протирается в двух и более местах, или в случае попадания токопроводящей жидкости. Неэффективность работы предохранителя в таких случаях демонстрируется на следующем рисунке.

Кривая 305 представляет собой в общем случае максимально допустимый ток для данной АКБ (эта кривая дается производителем аккумуляторной ячейки).  Кривая 310 показывает уровень тока, при котором сработает плавкий предохранитель 215, последовательно включенный в цепь. Если насос 240 отключен и охлаждения нет, в области 315 будет происходить перегрев ячеек, так как установившиеся токи будут выше допустимого предела, но ниже, чем отсечка предохранителя 310.

Даже при наличии охлаждения (если насос запитан от независимого источника и работает), если ток за счет внутреннего КЗ будет выше допустимого уровня, но ниже уровня срабатывания предохранителя, это приведет к перегреву закороченных ячеек (область 320 на графике).

Мониторинг наличия внутреннего КЗ осуществляется посредством датчиков напряжения (не датчиками температуры, как это можно было бы предположить). В случае возникновения КЗ, напряжение падает мгновенно, в то время как для изменения температуры должно пройти какое-то время.

На рисунке 4 (fig.4) представлена эквивалентная схема замещения 400 аккумуляторной батареи 200.

Каждая ячейка представлена (заменена) последовательно включенными источниками ЭДС (OCV1, OCV2, … , OCVn) и внутренними сопротивлениями Z1, Z2, … , Zn, где n — порядковый номер ячейки в цепи последовательно соединенных элементов. Блок 405 измеряет напряжение V0, V1, … , Vn. В предпочтительном варианте данного изобретения он является частью BMS.

В нормальном режиме работы ЭДС и внутренние сопротивления всех ячеек примерно равны. Контроллер 250 анализирует каждую разность напряжений (V1-V0, V2-V1, … ) для обнаружения одной или нескольких выпадающих ячеек (рисунок 5, fig.5).

На графике 500 показана диаграмма эталонного напряжения, а на 505 — измеренные напряжения при наличие перегрузки по току, обусловленной внутренним КЗ в ячейке 8.

Контроллер 250 сравнивает относительные значения напряжений 505 с эталонным набором последних известных стабильных значений напряжений диаграммы 500, и ищет смещения в одном или нескольких элементах. Для последовательно соединенных ячеек δU не может измениться быстро, поэтому за эталонное может быть взят набор напряжений, измеренный несколько дней или недель назад. Упрощенный вариант — сравнивать измеренные напряжения не с эталонным набором, а между собой, установив, например, максимально допустимую разницу в 50 мВ. Случаи ложного срабатывания при таком варианте будут чаще.

После обнаружения перегрузки по току, её необходимо грамотно устранить. В случае, если такая ситуация произошла в процессе движения автомобиля, контроллер будет постепенно снижать мощность, подаваемую на двигатель. Главной задачей здесь является оперативно исключить из работы поврежденный модуль. Для этого, если в «проблемном» модуле 200 установлен предохранитель, контроллер намеренно увеличивает ток в цепи, что приводит к его срабатыванию и отключению модуля.

В статье нумерация рисунков обнуляется для каждого параграфа (патента). Если данный пост наберет в сумме 70 репостов (счетчик расположен в окончании статьи), мы опубликуем третью, заключительную часть обзора патентов компании Tesla Motors, в которой рассмотрим патенты:
— Система управления электроприводом полноприводного электромобиля (применяется в кроссовере Model X);
— Система выявления внештатного события для последовательно соединенных ячеек (система BMS аккумуляторной батареи Tesla);— Саморазряд высоковольтной АКБ.

Другие патенты Tesla Motors: Часть 1