УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ Российский патент 2011 года по МПК H02M7/48 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству преобразования электроэнергии для электромобиля.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Японская выложенная патентная заявка №H9-9412 представляет собой примерную стандартную ссылку, которая посвящена проблеме помех и т.п. в устройстве преобразования электроэнергии для электромобиля. Согласно Японской выложенной патентной заявке №H9-9412 для подавления гармонического тока утечки, протекающего в корпус электромобиля через все пути разводки, образованные в преобразователе, инверторе или в цепи заземления, схему фильтра располагают либо на входной стороне преобразователя, на выходной стороне преобразователя, или в цепи заземления, либо в одном из местоположений, - на входной стороне преобразователя, на выходной стороне инвертора или в цепи заземления.

В устройстве преобразования электроэнергии для электромобиля преобразователь, инвертор и т.п., которые составляют устройство преобразования электроэнергии, необходимо устанавливать под полом корпуса электромобиля в подвешенном состоянии. По этой причине в стандартном устройстве преобразования электроэнергии для электромобиля коробкообразный кожух (здесь и далее называемый «кожухом») изготавливают с возможностью фиксации к корпусу электромобиля и используют для вмещения основных цепей преобразователя и инвертора, соединительных проводников (шин), которые соединяют преобразователь и инвертор, и сглаживающих конденсаторов, которые подключены между соединительными проводниками. Дополнительно снаружи кожуха устанавливают охлаждающий элемент для уменьшения нагрева от переключающих элементов преобразователя и инвертора.

В случае электромобиля, работающего на переменном токе, поскольку вторичная сторона трансформатора отсоединена от земли, необходимо зафиксировать напряжение относительно земли, имеющейся в каждом устройстве, на постоянном значении, и при этом соединить некоторую точку схемы на вторичной стороне с землей. В этом отношении в устройстве преобразования электроэнергии для электромобиля, сконфигурированном вышеописанным образом, соединение кожуха с землей является общей практикой.

Из-за вышеупомянутой конфигурации в стандартном устройстве преобразования электроэнергии для электромобиля охлаждающий элемент, который помещен вблизи переключающих элементов и электрически соединен с кожухом, становится точкой заземления. Устройство преобразования электроэнергии таково, что между шиной постоянного тока преобразователя и инвертора и кожухом или охлаждающим элементом растет паразитная емкость.

Обычно проблема такой паразитной емкости не рассматривалась в качестве основного недостатка. Например, из обзора различной стандартной литературы, включая и вышеупомянутую Японскую выложенную заявку №H9-9412, видно, что проблемы, относящиеся к паразитной емкости этого рода, не обсуждались.

Тем не менее, авторами настоящего изобретения было обнаружено, что резонансная цепь формируется за счет индуктивной составляющей трансформатора или электродвигателя, который соединен с устройством преобразования электроэнергии для электромобиля, и паразитной емкости и что резонансный ток, протекающий в резонансной цепи, может действовать как источник помех, который выдает нежелательную помеху к стороне источника электроснабжения или к стороне электродвигателя.

Таким образом, как обсуждалось выше, если преобразователь и инвертор действуют как источники помех, то, в зависимости от уровня помехи, существует вероятность того, что шумовой ток, протекающий через верхнюю контактную линию, оказывает неблагоприятное влияние на сигнальное заземленное оборудование, а шумовой ток, протекающий через обмотку двигателя, оказывает неблагоприятное влияние на сигнальное оборудование транспортного средства или на сигнальное заземленное оборудование. Дополнительно, в свете последних тенденций в технологии, в которых повышение выходной мощности двигателя считается неизбежным, является желательным проведение некоторых измерений явления резонанса, относящегося к паразитной емкости этого рода.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение было направлено на решения вышеуказанных проблем, имеющихся в стандартной технологии.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение такой технологии, применительно к устройству преобразования электроэнергии для электромобиля, в которой преобразователь и инвертор размещены в кожухе, обеспечивая эффективное снижение резонансного тока, вызванного паразитной емкостью, между шиной постоянного тока преобразователя и инвертора и кожухом.

