ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С ЗАРЯДНЫМ УСТРОЙСТВОМ НА БОРТУ Российский патент 2013 года по МПК B60L11/18 

Область техники

Изобретение относится к транспортным средствам с электрическим или гибридным приводом.

Уровень техники

В последние годы все заметнее тенденция «электрификации» автомобилей - растет в процентном отношении количество выпускаемых «чистых» электромобилей и, как промежуточного решения, гибридных автомобилей.

Существенной проблемой массового применения электротранспортных средств (ЭТС) является подзарядка аккумуляторной батареи (АБ), ее технические и экономические аспекты, тесно связанные с продолжительностью этого процесса. Общеизвестно, что повышение мощности применяемого для зарядки батарей электротока может многократно сократить ее продолжительность. Это особенно ярко проявляется при переходе от использования применяемой в домашних хозяйствах США электроэнергии (напряжение 110 вольт) к использованию мощных «промышленных» зарядных устройств. Возможен промежуточный вариант, предусматривающий установку в домашних гаражах подключаемого к имеющейся электросети специального устройства, позволяющего сократить время зарядки батарей (например, для гибридного автомобиля «Chevrolet Volt», с 6-8 ч при использовании стандартного напряжения в 110 В до 3-4 ч при увеличении напряжения до 240 В). Но приобретение и установка такого устройства требует определенных дополнительных затрат (Эткин Д.М. «Некоторые технико-экономические аспекты электрификации массовых автомобилей в США», ААИ №2(61) и №4(63), 2010).

Идет работа над зарядными устройствами: со временем они должны стать столь же распространенными, как бензозаправки, и восстанавливать мощность батарей на 80% за 15-30 минут. Кроме того, возможной становится зарядка АБ от домашней розетки. (А.МИЛОВЗОРОВ «Заправляться из розетки становится модно» http://www.utro.ru/articles/2010/11/24/939328.shtml)

Одним из возможных направлений решения задачи быстрого и экономичного восстановления мощности АБ является размещение зарядных устройств непосредственно на борту транспортного средства.

Известно техническое решение (патент US 5418437), где в состав приводной системы ЭТС, содержащей электрическую моторную систему (двигатели и преобразователи), систему управления, органы управления и АБ введено зарядное устройство (ЗУ), имеющее вход для подключения к источнику переменного тока и выход, подключенный к выходу указанной АБ. Указанное ЗУ содержит также управляющее устройство, отслеживающее состояние и управляющее работой ЗУ.

Недостатками известного устройства являются:

- ограниченные функциональные возможности - оно создано для работы от одного напряжения питающей сети и обеспечивает один уровень тока заряда;

- увеличение массы и стоимости электрооборудования ЭТС вследствие установки преобразователя и управляющего устройства ЗУ на борту ЭТС;

- недостаточный уровень безопасности - отсутствует блокировка (запрет) движения ТС при подключенном к источнику переменного тока ЗУ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является решение, по заявке на патент US 2007/0068714 А1. Указанное устройство содержит двигатель внутреннего сгорания с мотор-генератором; два электродвигателя, связанные соответственно с колесами передней и задней оси и управляемые соответствующими преобразователями, аккумуляторную батарею и накопитель (суперконденсатор с двойным электрическим слоем и/или маховик), связанные с общими шинами через соответствующие преобразователи; модуль управления и зарядное устройство, вход которого через согласующий трансформатор может быть подключен к внешнему источнику переменного тока, а выходные зажимы подключены к вышеуказанным общим шинам (+) и (-).

Недостатками этого устройства являются:

- ограниченные функциональные возможности - ЗУ может работать только при переменном напряжении питающей сети, согласованном указанным трансформатором, большем по величине, чем напряжение на указанных силовых шинах;

- увеличение массы и стоимости электрооборудования ЭТС вследствие установки трансформатора, преобразователя и управляющего устройства ЗУ на борту ЭТС;

- недостаточный уровень безопасности - отсутствует блокировка (запрет) движения ТС при подключенном к источнику переменного тока ЗУ.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является устранение ряда отмеченных недостатков известных устройств - расширение функциональных возможностей ЭТС в части заряда от внешнего источника, снижение массогабаритных и стоимостных показателей ЭТС, и увеличение уровня безопасности при эксплуатации ЭТС.

Указанные цели достигаются в предлагаемом электротранспортном средстве с зарядным устройством на борту. Оно содержит, по меньшей мере, один электродвигатель, связанный с колесами транспортного средства через механическую передачу или без нее, и систему управления, включающую в себя один или несколько обратимых преобразователей, обеспечивающих регулирование скорости и/или момента указанного электродвигателя, аккумуляторную батарею, конденсатор большой емкости (батарея суперконденсаторов (БСК)), реверсивный преобразователь постоянного тока в постоянный ток повышающего/понижающего типа (рекуператор (РЕ)) с системой управления рекуператором, два датчика тока, два датчика напряжения, причем один или несколько преобразователей подключены непосредственно к зажимам источника питания (АБ); конденсатор подключен к зажимам АБ через указанный реверсивный преобразователь; первый датчик тока определяет величину и направление тока АБ; второй датчик тока контролирует ток индуктивности, входящей в состав реверсивного преобразователя; первый датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах АБ; второй датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах батареи суперконденсаторов; выходы указанных датчиков подключены ко входам системы управления реверсивного преобразователя, выходы которой подключены к управляющим входам ключей реверсивного преобразователя и разрядного ключа.

