В третьей части нашего обзора будут рассмотрены следующие патенты компании Tesla Motors:
Определение внештатного события в АКБ в процессе заряда, BMS (20140152258);
Преднамеренный саморазряд высоковольтной АКБ (20130307480);
Система управления полноприводным электромобилем (20140257613).
Определение внештатного события в АКБ в процессе заряда, BMS
Изобретение предназначено для последовательно соединенных аккумуляторный ячеек и последовательно соединенных групп, внутри которых ячейки соединены параллельно. В общем случае все последовательно соединенные ячейки не могут иметь абсолютно одинаковых характеристик, у них немного отличаются внутренние сопротивления. При определенном дисбалансе это может привести к их перезаряду или переразряду, что может вывести батарею из строя. Дисбаланс может привести к перезаряду одной или нескольких ячеек, несмотря на то, что напряжение на них при этом будет в пределах нормы. Для обнаружения таких ячеек и предназначено данное изобретение. Для балансировки используются традиционные системы BMS. Система определяет разность между фактическим и вычисленным уровнем заряда каждой ячейки. В случае их различия предпринимаются меры, чаще всего — прекращение процесса заряда.
На рисунке показана система хранения энергии (батарея электромобиля или стационарного накопителя). Система включает в себя несколько элементов 105i, i=1…n, где n может достигать тысяч элементов.
BMS 110 электрически соединена со всеми ячейками для мониторинга, сбора данных и управления процессом заряда. Между «+» клеммой 115 и «-» клеммой 120 напряжение равняется сумме ЭДС всех ячеек. При этом напряжения отдельных элементов 105 могут отличаться друг от друга. BMS 110 включает в себя блок измерения напряжений и систему балансировки 125. Если бы система балансировки отсутствовала, заряд продолжался бы, несмотря на то, что напряжение отдельных ячеек превышало бы допустимое, так как при этом напряжение всей батареи 115 было бы в пределах нормы.
Во время заряда BMS сравнивает напряжение каждой ячейки с эталонным, определенным статистически по предыдущим циклам работы. Если бы такое сравнение осуществлялось с заводскими параметрами, то BMS срабатывала бы необоснованно часто, так как в процессе эксплуатации характеристики ячеек меняются.
На рисунке 2 (fig,2) показана зависимость напряжения одного элемента 105 от уровня заряда (кривая 200). Участок от 10% до 100% заряда — линейный. Кривая 300 (fig.3) — это производная от кривой 200. Она представляет собой отношение изменения напряжения к изменению уровня заряда ∂U/∂Θ и подтверждает линейность кривой заряда в нормальном режиме работы. Выше нормального диапазона (более 100 %) наклон кривой 200 начинает изменяться. Первоначально наклон увеличивается, а затем уменьшается. Эти изменения отражены и на кривой 300. Ниже уровня нормальной работы (ниже 10 % заряда) нелинейности будут также проявляться.
На рисунке 4 приведен пример реальных осциллограмм напряжений последовательно соединенных аккумуляторных ячеек.
Серия осциллограмм 405 соответствует нормальной работе. 410, 415 — проблемные ячейки, в которых дисбаланс может достигать 20 %. 420, 425 — проблемные ячейки, дисбаланс в которых достигает более 30 %.
Следует еще раз подчеркнуть, что в ходе работы батареи, в зависимости от температуры, жизненного цикла конкретной ячейки и пр. параметры зарядки могут меняться. Тогда система сравнивает измеренные напряжения ячеек с заранее определенными кривыми, точность которых дополнительно подтверждена статистическими методами. В случае обнаружения внештатного события процесс заряда, как правило, останавливается.
Преднамеренный саморазряд высоковольтной АКБ
Данный патент содержит большое количество вариантов конкретного исполнения, мы же рассмотрим только идею.
За состоянием аккумуляторной батареи следить нужно всегда, даже когда она снята с транспортного средства. Перезаряжаемые АКБ требуют управления и технического обслуживания. Уровень заряда при этом устанавливается в зависимости от требуемого режима: продления срока службы, максимальной производительности или хранения. К последнему варианту в данном случае относятся также режимы обслуживания, транспортировки и отправки на утилизацию. При отправке АКБ на утилизацию или в случае повреждения батареи, когда она установлена на транспортном средстве (в случае аварии, например), из неё нужно удалить как можно больше энергии.
Известно, что ячейки аккумуляторной батареи обладают саморазрядом, который протекает достаточно медленно и обусловлен химическими процессами, протекающими в батарее. В данном изобретении рассматривается принудительный, преднамеренный саморазряд АКБ.
В случае, если, например, в результате аварии произошло повреждение разъема и системы заряда, в автомобиле предусмотрена резервная система саморазряда. Когда система определяет наличие необратимых повреждений, запускается режим сброса энергии.
Система определяет подключена батарея к системе заряда или нет. Если да, то запускается режим разряда аккумуляторной батареи в сеть (для этого имеется DC/AC преобразователь). Если нет — энергия аккумулятора сливается. Для этого в автомобиле находятся компоненты для рассеивания энергии (резисторы). Последний вариант работает и в случае, если батарея снимается с автомобиля для транспортировки или обслуживания.