Для решения вышеупомянутой проблемы и достижения цели устройство преобразования электроэнергии для электромобиля согласно настоящему изобретению содержит блок преобразователя, который преобразует электроэнергию переменного тока в электроэнергию постоянного тока; блок инвертора, который преобразует электроэнергию постоянного тока в заданную электроэнергию переменного тока и подает заданную электроэнергию переменного тока на электродвигатель, который приводит в движение электромобиль; кожух, который вмещает в себя блок преобразователя и блок инвертора и часть которого соединена с землей; и импедансный элемент, который расположен внутри кожуха и который имеет индуктивную составляющую для подавления резонансного тока, протекающего между блоком преобразователя и блоком инвертора.

Согласно настоящему изобретению в устройстве преобразования электроэнергии для электромобиля внутри кожуха размещены блок преобразователя и блок инвертора, причем кожух частично соединен с землей, и в нем расположен магнитный сердечник, который подавляет резонансный ток, протекающий между блоком преобразователя и блоком инвертора. Поэтому становится возможным эффективно снижать резонансный ток, который объясняется наличием паразитной емкости между шинами постоянного тока преобразователя и инвертора и кожухом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает упрощенную электрическую схему примерной конфигурации устройства преобразования электроэнергии для электромобиля согласно предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения;

Фиг.2 изображает принципиальную схему примерного установленного состояния, когда устройство преобразования электроэнергии для электромобиля, проиллюстрированное на Фиг.1, установлено на корпусе танспортного средства;

Фиг.3 изображает принципиальную схему пути протекания резонансного тока, который генерируется вследствие паразитной емкости, возникающей между каждым соединительным проводником и кожухом устройства для преобразования электроэнергии, и который проиллюстрирован на принципиальной схеме, соответствующей Фиг.1;

Фиг.4 изображает принципиальную схему для разъяснения другого варианта воплощения компоновки магнитных сердечников, отличного от компоновки, проиллюстрированной на Фиг.1.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предпочтительный вариант воплощения устройства преобразования электроэнергии для электромобиля согласно настоящему изобретению будет описан ниже подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи. Настоящее изобретение не ограничено вариантом воплощения, описанным ниже.

Фиг.1 изображает упрощенную принципиальную схему примерной конфигурации устройства преобразования электроэнергии для электромобиля согласно предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения. На Фиг.1 устройство 100 преобразования электроэнергии включает в себя блок 20 преобразователя, блок 60 инвертора и магнитный сердечник 70, который размещен между блоком 20 преобразователя и блоком 60 инвертора. Каждый из этих составных элементов прикреплен к кожуху 80. С входной клеммой устройства 100 преобразования электроэнергии соединен трансформатор 6. С блоком 60 инвертора, который расположен у выходной клеммы устройства 100 преобразования электроэнергии, соединен электродвигатель 90, который приводит в движение электромобиль. Что касается электродвигателя 90, то пригодны для использования асинхронный электродвигатель или синхронный электродвигатель.

Более того, на Фиг.1 один конец первичной обмотки трансформатора 6 соединен с внешней контактной линией 1 через токосъемное устройство 2, тогда как другой его конец соединен с рельсом 4, который заземлен через колесо 3. Электроэнергия (как правило, переменный ток 20-25 кВ), подаваемая от внешней контактной линии 1, является входной для первичной обмотки трансформатора 6 через токосъемное устройство 2, тогда как энергия переменного тока, генерируемая во вторичной обмотке трансформатора 6, является входной для блока 20 преобразователя.

