СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2014 года по МПК F02N11/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области авиационной техники, автомобилестроения, железнодорожного транспорта и электротранспорта, в частности, к системам пуска двигателей летательных аппаратов, автомобилей, железнодорожного транспорта, электротранспорта; резервным источникам электропитания летательных аппаратов, системам электропитания бортовой сети летательных аппаратов, автотранспорта, электротранспорта и железнодорожного транспорта.

Уровень техники

Известна система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания [Лебедев С.А., Рябцовских И.В., Диденко А.А., Гуменный В.З. - Система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания. - Патент на изобретение №2433300. - Опубл. 10.11.2011], содержащая аккумуляторную батарею, отрицательным полюсом соединенную со стартером, выполненным в виде электрической машины постоянного тока, и устройство управления пуском с выключателем стартера и тяговым реле, имеющим нормально открытые контакты, полупроводниковый вентиль и конденсаторную батарею, подключенную положительным полюсом через полупроводниковый вентиль к положительному полюсу аккумуляторной батареи, дополнительно содержащая реле включения конденсаторной батареи с нормально разомкнутыми контактами, управляющее реле с нормально замкнутыми контактами, генератор, резистор и реле включения стартера с нормально разомкнутыми контактами, при этом обмотка реле включения конденсаторной батареи соединена с полупроводниковым вентилем через выключатель стартера, замкнутые контакты управляющего реле и отрицательным полюсом аккумуляторной батареи, а нормально разомкнутые контакты реле включения конденсаторной батареи соединены с отрицательными полюсами аккумуляторной и конденсаторной батарей, обмотка управляющего реле соединена со вторым выводом генератора и через резистор с первым выводом генератора и с отрицательным полюсом аккумуляторной батареи, в свою очередь, генератор соединен третьим выводом с положительным полюсом аккумуляторной батареи, кроме того, обмотка реле включения стартера соединена с выключателем стартера и отрицательным полюсом аккумуляторной батареи, а нормально разомкнутые контакты реле включения стартера соединены с выключателем стартера и с обмоткой тягового реле стартера, обмотка тягового реле стартера соединена с нормально разомкнутыми контактами реле включения стартера и стартером, а нормально разомкнутые контакты тягового реле стартера соединены с полупроводниковым вентилем и стартером.

Недостатком такой системы электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания является: сложность технической реализации за счет применения большого количества элементов автоматического управления, что также обусловливает значительное снижение надежности системы; значительная масса и габариты системы за счет применения штатной аккумуляторной батареи, состоящей из набора аккумуляторов определенного номинального напряжения (например, для литий-ионного аккумулятора оно может составлять величину порядка 3,6 В), количество которых определяется необходимым напряжением на батарее (например, для батареи напряжением 27 В количество аккумуляторов составляет 27/3,6=8 штук); ограниченные функциональные возможности системы - только для пуска двигателя внутреннего сгорания и не предусматривает, в частности не предусмотрена работа системы в качестве источника энергии для питания бортовой сети в аварийном режиме и в буферном режиме; не конкретизировано, что является емкостным накопителем энергии; отсутствие возможности цифрового управления системой и контроля ее состояния.

Известна система пуска двигателя внутреннего сгорания [Кашканов В.В. - Система пуска двигателя внутреннего сгорания. - Патент на изобретение №2431055. - Опубл. 10.10.2011], содержащая аккумуляторную батарею, выключатель зажигания, стартер, первый и второй диоды, токоограничивающий резистор и емкостной накопитель энергии, заряд которого осуществляется от первого вывода аккумуляторной батареи через последовательно включенные токоограничивающий резистор и первый диод, при этом вторые выводы аккумуляторной батареи и емкостного накопителя энергии соединены вместе и образуют минусовую шину источника питания, при этом первый силовой контакт стартера напрямую соединен с первым выводом аккумуляторной батареи, второй силовой контакт стартера соединен с минусовой шиной источника питания, штекер стартера (катушка тягового реле) через выключатель зажигания подключен к точке соединения токоограничивающего резистора и катода первого диода, при этом анод второго диода подключен к первому выводу емкостного накопителя энергии, а катод второго диода подключен к точке соединения токоограничивающего резистора и катода первого диода.