В ЭТС введены трехфазный выпрямитель, входы которого подключены к зажимам разъема подключения внешнего источника питания, а выходы через введенный соединитель (контактор, тиристор) подключены к зажимам БСК. Кроме того, к выходу выпрямителя подключен также датчик наличия напряжения с гальванически развязанным выходом (например, оптопара с гасящим резистором), выход которого подключен ко входу введенного блока управления зарядом, к другим входам которого подключены выходы селектора уровня заряда.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого электротранспортного средства.

На фиг.2 отображен алгоритм функционирования указанной электрической схемы. Подробное описание изобретения.

Обратимся к фиг.1. Электрическая схема предлагаемой ЭТС содержит источник питания (АБ) с зажимами 1 и 2, напряжение на которых измеряется датчиком напряжения 1 ДН, а ток измеряется датчиком тока 1ДТ. К зажимам 1 и 2 подключены: последовательно соединенные балластный резистор R (шунтированный обратным диодом D) и разрядный ключ РК; и реверсивные преобразователи ПР1…HPi, обеспечивающие регулирование скорости и/или момента электродвигателей ЭД1…ЭД1, связанных с колесами ЭТС через механическую передачу или без нее (с использованием мотор-колес) - на схеме не показаны.

Схема содержит также батарею суперконденсаторов (БСК), напряжение на которой измеряется датчиком 2ДН, БСК подключена к выходным зажимам реверсивного преобразователя (РЕ) 4 и 2, входные зажимы которого 3 и 2 подключены к зажимам 1 и 2 источника (АБ). РЕ реализован на базе четырех транзисторных ключей K1…K4, зашунтированных обратными диодами D1…D4 индуктивности L, ток которой измеряется датчиком 2ДТ. К системе управления РЕ (СУРЕ) подключены выходы вышеперечисленных датчиков. Выходы СУ подключены к управляющим входам РЕ и РК.

Система управления верхнего уровня (СУВУ) ЭТС связывает сигналы датчика угла поворота руля, положения педалей газа (задания скорости и/или момента электродвигателя) и тормоза (задания момента торможения), ручного (стояночного) тормоза, переключателя режима (вперед, назад и т.п.) (на схеме не показаны) с ПР1…ITPi.

В схему введены также трехфазный выпрямитель В, разъем Р подключения внешнего источника питания ВИП, контактор К, датчик наличия напряжения на выходе В ЗДН, а также блок управлением заряда БУЗ и селектор уровня заряда СУЗ, причем вход В подключен к разъему Р, положительный выход В через контактор К подключен к положительному выводу 4 СК, отрицательный выход В подключен к общей шине (зажим 2). Гальванически отвязанный выход ЗДН (в качестве которого может быть использована оптопара с гасящим резистором) связан со входом БУЗ, к другим входам которого подключены выходы СУЗ. Выходы БУЗ связаны с СУВУ и СУРЕ.

Предлагаемое устройство работает в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.2 следующим образом.

ВИП подключается к схеме электрооборудования ЭТС через разъем Р. В качестве ВИП может быть использована одно- или трехфазная сеть переменного тока; ветрогенератор или солнечная батарея; источник на водородных топливных элементах и т.п., с выходным напряжением 100-380 В постоянного или переменного тока (в зависимости от конкретного исполнения устройства). С помощью СУЗ задается режим заряда (предельный уровень тока заряда) - нормальный, ускоренный, форсированный (Н, У или Ф), в зависимости от текущей ситуации и мощности ВИП.

Появление напряжения U3 на выходе выпрямителя через введенную схему контроля наличия из (3 ДН) запускает схему заряда АБ БУЗ, которая:

1 - через СУВУ включает схему управления ЭТС (аналогично ключу зажигания);

2 - блокирует электропривод ЭТС (запирает по управлению), исключая возможность движения ЭТС при подключенном шнуре ВИП;

3 - дополнительной командой РЕ осуществляет заряд батареи суперконденсаторов (БСК) до максимального напряжения U_{БСКмакс};

4 - по команде датчика напряжения 2ДН, контролирующего напряжение БСК, включается введенный в схему электрооборудования контактор К, подключающий (+) выход выпрямителя В к (+) зажиму БСК;

5 - по команде указанного контактора РЕ начинается заряд АБ от БСК в режиме Н, У или Ф, задаваемом СУЗ, расположенном на пульте управления ЭТС и/или под крышкой отсека размещения разъема Р подключения ВИП;

