ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТЯГОВАЯ ЦЕПЬ ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2014 года по МПК B60L11/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области автомобильной промышленности и, в частности, касается транспортных средств, содержащих электрическую тяговую цепь.

В частности, изобретение касается усовершенствований, позволяющих сократить время зарядки электрической аккумуляторной батареи, обеспечивающей тяговую мощность.

Уровень техники

Как правило, транспортные средства, содержащие электрическую тяговую цепь, содержат аккумуляторную батарею, параметры которой предусмотрены для обеспечения мощности, необходимой для выполнения тяговой функции. Эта батарея питает электрический двигатель через статический преобразователь. Эти преобразователи предназначены для создания системы переменных напряжений, предпочтительно трехфазных напряжений, которые подаются непосредственно на двигатель. Таким образом, преобразователь этого типа работает как инвертор и выдает систему напряжений, амплитуду и частоту которых регулируют для получения требуемого крутящего момента.

Проблема, относящаяся к транспортным средствам на электрической тяге, касается фазы зарядки аккумуляторной батареи. По сравнению с транспортными средствами с тепловым двигателем фаза зарядки батареи длится намного дольше. Действительно, при известных в настоящее время технологиях необходимо, чтобы транспортное средство оставалось на месте в течение времени порядка одного часа или более, чтобы зарядить его батарею от сетевого источника напряжения. Как правило, зарядку батарей производят путем их подключения к зарядному устройству, которое может быть внутренним или внешним. При существующих на сегодняшний день бортовых преобразователях эти операции зарядки могут занимать несколько часов, и, как правило, их осуществляют ночью, когда транспортное средство не используют.

Кроме того, существуют внешние зарядные устройства, позволяющие осуществлять операции зарядки быстрее, но они стоят слишком дорого, чтобы их можно было применять в широком масштабе. Кроме того, эти специальные зарядные устройства не всегда совместимы с очень большим количеством самых разных контактных соединителей, которые применяют для парка электрических транспортных средств.

В документе ЕP-0 603 778 уже было предложено решение для обеспечения зарядки аккумуляторных батарей. Оно основано на принципе соединения внешнего устройства электрического питания с контактами обмоток статора двигателя. Таким образом, обмотки двигателя выполняют функцию индуктивных компонентов, а инвертор, к которому их подключают, обеспечивает функцию ограничительного преобразователя для зарядки батареи.

Коренной проблемой этого решения является генерирование крутящего момента во время прохождения зарядного тока через обмотки статора во время фаз зарядки батареи. Действительно, преимуществом синхронных двигателей с магнитами или несинхронных двигателей, используемых в этом решении, является то, что они не требуют питания током вращающихся деталей, однако их недостатком является генерирование момента, как только через обмотки их статора начинает проходить трехфазный переменный ток. Появление этого момента, даже незначительного, когда ротор не вращается, тем более является недостатком, так как в случае даже легкого толчка во время зарядки этот средний момент, передаваемый двигателем на колеса, существенно увеличивается и будет тем больше, чем сильнее ток зарядки, циркулирующий в обмотках двигателя. Действительно, малейшее движение ротора в направлении вращающегося поля статора, связанного с прохождением тока зарядки, приведет к созданию момента в этом же направлении за счет эффекта наложения полей ротора и статора и, как следствие, к несвоевременному троганию с места транспортного средства.

Следовательно, понятно, что существует риск случайного начала движения транспортного средства. Этот риск тем более представляет опасность, так как для электрического транспортного средства не существует холостого хода, и на нулевой скорости транспортное средство является абсолютно бесшумным. Действительно, невозможно отличить стоящее на месте транспортное средство при стоянке от транспортного средства с нулевой скоростью, готового тронуться с места при нажатии на педаль акселератора. Поэтому абсолютно необходимо убедиться при помощи соответствующего радикального средства, что стоящее на месте транспортное средство не рискует тронуться с места. Для этого регламентные нормы предусматривают оборудование электрической системы устройством отключения, которое обеспечивает отсутствие какой-либо тяги в этом состоянии. Это не относится к системе, описанной в документе ЕP-0 603 778, в котором предусмотрено удержание транспортного средства на месте путем блокировки колес транспортного средства при помощи тормозной системы. Это решение абсолютно не является удовлетворительным, так как не отвечает действующим регламентным нормам, предусматривающим отключение электрического питания от тяговой системы во время стоянки транспортного средства. К тому же, оно основано только на функции стояночного тормоза в качестве защиты от трогания с места транспортного средства, что является недостаточным для удержания транспортного средства на месте, когда тяговый двигатель включен. Кроме того, когда колеса заблокированы, вся трансмиссия между выходом двигателя и осями оказывается местом концентрации механических напряжений и вибраций, в частности, на частоте питания внешнего источника питания и на его гармониках.

Таким образом, настоящее изобретение ставит перед собой задачу усовершенствования зарядки аккумуляторной батареи и, в частности, должно позволить избегать воздействия больших механических напряжений на механические узлы трансмиссии и любой возможности появления не нулевого среднего момента на валу трансмиссии во время зарядки.

