Патенты тесла моторс на русском языке. Аккумуляторная батарея с защитой ячеек

Ещё в июне 2014 года основатель Tesla Motors, Илон Маск, на собрании акционеров заявил, что компания передаст все корпоративные патенты Tesla Motors в общественное пользование. Буквально на днях в ходе Детройтского автосалона Маск снял всякие сомнения, сказав, что патенты доступны абсолютно для всех без всяких ограничений.

"Ещё вчера в фойе штаб-квартиры в Пало-Альто стену занимали патенты Tesla. Больше их нет. Их сняли, в духе движения open source, для продвижения технологий электрических автомобилей" , - писал в 2014 Илон Маск в корпоративном блоге . Но весь вопрос заключался в небольшой фразе в текстах политики открытых патентов. Суть в том, что интеллектуальной собственностью Tesla Motors можно воспользоваться в "добросовестных" целях. Пошла молва: а что, если Tesla Motors будет выбирать, кому можно использовать патенты, а кому нет.

Во время Детройтского автосалона Илон Маск дал интервью прессе. Один из журналистов спросил, как много автопроизводителей воспользовались предложением Tesla. Элон Маск ответил просто, что не может этого знать: "На самом деле, мы не требуем проведения каких-либо формальных переговоров. Так что они могут просто брать и использовать их."

На вопрос репортёра о наличии какого-либо процесса лицензирования, Маск также не задумываясь ответил: "Нет. Вы просто используете их. Я думаю, так лучше, потому что нам не нужно вступать в переговоры и всё в этом роде. Так что мы не знаем. Наверное, вы увидите в будущих моделях автомобилей, если они решат их использовать."

Открывая патенты, Илон Маск пояснил смену политики. Раньше компания стремилась патентовать уникальные технологии, чтобы защититься от конкуренции со стороны крупных автоконцернов. Предполагалось, что они тоже начнут массово производить электромобили. По мнению основателя Tesla Motors, это была большая ошибка. Как показала реальность, концерны вообще не слишком заинтересованы в продвижении этой технологии. До сих пор машины на углеводородном топливе составляют 99% или больше продаж любого крупного концерна.

Дело в том, что "большие компании плохо восприимчивы к настоящим, революционным инновациям" . Они слишком сконцентрированы на привычном бизнесе. Илон Маск понял, что бизнесу Tesla Motors угрожает не столько конкуренция со стороны других электромобилей, сколько отсутствие этой конкуренции, то есть слишком большое количество бензиновых автомобилей, сходящих с конвейеров. Таким образом открытие патентов только расширяет рынок автомобилей и, в конечном счёте, выгодно самой компании.

Yesterday, there was a wall of Tesla patents in the lobby of our Palo Alto headquarters. That is no longer the case. They have been removed, in the spirit of the open source movement, for the advancement of electric vehicle technology.

Tesla Motors was created to accelerate the advent of sustainable transport. If we clear a path to the creation of compelling electric vehicles, but then lay intellectual property landmines behind us to inhibit others, we are acting in a manner contrary to that goal. Tesla will not initiate patent lawsuits against anyone who, in good faith, wants to use our technology.

When I started out with my first company, Zip2, I thought patents were a good thing and worked hard to obtain them. And maybe they were good long ago, but too often these days they serve merely to stifle progress, entrench the positions of giant corporations and enrich those in the legal profession, rather than the actual inventors. After Zip2, when I realized that receiving a patent really just meant that you bought a lottery ticket to a lawsuit, I avoided them whenever possible.

At Tesla, however, we felt compelled to create patents out of concern that the big car companies would copy our technology and then use their massive manufacturing, sales and marketing power to overwhelm Tesla. We couldn’t have been more wrong. The unfortunate reality is the opposite: electric car programs (or programs for any vehicle that doesn’t burn hydrocarbons) at the major manufacturers are small to non-existent, constituting an average of far less than 1% of their total vehicle sales.

At best, the large automakers are producing electric cars with limited range in limited volume. Some produce no zero emission cars at all.

Given that annual new vehicle production is approaching 100 million per year and the global fleet is approximately 2 billion cars, it is impossible for Tesla to build electric cars fast enough to address the carbon crisis. By the same token, it means the market is enormous. Our true competition is not the small trickle of non-Tesla electric cars being produced, but rather the enormous flood of gasoline cars pouring out of the world’s factories every day.