Блок 20 преобразователя включает в себя главную цепь 22 преобразователя, к которому подключены по мостовой схеме переключающие элементы и охлаждающий элемент 30 преобразователя для охлаждения переключающих элементов, соединенных по мостовой схеме. Из трех выходных клемм главной цепи 22 преобразователя выведены соединительные проводники P, C и N, которые соединены с блоком 60 преобразователя, описанным ниже. Главная цепь 22 преобразователя осуществляет широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) на каждом переключающем элементе, подключенном по мостовой схеме, для преобразования напряжения переменного тока, подаваемого с внешней контактной линии 1, в заданное напряжение постоянного тока и выводит напряжение постоянного тока. В качестве переключающих элементов, составляющих главную цепь 22 преобразователя, можно подходящим образом использовать, например, элементы биполярного транзистора с изолированным затвором IGBT, включенные вместе с встречно-параллельными диодами. Между тем, существует множество известных примеров подробно описанной конфигурации и способа управления главной цепи 22 преобразователя, описание которых здесь опущено. В примере, проиллюстрированном на Фиг.1, главная цепь 22 преобразователя проиллюстрирована в виде трехуровневого преобразователя. В качестве альтернативы главная цепь 22 преобразователя также может быть сконфигурирована, например, из двухуровневого преобразователя (известного), и такая конфигурация также находится в пределах объема настоящего изобретения.

На выходных клеммах главной цепи 22 преобразователя расположены сглаживающие конденсаторы 24P и 24N, которые действуют как источники питания постоянного тока для блока 60 инвертора. Точнее говоря, сглаживающий конденсатор 24P подключен между соединительными проводниками P и C, тогда как сглаживающий конденсатор 24N подключен между соединительными проводниками С и N.

Блок 60 инвертора включает в себя главную цепь 62 инвертора, к которой по мостовой схеме подключены переключающие элементы и охлаждающий элемент 50 инвертора для охлаждения переключающих элементов, подключенных по мостовой схеме. К трем входным клеммам главной цепи 62 инвертора подсоединены соединительные проводники Р, С и N, как было описано выше. Сглаживающие конденсаторы 64Р и 64N, которые действуют как источники питания постоянного тока, соответственно подключены между соединительными проводниками Р и С и между соединительными проводниками С и N. К выходным клеммам главной цепи 62 инвертора подключен электродвигатель 90. Главная цепь 62 инвертора осуществляет ШИМ-управление на каждом подключенном по мостовой схеме переключающем элементе для преобразования напряжения постоянного тока на его входе в заданное напряжение переменного тока и выводит напряжение переменного тока. В качестве переключающих элементов, составляющих главную цепь 62 инвертора, можно подходящим образом использовать, например, элементы IGBT, включенные вместе с встречно-параллельными диодами. Тем не менее, существует множество известных примеров подробной конфигурации и способа управления главной цепью 62 инвертора, описание которых здесь опущено. В примере, проиллюстрированном на Фиг.1, главная цепь 62 инвертора проиллюстрирована в виде трехуровневого инвертора. В качестве альтернативы главную цепь 62 инвертора также можно сконструировать, например, из двухуровневого преобразователя (известного), и такая конфигурация также находится в пределах объема настоящего изобретения.

На Фиг.2 показана принципиальная схема примерного установленного состояния, при котором устройство преобразования электроэнергии установлено относительно корпуса транспортного средства. Как показано на Фиг.2, устройство 100 преобразования электроэнергии наряду с другим электрическим оборудованием 11 расположено под полом корпуса 9 транспортного средства. В устройстве 100 преобразования электроэнергии блок 20 преобразователя, блок 60 инвертора и магнитный сердечник 70 и т.п. размещены в кожухе 80.

Охлаждающий элемент 30 преобразователя включает в себя основание 32 ребер и ребро 34 и расположен на нижней стороне блока 20 преобразователя таким образом, что ребро 34 контактирует с воздухом. Идентичным образом охлаждающий элемент 50 инвертора включает в себя основание 52 ребер и ребро 54 и расположен на нижней стороне блока 60 инвертора таким образом, что ребро 54 контактирует с воздухом. За счет расположения устройства 100 преобразования электроэнергии вышеуказанным образом набегающий ветер W, который возникает при движении электромобиля и который дует в направлении, противоположном направлению движения, течет по ребрам 34 и 54, и тепло, создаваемое в переключающих элементах, уходит в атмосферу через ребра 34 и 54.