Система управления полноприводным электромобилем
Преимущества полного привода широко известны. Система полного привода улучшает тягу и тем самым безопасность вождения. Мощность при этом передается на все четыре колеса, а не только на два, таким образом, когда тяга теряется на одном или нескольких колесах, например, из-за мокрых дорожных условий, система электропривода может увеличить момент на оси с тягой, на которой сцепление с дорожным покрытием не потеряно. Сегодня разработаны различные системы обнаружения проскальзывания шин. Эти системы варьируются от простых механических или гидравлических до сложных электронных. Однако, данные системы, разработанные для традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, не удовлетворяют требованиям полностью электрических автомобилей из-за разницы в весе транспортного средства, разницы в его распределении, и что еще более важно, из-за различий в крутящем моменте используемых трансмиссий.
На рисунке показаны основные элементы системы 100 двухмоторного электропривода полноприводного электромобиля. Задняя ось 101 соединена с электродвигателем 103 посредством передачи 105, а передняя ось 107 соединена с электродвигателем 109 посредством трансмиссии-дифференциала 111. В предпочтительном варианте изобретения один двигатель, например, 103 является главным, а второй, например, 109 — вспомогательным. Желательно чтобы оба двигателя 103 и 109 были асинхронными машинами переменного тока. Кроме того, желательно, чтобы вспомогательный двигатель 109 имел относительно плоскую кривую крутящего момента в широком диапазоне скоростей, и следовательно, был способен повышать результирующий момент на высоких скоростях в диапазоне, где крутящий момент главного двигателя 103 падает. Это достигается выполнением редукторов главного и вспомогательного привода с различными передаточными числами. Подробно мы об этом писали во второй части данного обзора.
Данное исполнение имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием только одного двигателя. Во-первых, такая конфигурация обеспечивает превосходное регулирование тягового усилия. Во-вторых, улучшается стабильность движения, так как тяга, подаваемая на одну ось по сравнению с тягой, подаваемой на другую ось, может варьироваться в зависимости от ситуации. Например, при выполнении поворота выгоднее постепенно увеличивать крутящий момент, прикладываемый к передней оси по сравнению с задней. Точно так же в условиях дорожного обледенения желательно увеличить тягу передней оси. В третьих, при использовании двух двигателей рекуперативное торможение может работать в отношении обоих колесных пар, тем самым обеспечивая повышенное торможение, а также улучшая возможности зарядки аккумулятора.
Система контроля крутящего момента способна быстро и эффективно разделить крутящий момент между двумя приводными системами. Как следствие, пробуксовка колес сведена к минимуму.
На рисунке показана основная конфигурация предпочтительного варианта реализации данного изобретения. Главный двигатель 103 соединен с источником питания 401 с помощью модуля 403, управляющего подачей мощности. Аналогично вспомогательный двигатель 109 соединен с 401 с помощью модуля управления мощностью 405. Силовая часть модулей 403 и 405 представляет собой инверторы — устройства преобразования постоянного тока в переменный. Они же контролируют амплитуду и частоту напряжения двигателей. Контроллер момента 407 управляет подачей нужного момента на каждый из двигателей. Для этого он получает сигналы с различных датчиков. Подробнее о них мы также писали ранее.
На рисунке 6 (fig. 6) более подробно показано устройство контроллера 407. Данные с датчика педали тормоза 431, педали газа 433 поступают в блок создания команды управления крутящим моментом 601. Вычисленная скорость транспортного средства, названная «с_vspeed» также вводится в блок 601. Это вычисление производится в блоке формирования команд управления тягой 609. Выходной сигнал блока 601 представляет собой общее требование к крутящему моменту, называемый здесь «C_torque». С_torque — это момент, требуемый от всего двухдвигательного привода в целом.
Блоки 603 и 605 рассчитывают ограничения по моменту для главного и вспомогательного двигателей. Данный расчет выполняется для главного двигателя на основании сигналов с датчика температуры двигателя 413, датчика скорости 415, датчика температуры инвертора 427. Аналогично расчет производится для вспомогательного двигателя.
Полученные сигналы (задание на момент для всей системы, максимально допустимые моменты для каждого из двигателей и вычисленная скорость) поступают на блок оптимального разделения момента 607. Блок 607 оптимизирует распределение крутящего момента между двумя приводами без учета проскальзывания колес.
Оптимальный поток для каждого из двигателей C_flux 1 и С_flux2 берется из заранее посчитанной таблицы для конкретного электродвигателя с учетом текущей скорости двигателя и ограничения по моменту.
Тяговый блок 609 обеспечивает несколько функций. Обрабатывая сигналы с датчиков каждого из четырех колес (409-412) и датчика частоты вращения главного двигателя 415 вычисляется скорость автомобиля C_vspeed. Блок 609 также использует данные о скорости вращения двигателя чтобы обеспечить проверку наличия ошибок.
Основная же функция блока 609 заключается в расчете коэффициентов скольжения для каждого колеса. На основании вычисленного коэффициента скольжения колес и в зависимости от скорости транспортного средства вычисляется коэффициент проскальзывания колеса для каждой оси.
Полученные данные поступают на блок контроля устойчивости автомобиля 611, где посредством САУ, в частности с использованием ПИД-регулятора минимизируется ошибка соотношения пробуксовки колес. В итоге в случае проскальзывания колес, приводящего к падению момента на одной из осей, увеличивается крутящий момент на другой оси, колеса которой имеют лучшее сцепление с дорогой.
Задача преобразователей 403 и 405 обеспечить момент и поток двигателей 103 и 109 в строгом соответствии с сигналами задания, поступающими из 611 и 607.