We believe that Tesla, other companies making electric cars, and the world would all benefit from a common, rapidly-evolving technology platform.

Technology leadership is not defined by patents, which history has repeatedly shown to be small protection indeed against a determined competitor, but rather by the ability of a company to attract and motivate the world’s most talented engineers. We believe that applying the open source philosophy to our patents will strengthen rather than diminish Tesla’s position in this regard.

Человечеству использовать всю интеллектуальную собственность, принадлежащую компании Tesla Motors. Да, это про патенты.

Патенты Tesla Motors

На первый, неискушённый взгляд всё выглядит так, будто зажравшийся гений-миллиардер внезапно впал в альтруизм и пожертвовал будущими колоссальными доходами своей компании ради блага мира и всего человечества. Скоро на экранах остросюжетный блокбастер "Корпорация Добра 2" и всё такое. Прекрасный рыцарь на белом электромобиле спасает экономику от её главного врага - патентного права. Кристально чистый сюжет. И пусть никто не уйдёт обиженным.

На самом деле тут есть на что обратить внимание.

Начнём по порядку. Маск - молодец. Я им восхищаюсь. Честно. Он не ищет лёгких путей, он ищет пути, которые приведут к его мечтам и только так. Это круто.

Но Маск - гений. А гений не может быть альтруистом. Гений не может заниматься благотворительностью. Потому что гений сможет любой ресурс использовать намного более эффективно и созидательно, чем абстрактное "человечество". Это патентные ростовщики могут под старость создавать из своих грязных денег благотворительные фонды, чтобы слегка компенсировать тот вред, который они нанесли человечеству. Для гениев куда логичнее самим распорядиться своими деньгами (и прочими ресурсами) и сделать с человечеством всё, что им захочется. Гении умнее абстрактного "человечества" и Маск не может этого не понимать.

Илон Маск

У Маска есть мечты. Это очень крутые и очень амбициозные мечты, и ему придётся выложиться на двести процентов, чтобы их достичь. На пути к мечтам Маск не может себе позволить расточительности. Он не может отдавать свои ресурсы абстрактному "человечеству" в надежде, что оно всё сделает правильно. Маск не дурак, он понимает, что человечество ничего само правильно не сделает. Всё придётся сделать самому.

Но Маск разбрасывается очень ценными активами. Так неужели Маск сдался и отказался от своих целей? Всё возможно, но мне кажется, тут дело в другом.

Я уверен, что Маск отдал в общественное достояние патенты Tesla Motors только потому, что это ему нужно для достижения его личных, персональных целей.

Это не подарок, это - инвестиция.

Я допускаю, что облагодетельствованное Маском человечество впервые в своей истории возьмётся за ум и построит эпоху электромобилей, но к тому времени Маск уже хочет быть на Марсе. Несомненно Маск инвестировал патенты Tesla Motors в будущее, но не в такое отдалённое.

Я понимаю, что это звучит странно, но я уверен, что передача в общественное достояние патентов Tesla Motors - это инвестиция... в Tesla Motors. Кто-то может подумать, что Маск лишил свою компанию шансов на рыночное доминирование и потерял кучу лёгких денег. На самом деле Маск спас свою компанию от банкротства. Серьёзно.

Сборочный конвейер Tesla Motors

Дело в том, что никому не нужны патенты на электромобили в мире, где никому не нужны сами электромобили. А в нашем мире электромобили никому не нужны. Дело даже не в происках нефтяников, дело в отсутствии инфраструктуры. Когда-то для электромобилей не было аккумуляторов, но это мелочь. Всего лишь годы упорной работы и нужные технологии созданы, запущены в серию и доведены до экономической рентабельности. Теперь для электромобилей нет заправок. Тех самых "розеток". Их не делают, потому что кому они нужны, пока нет электромобилей? Это заколдованный круг.