Раскрытие изобретения

В этой связи объектом настоящего изобретения является тяговая цепь для автотранспортных средств, содержащая:

- бортовой подзаряжаемый источник энергии;

- статический преобразователь, выполненный с возможностью создания системы трехфазных напряжений, соединенный на входе с указанным подзаряжаемым источником энергии;

- трехфазный электрический двигатель, питаемый системой трехфазных напряжений, выдаваемых статическим преобразователем;

при этом обмотка статора двигателя выполнена с возможностью подключения к внешнему источнику электрической энергии для обеспечения зарядки бортового источника энергии через статический преобразователь.

Согласно изобретению, тяговая цепь характеризуется тем, что двигатель является синхронным с раздельным возбуждением, в котором питание ротора прерывается во время фаз зарядки.

Иначе говоря, применяемые двигатели содержат ротор, содержащий обмотку, при помощи которой генерируют поле ротора, с которым взаимодействует вращающееся поле, генерируемое обмотками статора. Это возбуждение можно прекратить по команде во время фазы зарядки, чтобы исключить или, по крайней мере, существенно уменьшить момент, создаваемый током, проходящим через обмотки статора во время этой фазы зарядки. Таким образом, необходимость наличия ротора, питание которого происходит через вращающиеся контакты, в значительное мере компенсируется тем, что зарядку батареи можно производить путем прямого соединения с внешней сетью питания, которая может быть, в частности, трехфазной, а также и однофазной сетью, избегая больших механических напряжений и возможности подачи не нулевого среднего момента на трансмиссию на выходе двигателя. На практике, каждая обмотка статора может содержать пару независимых контактов, при этом каждая обмотка содержит один контакт, соединенный со статическим преобразователем, а другой контакт поочередно соединяется либо с общей точкой, образующей нейтраль, - во время фаз движения; либо с контактным устройством соединения с внешним источником энергии - во время фаз зарядки. Иначе говоря, выбирают обмотку статора двигателя таким образом, чтобы не соединять напрямую нейтраль трех фаз в двигателе, а выводить обратные линии фазы наружу для их соединения с внешним источником энергии.

Предпочтительно на практике тяговая цепь может содержать систему релейных устройств, например, электромеханических или электронных, выполненных с возможностью вне фаз зарядки соединять контакты обмоток статора с общей точкой. Иными словами, соединение нейтрали можно осуществлять внутри или снаружи машины путем замыкания системы реле, обеспечивающей замыкание накоротко между обратными линиями фазы.

В варианте выполнения тяговая цепь может содержать соединитель-заглушку, которая сама образует общую точку и выполнена с возможностью вне фаз зарядки обеспечивать соединение контактов обратной линии фазы всех обмоток статора.

С другой стороны, во время фаз зарядки контактный соединитель, с которым соединены контакты обратной линии фазы, можно соединить с внешним, трехфазным или однофазным источником питания. В этом последнем случае две из обмоток статора одновременно соединяются с одним контактом внешнего источника напряжения питания.

В зависимости от варианта, контактный соединитель может соединяться с внешним источником питания через трансформатор, в частности, понижающий трансформатор, если используется сеть питания сетевым напряжением.

Краткое описание чертежей

Выполнение изобретения, а также его преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 - схема различных элементов, образующих тяговую цепь, показанная в режиме движения,

фиг. 2 - схема, аналогичная фиг. 1, показывающая вариант выполнения нейтрали двигателя,

фиг. 3-6 - схемы, аналогичные фиг. 1, показывающие тяговую цепь в режимах зарядки батареи в различных вариантах этого внешнего источника питания.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг. 1, тяговая цепь 1 в основном состоит из батареи 2, выходные контакты 3, 4 которой соединены со статическим преобразователем 5, обеспечивающим функцию инвертора. Этот инвертор 5 содержит входной конденсатор 6 и различные плечи 7, каждое из которых содержит два статических выключателя, между которыми подключены выходные контакты 8. При подаче соответствующей команды на инвертор, напряжения между выходными контактами 8 образуют систему трехфазных напряжений. Этот инвертор 5 питает двигатель 10, содержащий три обмотки 11, 12, 13 статора. Выходные контакты 8 инвертора соединены с одним из контактов 14, 15, 16 каждой обмотки 11, 12, 13 статора. Контакты 17, 18, 19 обратной линии фазы обмоток 11, 12, 13 статора соединены с контактным соединителем 25, с которым впоследствии соединяют внешний источник питания.

В варианте, показанном на фиг. 1, три контакта 17, 18, 19 обратной линии фазы каждой обмотки статора соединены между собой при помощи соединителя-заглушки 27.

Работу двигателя обеспечивают за счет соответствующего питания обмотки 23 ротора и соответствующего управления инвертором 5.

В варианте, показанном на фиг. 2, различные контакты 17, 18, 19 обратной линии фазы соединены между собой за счет наличия двух реле 30 и 31. Контакты этих реле 30, 31 замкнуты в режиме движения для обеспечения на их уровне замыкания накоротко обратных линий фазы. И, наоборот, контакты этих реле разомкнуты в режиме зарядки. Эти реле могут быть выполнены по разным технологиям, что не влияет на принцип изобретения.