В вышеупомянутом примере охлаждающий элемент 30 преобразователя и охлаждающий элемент 50 инвертора расположены за пределами кожуха 80 таким образом, что его ребра контактируют с внешним воздухом. Однако компоновка не ограничена этим примером. Например, также можно располагать каждый охлаждающий элемент внутри кожуха 80 во избежание повреждений ребер. При такой компоновке часть охлаждающего элемента, расположенного внутри кожуха 80, которая контактирует с набегающим ветром W, может быть покрыта, например, сетевидной структурой. Это облегчает создание системы естественного воздушного охлаждения, как проиллюстрировано для охлаждающих элементов на Фиг.2. Тем не менее, в случае использования системы принудительного воздушного охлаждения, работающей с помощью нагнетателя воздуха или использования системы водяного охлаждения, блок 20 преобразователя и блок 60 инвертора могут быть размещены в кожух 80, без необходимости использования сетевидной структуры, или т.п.

На Фиг.3 показана принципиальная схема пути протекания резонансного тока, генерируемого вследствие возникновения паразитной емкости между каждым соединительным проводником и кожухом устройства преобразования энергии, и это проиллюстрировано на электрической схеме, соответствующей Фиг.1. Как было описано ранее, резонансный ток является током, который протекает в сторону трансформатора 6 или электродвигателя 90 под действием паразитной емкости, образованной между шинами постоянного тока блока 20 преобразователя и блока 60 инвертора и кожухом 80, и под действием индуктивной составляющей трансформатора 6 или электродвигателя 90, соединенного с устройством 100 преобразования энергии.

В блоке 20 преобразователя (Фиг.3) паразитные емкости 82-84 образовались так, как проиллюстрировано между шинами постоянного тока, включающими в себя соединительные проводники соответственно P, C и N, и кожухом 80. В блоке 60 инвертора паразитные емкости 86-88 образовались, как проиллюстрировано, между шинами постоянного тока, включающими в себя соединительные проводники, соответственно P, C и N, и кожухом 80. Каждая паразитная емкость проиллюстрирована совмещенными составляющими паразитных емкостей, которые генерируются в каждой части главной цепи 22 преобразователя и главной цепи 62 инвертора.

При наличии таких составляющих паразитной емкости резонанс (последовательный резонанс) возникает между индуктивными составляющими трансформатора 6 и электродвигателем 90 и составляющими паразитной емкости. Таким образом, импеданс для конкретного диапазона частот (например, диапазона 1-2 МГц) понижается, и усиливается только ток этого конкретного диапазона частот. В результате в кожухе 80 резонансный ток 91 протекает через паразитные емкости 82 и 86, резонансный ток 92 протекает через паразитные емкости 83 и 87, а резонансный ток 93 протекает через паразитные емкости 84 и 88.

Поэтому в настоящем варианте воплощения магнитный сердечник 70, имеющий заданную индуктивную составляющую, расположен таким образом, что соединительные проводники P, C и N, которые соединяют блок 20 преобразователя и блок 60 инвертора, проходят через магнитный сердечник 70. За счет соответствующего расположения магнитного сердечника 70 можно смещать частоту максимального резонансного тока (здесь и далее называемую «резонансной частотой») к диапазону частот, который не создает вредного воздействия, например, сигнальному оборудованию транспортного средства, сигнальному заземленному оборудованию и т.п. Более того, за счет введения магнитного сердечника 70 можно повысить индуктивность этого диапазона частот, при котором возникает резонанс. В результате резонансный ток в этом конкретном диапазоне частот может быть снижен, и величина помехи, присущая резонансному току, может быть снижена до уровня, который не вызывает никаких проблем.