Маск хорошо придумал делать электромобили для понтующихся богачей, которые сами себе сделают "розетки", лишь бы покрасоваться на крутой тачке. Теперь пришло время электромобилей для простых смертных, а простые смертные не будут сами себе делать розетки. Вся надежда на специальные "электрозаправочные" компании, которые охватят "розетками" весь мир. Но пока электромобилей мало такие компании не имеют шансов окупиться. Такая же ситуация и с авторемонтными мастерскими для электромобилей и так далее.

Tesla Motors - крутая компания. Богатая, успешная, с хорошим производственным и исследовательским потенциалом. Но она недостаточно крутая, чтобы за свой счёт завалить мир электромобилями в количестве, достаточном для привлечения крупных инвестиций в инфраструктуру. Вот если бы остальные автомобилестроители - от GM и до ВАЗа - запустили временно убыточные эксперементальные линии сборки электромобилей - тут бы у них появилась мотивация весь мир покрыть сетями заправок. Но им мешают патенты.

Большая часть патентов Tesla Motors, Inc. была заявлена компанией в период с 2010 по 2014 гг. Львиная доля данной интеллектуальной собственности посвящена двум основным темам: и оптимизации процесса её заряда.

Распределение патентов по тематике
Распределение патентов по годам подачи заявки

В данной статье мы рассмотрим три ключевых патента:

• (Методика быстрой зарядки);
• (Система защиты АКБ от перезаряда);
• (Аккумуляторная батарея с защитой ячеек).

Итак. Начнем с первого патента.

Методика быстрой зарядки

Данный патент содержит две ключевые идеи. Во-первых, под «быстрой» понимается зарядка не любой ценой, а с максимальным сохранением (продлением) жизненного цикла батареи. В этой связи разработчиком предлагается четрырехэтапная траектория заряда, её мы подробно рассмотрим чуть позже. Во-вторых, для сокращения времени полного заряда батареи второй и третий этапы модифицируются.

Вообще, данное изобретение больше относится исключительно к литий-ионным батареям, используемым в электротранспорте, но может быть применено и к другим типам источников питания.

Традиционно алгоритм заряда аккумуляторной батареи состоит из двух этапов.
На первом этапе заряд осуществляется в режиме поддержания постоянства тока (иногда постоянства мощности). Напряжение батареи при этом растет с начального до максимально допустимого для используемого типа батарей (4,2 В). На втором этапе заряд производится в режиме поддержания постоянства напряжения, равного требуемому. Ток при этом постепенно спадает. Процесс зарядки останавливается, когда ток становится меньше C/10.

Применение метода двухэтапного заряда для «быстрой» зарядки ведет к значительному снижению ресурса батареи, так как на первом этапе заряд постоянным током 1С длится недопустимо долго. Почему недопустимо мы объясним чуть позже.

Модернизируя процесс заряда до четырех (или более) этапного, мы значительно продлеваем жизненный цикл аккумуляторной батареи. Оптимальным является режим: constant current (CC) 2C — constant voltage (CV) 4В — СС 0,7С — СV 4,2 В. Наглядно данная диаграмма представлена на рисунке ниже.

Первая стадия идет в режиме постоянства тока, равного 2С, что больше традиционного 1С при двухэтапной зарядке. Напряжение при этом увеличивается с начального до 4…4,05 В. Это желаемая величина, реально она будет зависеть от внутреннего сопротивления конкретного элемента. Вторая стадия представляет собой режим постоянного напряжения, равного достигнутому на первом этапе. При этом ток уменьшается с 2С до 0,7С. Третья стадия вновь представляет собой работу в режиме поддержания постоянства тока. Напряжение при этом увеличивается с 4,05 до 4,2 В. Наконец, на четвертой стадии поддерживается постоянным напряжение до тех пор, пока ток не упадет до минимального (заданного) значения.

Наличие промежуточного этапа улучшает скорость зарядки без пагубного влияния на жизненный цикл батарей. Объясняется это физико-химическими процессами, протекающими в АКБ. Рассмотрим данный вопрос подробнее. Для этого введем термин Rbad (это именно то, что Вы подумали, дословно «bad» переводится, как «плохой»), который представляет собой сопротивление ячейки в функции различных физических параметров, которые могут оказывать негативный эффект на жизненный цикл АКБ.