Когда необходимо зарядить батарею транспортного средства, тяговую цепь конфигурируют, как показано на фиг. 3. В этом случае внешний источник 35 питания, предпочтительно трехфазный, соединяют с контактным соединителем 25. Таким образом, питание ротора отключают, и система сетевых напряжений 35 проходит через обмотки статора, играющие роль индуктивных элементов на выходных контактах 8 инвертора. В этом случае инвертор 5 работает как преобразователь типа повышающего трансформатора напряжения при соответствующем управлении входящими в его состав статическими выключателями.

В случае необходимости, как показано на фиг. 4, может понадобиться понижающий трансформатор 37 для приведения системы напряжения, подаваемого на статор двигателя, к уровню, обеспечивающему работу инвертора в режиме повышающего трансформатора напряжения.

Архитектура тяговой цепи в соответствии с настоящим изобретением позволяет также, как показано на фиг. 5, производить зарядку от однофазного источника сетевого напряжения. Этот режим зарядки, хотя и является менее быстрым, можно, тем не менее, использовать, когда трехфазная сеть недоступна.

В этом случае контактный соединитель 25 соединяют с источником 40 питания таким образом, чтобы два из его контактов 41, 42 были соединены вместе, при этом третий контакт 43 соединяют с другим контактом источника 40 питания. В этом случае через две обмотки 11,13 статора проходит одинаковый ток.

Как было указано выше, использование понижающего трансформатора 48 по схеме, показанной на фиг. 6, может понадобиться для обеспечения работы статического преобразователя 5 в режиме повышающего трансформатора напряжения.

Из всего вышесказанного вытекает, что преимуществом тяговой цепи в соответствии с настоящим изобретением является возможность ее подключения к трехфазному источнику питания без какого-либо риска появления момента внутри двигателя во время фазы зарядки. Таким образом, достигают сокращения времени зарядки во время соединения с трехфазной сетью и одновременно обеспечивают безопасность использования по сравнению с известными решениями. Эта архитектура позволяет также производить зарядку через однофазную сеть.

Электрическая тяговая цепь (1) для автотранспортного средства содержит бортовой подзаряжаемый источник (2) энергии. Тяговая цепь включает в себя статический преобразователь (5), выполненный с возможностью создания системы трехфазных напряжений, соединенный на входе с указанным подзаряжаемым источником (2) энергии. Трехфазный электрический двигатель (10), питаемый системой трехфазных напряжений, выдаваемых статическим преобразователем (5), содержит обмотку статора, выполненную с возможностью подключения к внешнему источнику (35) электрической энергии для обеспечения зарядки бортового источника энергии через статический преобразователь (5). Двигатель (10) является синхронным двигателем с раздельным возбуждением, в котором питание ротора (23) прерывается во время фаз зарядки. Технический результат заключается в сокращении времени зарядки аккумуляторной батареи и повышении безопасности при эксплуатации транспортного средства. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электрическая тяговая цепь (1) для автотранспортного средства, содержащая бортовой подзаряжаемый источник (2) энергии, статический преобразователь (5), выполненный с возможностью создания системы трехфазных напряжений, соединенный на входе с указанным подзаряжаемым источником (2) энергии, трехфазный электрический двигатель (10), питаемый системой трехфазных напряжений, выдаваемых статическим преобразователем (5), при этом обмотка статора двигателя выполнена с возможностью подключения к внешнему источнику (35) электрической энергии для обеспечения зарядки бортового источника энергии через статический преобразователь (5), причем двигатель (10) является синхронным двигателем с раздельным возбуждением, в котором питание ротора (23) прерывается во время фаз зарядки.

2. Электрическая тяговая цепь по п.1, в которой каждая обмотка (12, 13, 14) статора содержит пару независимых контактов, при этом каждая обмотка содержит один контакт (14, 15, 16), соединенный со статическим преобразователем, а другой контакт (17, 18, 19), выполненный с возможностью поочередно соединяться с общей точкой, образующей нейтраль (27), или с контактным соединителем (25) соединения с внешним источником (35) электрической энергии.

3. Электрическая тяговая цепь по п.1, дополнительно содержащая систему релейных устройств (30, 31), выполненных с возможностью вне фаз зарядки обеспечивать соединение контактов обмоток статора с общей точкой, образующей нейтраль.

4. Электрическая тяговая цепь по п.2, дополнительно содержащая соединитель-заглушку (27), образующую общую точку и выполненную с возможностью вне фаз зарядки соединять контакты (17, 18, 19) всех обмоток (12, 13, 14) статора.

5. Электрическая тяговая цепь по п.4, в которой контактный соединитель (25) соединен с внешним трехфазным источником (35) питания.

6. Электрическая тяговая цепь по п.4, в которой контактный соединитель (25) соединен с внешним однофазным источником питания, при этом две из обмоток (41, 42) статора соединены вместе с одним контактом внешнего источника (40) питания.

7. Электрическая тяговая цепь по п.4, в которой контактный соединитель (25) соединен с внешним источником питания через понижающий трансформатор (37).