Тем не менее, в качестве материала для магнитного сердечника 70 можно использовать, например, ферритовый материал или аморфный материал. Поскольку такой материал обладает свойством низкого импеданса в низкочастотном диапазоне, и в частотном диапазоне энергоснабжения практически отсутствует воздействие на электропередачу.

Более того, размер магнитного сердечника 70 (длина внешней окружности, длина внутренней окружности, толщина, соотношение геометрических размеров и т.п.) можно подходящим образом определить исходя из емкости блока 20 преобразователя и блока 60 инвертора или размера и расположения каждого соединительного проводника и т.д. Кроме того, значение индуктивности магнитного сердечника 70 можно подходящим образом выбрать исходя из величины резонансной частоты и паразитной емкости.

Вышеупомянутые составляющие паразитной емкости в основном объясняются тем, что шины постоянного тока, включающие в себя соединительные проводники P, C и N, расположены близко к кожуху 80, и тем, что кожух 80 соединен с землей таким образом, что он имеет тот же электрический потенциал, что и потенциал земли. Поэтому паразитная емкость возникает, даже если нет никакого охлаждающего элемента. Таким образом, вышеупомянутые контрмеры эффективны даже для конфигурации, в которой отсутствует охлаждающий элемент. Однако по сравнению с конфигурацией, в которой отсутствует охлаждающий элемент, конфигурация с наличием охлаждающего элемента имеет больше составляющих паразитной емкости из-за влияния площади ребер, выделяющих тепло. Таким образом, желательно осуществлять подходящий выбор для каждого типа конфигурации.

На Фиг.4 показана принципиальная схема, объясняющая другой вариант воплощения магнитных сердечников, отличных от компоновки, проиллюстрированной на Фиг.1. В варианте воплощения, проиллюстрированном на Фиг.1, магнитный сердечник 70 расположен между блоком 20 преобразователя и блоком 60 инвертора. В качестве альтернативы магнитный сердечник 70 также может быть расположен внутри каждого из блока 20 преобразователя и блока 60 инвертора. Например, внутри блока 20 преобразователя магнитные сердечники 70a и 70c могут быть расположены либо на выходной стороне (стороне соединительных проводников), либо на входной стороне (стороне главной цепи преобразователя) относительно сглаживающих конденсаторов 24P и 24N, как проиллюстрировано на Фиг.4. Аналогично внутри блока 60 инвертора магнитные сердечники 70b и 70d могут быть расположены либо на входной стороне (стороне соединительных проводников), либо на выходной стороне (стороне главной цепи инвертора) относительно сглаживающих конденсаторов 64P и 64N, как проиллюстрировано на Фиг.4. Даже при такой конфигурации магнитные сердечники расположены в контуре пути протекания, через который протекает резонансный ток. Таким образом, можно снижать резонансный ток, вызванный паразитной емкостью, и смещать резонансную частоту к заданному диапазону частот, что является преимуществами настоящей заявки.

Тем не менее, магнитный сердечник согласно настоящему варианту воплощения расположен с целью уменьшения резонансного тока, который протекает вследствие наличия резонансной цепи, сформированной внутри устройства для преобразования энергии. Кроме того, поскольку потенциальные флуктуации, вызванные резонансным током, подавляются, синфазный ток, протекающий в сторону трансформатора или в сторону электродвигателя, также снижается.

Как было описано выше, в устройстве преобразования электроэнергии для электромобиля согласно настоящему варианту воплощения внутри кожуха, который вмещает в себя блок преобразователя и блок инвертора и который частично заземлен, расположен магнитный сердечник для подавления резонансного тока, протекающего между блоком преобразователя и блоком инвертора. Поэтому становится возможным эффективно снижать резонансный ток, вызванный наличием паразитной емкости между шинами постоянного тока преобразователя и инвертора и кожухом.