Еще раз подчеркнем, что Rbad — это вымышленная, воображаемая величина. Например, Rbad частично представляет поляризацию отрицательного электрода Ranode . С ростом Ranode вероятность металлизации лития на аноде увеличивается, что приводит к потере проводимости батареи. Rbad высок при низком уровне заряда, что обусловлено высоким внутренним сопротивлением ячейки. Кроме того, Rbad растет по мере приближения уровня заряда батареи к полному. В общем же, с ростом сопротивления Rbad (с «возрастом» АКБ, по истечении большого количества циклов заряд-разряд, при низкой температуре) заданное напряжение падает.

Наличие Rbad в модели батареи это путь математического описания, который используется в контроллере для предотвращения режимов, когда недопустимо высокие токи могут быть причиной необратимого падения емкости ячейки. Учет Rbad позволяет увеличить срок службы АКБ.

На рисунке выше показана оптимальная диаграмма процесса заряда с учетом Rbad. Изначально в этом случае идет стадия заряда в режиме поддержания постоянного тока, причем с максимальным током (5С, а в некоторых случаях и выше). Таким образом, данное обстоятельство (высокое Rbad на начальном этапе заряда) играет нам на руку, так как дает возможным производить заряд большим током. Напряжение ячейки при этом составляет V c=V Зад-iBat *Rbad, где iBat — ток заряда батареи. Rbad определяет наклон кривой тока и напряжения (при уменьшении тока, уменьшается и Ubad . Rbad растет с ростом уровня заряда).

С учетом вышесказанного, модифицированный вид оптимальной диаграммы заряда будет выглядеть следующим образом.

В данном случае (по сравнению с обычной четырехэтапной зарядкой, представленной на fig .1) второй и третий этапы получаются объединенными. При этом промежуточный этап позволяет существенно сократить время полного заряда. Другими словами, t 4 будет всегда значительно меньше t 3. Наклон участка 610 зависит от внутреннего сопротивления ячейки, температуры и «возраста» батареи, иначе говоря от Rbad.

Система защиты АКБ от перезаряда

Данный патент представляет собой не столько конкретное устройство или схему, сколько идею надежной защиты батареи от перезаряда. Перезаряд — это одно из наиболее разрушительных состояний, в котором может находиться батарея. При этом выделяется большое количество тепла, достаточного для воспламенения аккумулятора. По этой причине большинство производимых ячеек наделены собственными защитными механизмами. Но данные механизмы не всегда эффективны, когда ячейка работает в в составе группы. Тогда применяют дополнительные системы, которые можно разделить на две группы: относящиеся непосредственно к аккумуляторной батарее и относящиеся к системе заряда.

При нормальной работе АКБ система «спит». В случае перезаряда, если другие системы не отработали данное событие, система создает в цепи короткое замыкание, которое вызывает срабатывание предохранителя (Fuse ), тем самым разрывая путь от зарядного устройства к аккумуляторной батарее, предотвращая её перегрев.

Данная система более надежна, так как не использует микропроцессор или какой-либо другой контроллер, не требует вторичного источника питания и не находится непосредственно в высоковольтной цепи. В общем случае система может быть расположена между модулями АКБ. В силу низкой стоимости и малых габаритов это не является проблемой. Система может сработать только однажды, далее потребуется замена предохранителя.

Как вариант, практическая реализация данного устройства может быть выполнена на базе полупроводникового ключа, например, IGBT -транзистора.

В случае повышения напряжения до уровня порогового (заданного), ключ замыкается и ток начинает протекать через устройство, тем самым блок АКБ закорачивается и ток через него не проходит. Это, в свою очередь, приводит к срабатыванию предохранителя и разрыву цепи, соединяющей модули (по сути всей силовой цепи). На рисунке выше приведен лишь один из вариантов практического исполнения.

Аккумуляторная батарея с защитой ячеек

На «сладенькое» мы оставили наиболее интересное изобретение компании Tesla Motors . Оно связано с устройством аккумуляторной батареи как таковой, точнее с принципом соединения ячеек в группы (подробнее об устройстве батареи «в железе» была ).

Проблема устойчивого дугового разряда хорошо известна в инженерной практике. Она успешно решается в выключателях и прочих устройствах, от которых требуется выполнение функции размыкания цепи. Сложнее бороться с данной проблемой в случае непреднамеренного разрыва цепи. Для аккумуляторной батареи электромобиля это может быть авария или другое повреждение АКБ.