6 - при снижении напряжения U_БСК до Uз уровня открываются диоды выпрямителя В и начинается заряд АБ от ВИП, при этом БСК играет роль фильтрующего конденсатора;

7 - при достижении напряжения АБ заданного уровня, контролируемого датчиком напряжения АБ 1ДН или уменьшения тока заряда АБ, контролируемого датчиком тока АБ 1 ДТ, ниже заданного уровня, формируется команда окончания заряда АБ;

8 - по указанной команде осуществляется заряд батареи (БСК) до максимального напряжения U_{БСКмакс} от АБ;

9 - по команде датчика напряжения, контролирующего напряжение БСК, отключается контактор, подключающий (+) выход выпрямителя к (+) зажиму БСК, и защелкивается триггер в БУЗ, фиксирующий окончание заряда АБ;

10 - блокировка электроприводов ЭТС (п.2), исключающая возможность движения ЭТС при подключенном шнуре ВИП, не снимается.

Для снятия блокировки и возможности движения ЭТС необходимо отключить от разъема шнур ВИП.

Промышленная применимость

Введение в электрическую схему транспортного средства указанных элементов и использование предложенного алгоритма позволяет создать зарядное устройство на борту ЭТС с широкими возможностями по параметрам ВИП на базе существующей силовой схемы электрооборудования ЭТС и обеспечить высокий уровень безопасности при эксплуатации ЭТС путем блокировки движения ЭТС при подключенном шнуре ВИП.

Электротранспортное средство с автономным источником питания в виде аккумуляторной батареи содержит, по меньшей мере, один электродвигатель, связанный с колесами транспортного средства через механическую передачу и систему управления, включающую в себя один или несколько обратимых преобразователей, обеспечивающих регулирование скорости и/или момента указанного электродвигателя, конденсатор большой емкости и балластный резистор с разрядным ключом, один реверсивный преобразователь постоянного тока в постоянный ток повышающего/понижающего типа с системой управления, два датчика тока, два датчика напряжения. Первый датчик тока определяет величину и направление тока источника питания; второй датчик тока контролирует ток индуктивности, входящей в состав реверсивного преобразователя; первый датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах источника питания; второй датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах суперконденсатора. Выходы указанных датчиков подключены ко входам системы управления реверсивного преобразователя, выходы которой подключены к управляющим входам реверсивного преобразователя и разрядного ключа. Для заряда от внешнего источника при эксплуатации в него введены трехфазный выпрямитель, входы которого подключены к разъему подключения внешнего источника питания, выход через введенный контактор подключен к зажимам суперконденсатора. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, повышении уровня безопасности при эксплуатации и снижении массогабаритных показателей. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электротранспортное средство с автономным источником питания в виде аккумуляторной батареи, содержащее по меньшей мере один электродвигатель, связанный с колесами транспортного средства через механическую передачу или без нее, и систему управления, включающую в себя один или несколько обратимых преобразователей, обеспечивающих регулирование скорости и/или момента указанного электродвигателя, суперконденсатор большой емкости и балластный резистор с разрядным ключом, реверсивный преобразователь постоянного тока в постоянный ток повышающего/понижающего типа с системой управления, два датчика тока, два датчика напряжения, причем один или несколько обратимых преобразователей подключены непосредственно к зажимам источника питания; конденсатор подключен к зажимам источника питания через указанный реверсивный преобразователь; первый датчик тока определяет величину и направление тока источника питания; второй датчик тока контролирует ток индуктивности, входящей в состав реверсивного преобразователя; первый датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах источника питания; второй датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах суперконденсатора; выходы указанных датчиков подключены ко входам системы управления реверсивного преобразователя, выходы которой подключены к управляющим входам реверсивного преобразователя и разрядного ключа, отличающееся тем, что оно снабжено трехфазным выпрямителем, входы которого подключены к разъему подключения внешнего источника питания, а выход через контактор подключен к зажимам суперконденсатора; датчиком наличия напряжения на выходе выпрямителя с выходом, подключенным ко входу введенного блока управления зарядом, к другим входам которого подключены выходы введенного селектора уровня заряда; выходы блока управления зарядом подключены к управляющему входу указанного контактора, входам системы управления реверсивного преобразователя и системы управления электротранспортного средства.

2. Устройство по п.1, в котором датчик наличия напряжения на выходе выпрямителя имеет гальванически отвязанный выход, выполненный на базе оптопары с гасящим резистором.

3. Устройство по п.1, в котором для обеспечения бестоковой коммутации контактора в начале и в конце процесса заряда напряжение суперконденсатора повышается до уровня, превышающего уровень напряжения на выходе выпрямителя.

4. Устройство по п.1, в котором при появлении напряжения на выходе выпрямителя блокируются преобразователи приводов электротранспортного средства для исключения возможности движения электротранспортного средства при подключенном шнуре внешнего источника питания.