Более того, в настоящем варианте воплощения магнитный сердечник расположен в качестве элемента для подавления резонансного тока, который протекает между блоком преобразователя и блоком инвертора. Вместо магнитного сердечника в качестве импедансного элемента, имеющего индуктивную составляющую, также можно использовать реактор или синфазную дроссельную катушку. Таким образом, основным моментом является то, что, до тех пор пока резонансную частоту можно смещать к диапазону частот, которые не оказывают неблагоприятного влияния, например, на сигнальное оборудование транспортного средства, сигнальное заземленное оборудование и т.п., представляется возможным использовать импедансный элемент любого типа.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Таким образом, настоящее изобретение пригодно для эффективного снижения резонансного тока, который генерируется, вследствие наличия паразитной емкости между шинами постоянного тока преобразователя и инвертора и кожухом, в который вмещены преобразователь и инвертор в устройстве преобразования электроэнергии для электромобиля.

РАЗЪЯСНЕНИЯ БУКВЕННЫХ И ЦИФРОВЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 внешняя контактная линия

2 токосъемное устройство

3 колесо

4 рельс

6 трансформатор

9 корпус транспортного средства

11 электрическое оборудование

20 блок преобразователя

22 главная цепь преобразователя

24P, 24N, 64P, 64N сглаживающий конденсатор

30 охлаждающий элемент преобразователя

32 основание ребер (блок преобразователя)

34 ребро (блок преобразователя)

50 охлаждающий элемент инвертора

52 основание ребер (блок инвертора)

54 ребро (блок инвертора)

60 блок инвертора

62 главная цепь инвертора

70, 70a-70d магнитный сердечник

80 кожух

82-84, 86-88 паразитная емкость

90 электродвигатель

91-93 резонансный ток

100 устройство преобразования электроэнергии

P, C, N соединительный проводник

W набегающий ветер

Технический результат изобретения состоит в эффективном снижении резонансного тока, протекающего в блоке преобразователя и блоке инвертора в устройстве преобразования электроэнергии для электромобиля. Устройство преобразования электроэнергии включает в себя блок (20) преобразователя, который преобразует электроэнергию переменного тока в электроэнергию постоянного тока, блок (60) инвертора, который преобразует электроэнергию постоянного тока в заданную электроэнергию переменного тока и подает заданную электроэнергию переменного тока на электродвигатель (90), приводящий в движение электромобиль, кожух (80), в котором размещены блок (60) инвертора и часть которого заземлена, и магнитный сердечник (70), который расположен внутри кожуха (80) и обеспечивает подавление резонансного тока, протекающего между блоком (20) преобразователя и блоком (60) инвертора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство (100) преобразования электроэнергии для электромобиля, содержащее: блок (20) преобразователя, преобразующий электроэнергию переменного тока в электроэнергию постоянного тока; блок (60) инвертора, преобразующий электроэнергию постоянного тока в заданную электроэнергию переменного тока и подающий заданную электроэнергию переменного тока на электродвигатель, который приводит в движение электромобиль; кожух (80), в котором размещены блок (20) преобразователя и блок (60) инвертора, и часть которого заземлена; и импедансный элемент (70), расположенный внутри кожуха (80) и имеющий индуктивную составляющую для подавления резонансного тока, протекающего между блоком (20) преобразователя и блоком (60) инвертора.

2. Устройство (100) преобразования электроэнергии для электромобиля по п.1, в котором импедансный элемент (70) расположен между блоком (20) преобразователя и блоком (60) инвертора так, что соединительный проводник, который соединяет блок (20) преобразователя и блок (60) инвертора, проходит через импедансный элемент (70).

3. Устройство (100) преобразования электроэнергии для электромобиля по п.1, в котором импедансный элемент расположен, по меньшей мере, либо на выходной стороне главной цепи (22) преобразователя, включенной в блок (20) преобразователя, либо на входной стороне главной цепи (62) инвертора, включенной в блок (60) инвертора.

4. Устройство (100) преобразования электроэнергии для электромобиля по любому из пп.1-3, в котором импедансный элемент (70) представляет собой магнитный сердечник (70а-70d).