В аккумуляторных батареях традиционного исполнения предохранитель включают в цепь либо на входе всей группы, либо последовательно с каждой из нескольких параллельно соединенных ячеек.

Типовое (традиционное) расположение предохранителей в АКБ

Однако, в аккумуляторной батарее, состоящей из большого числа плотно упакованных ячеек в случае короткого замыкания может возникнуть перегрев (за счет плотной упаковки, вплоть до 900 градусов), вследствие чего может возникнуть каскадный лавинообразный эффект. Высокая температура внутри упаковки будет только усугублять ситуацию. Батарея в таком случае получит большие повреждения.

Иногда в качестве предохранителей используют сами соединения батарей, выполняя их из плавких материалов. В случае возникновения короткого замыкания в батарее, состоящей из нескольких параллельно соединенных ячеек такие соединения перегорают одно за другим произвольно (малозаметная разница времени перегорания обусловлена отличающимися на небольшую величину внутренними сопротивлениями). Чтобы в этом случае избежать возникновения дуги, необходимо разработать сложную, дорогую и довольно громоздкую систему.

Суть данного изобретения сводится к тому, чтобы выполнить соединение ячеек таким образом, чтобы одна из них гарантированно перегорала последней и для нее обеспечить эффективное и недорогое средство гашения дуги.

Первая задача решается выполнением одного из соединений с меньшим электрическим сопротивлением, чем остальные. Именно оно гарантированно перегорит последним.

Выполнение предохранителей для управляемого появления электрической дуги

Идея демонстрируется на рисунке. Восемь батарей параллельно соединяются посредством плавких соединителей (физически они похожи на проволоку), причем первые семь соединений 309 имеют одно сопротивление, а соединения 401 и 403 имеют меньшее сопротивление. Причем r401

Остается открытым вопрос, каким способом сделать сопротивление одного из соединений меньше остальных.

Разные материалы Разная длина
Разная толщина Разное количество

Данная задача решается путем:
— выполнения соединений из материалов с различным удельным сопротивлением. Например, на fig.5 соединения 505 выполнены из аллюминия, а 507 — из меди;
— выполнения соединений различной длины (fig.6). В данном случае соединение 603 имеет меньшую длину, чем 601, а значит меньшее сопротивление;
— выполнения соединений различной толщины (fig.7). Соединение 703 имеет большую толщину, чем 701, а следовательно, и меньшее сопротивление;
— выполнения соединений с использованием бОльшего числа элементарных проводников (fig.8).

Однако, иногда применяют и другие способы. Например, параллельное включение конденсатора большой емкости (1601, fig.16). Данный конденсатор выбирают на номинальное напряжение ячейки и при нормальных условиях он никак не влияет на работу батареи. В случае возникновения КЗ, при перегорании плавкого соединения 1005, вся энергия уходит на заряд конденсатора.

Еще одним направлением решения данной проблемы является увеличение длины дуги. Здесь наиболее эффективным оказалось применение постоянных магнитов (1802, fig.18). При гарантированном перегорании последнего по очереди плавкого соединения 703 начинает образовываться дуга, но за счет воздействия магнита, она постепенно выгибается в его сторону и в итоге разрывается.

Комплекс описанных технических решений позволяет создать модуль аккумуляторных ячеек, отличающийся улучшенной производительностью, высокой надежностью и безопасностью, имеющим при этом достаточно низкую стоимость, простоту и малые габариты системы защиты ячеек.

Батарея выполняется таким образом, что плавкие соединения являются единственными соединениями батарей и именно они перегорают в случае короткого замыкания. Риск устойчивого дугового разряда в данном случае сведен к минимуму, как и риск чрезмерного перегрева батареи.

Рассмотренные патенты относятся к периоду 2011-2112 гг. Если данный пост наберет в сумме по всем соцсетям более 50 репостов (счетчик расположен в окончании статьи), мы продолжим эту тему и рассмотрим в следующей публикации еще три наиболее интересных технических решения, относящиеся к 2012-2013 гг.

Другие патенты Tesla Motors, Inc .: ,