Недостатком такой системы пуска двигателя внутреннего сгорания является: значительная масса и габариты системы за счет применения штатной аккумуляторной батареи, состоящей из набора аккумуляторов определенного номинального напряжения (например, для литий-ионного аккумулятора оно может составлять величину порядка 3,6 В), количество которых определяется необходимым напряжением на батарее (например, для батареи напряжением 27 В количество аккумуляторов составляет 27/3,6=8 штук); ограниченные функциональные возможности системы - только для пуска двигателя внутреннего сгорания, в частности не предусмотрена работа системы в качестве источника энергии для питания бортовой сети в аварийном режиме и в буферном режиме; не конкретизировано, что является накопителем энергии; отсутствие возможности цифрового управления системой и контроля ее состояния.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание системы электропитания, работающей в качестве системы пуска двигателей летательных аппаратов, автомобилей, железнодорожного транспорта, электротранспорта; а также резервных источников электропитания летательных аппаратов, систем электропитания бортовой сети летательных аппаратов, автотранспорта, электротранспорта и железнодорожного транспорта, отличающейся: высокой надежностью вследствие простоты реализации; значительным снижением массы и габаритов системы, например, при сравнении с системой, где в качестве аккумуляторной батареи (модуля аккумуляторов (МА)) используется литий-ионная (литий-полимерная, литий-гельполимерная), масса снижается на величину не менее 40%, а габариты не менее чем в 1,5 раза (уменьшается количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее за счет применения модуля преобразования напряжения, в который входит повышающий преобразователь (источник питания) напряжения аккумуляторной батареи; расширенными функциональными возможностями системы - помимо применения для пуска двигателей летательных аппаратов, автомобилей, железнодорожного транспорта, электротранспорта, предусмотрена работа системы в качестве резервного источника электропитания летательных аппаратов, систем электропитания бортовой сети летательных аппаратов, автотранспорта, электротранспорта и железнодорожного транспорта, в том числе при работе в буферном режиме; применением в качестве накопителя энергии электрохимического конденсатора (ионистора, молекулярного накопителя, суперконденсатора), что увеличивает ресурс работы аккумуляторной батареи вследствие снижения на нее нагрузка-наличием интеллектуальной системы управления и контроля.

Согласно изобретению, система электропитания транспортного средства содержит аккумуляторную батарею и накопитель энергии, модуль управления и контроля системы электропитания, модуль преобразования напряжения, модуль силовой коммутации для коммутации силовых цепей постоянного тока, зарядное устройство, предназначенное для подзаряда аккумуляторной батареи и накопителя энергии, выполненного в виде электрохимического конденсатора, при этом модуль преобразования напряжения связан силовыми цепями с шинами питания бортовой сети, модулем силовой коммутации и модулем управления и контроля;

модуль силовой коммутации связан силовыми цепями с зарядным устройством, аккумуляторной батареей и электрохимическим конденсатором;

а зарядное устройство, в свою очередь, связано силовыми цепями с аккумуляторной батареей и электрохимическим конденсатором;

причем модуль управления и контроля выполнен с возможностью подачи управляющих сигналов на модуль преобразования напряжения, модуль силовой коммутации и зарядное устройство, а также с возможностью получения сигналов с датчиков напряжения аккумуляторной батареи, датчика напряжения электрохимического конденсатора и датчика тока зарядного устройства, и с возможностью контроля напряжения/тока шины питания бортовой сети и обеспечения информационного взаимодействия с бортовой информационной шиной транспортного средства.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1 представлена блок-схема системы электропитания транспортного средства.

Осуществление изобретения

Как показано на фигуре 1, система электропитания транспортного средства содержит модуль аккумуляторов (МА) (аккумуляторы могут быть литий-ионные, литий-полимерные, литий-гельполимерные, никель-кадмиевые, свинцовые, никель-металлгидридные, водородные, литиевые, серебрянно-цинковые или любого другого типа), плюсовой вывод которого через модуль силовой коммутации (МСК), который служит для коммутации силовых цепей постоянного тока, соединен с плюсовым выводом электрохимического конденсатора (ЭХК) (ионистора, молекулярного накопителя, суперконденсатора), который в свою очередь соединен через МСК с силовой шиной бортовой сети, ведущей к двигателю и другим потребителям электроэнергии. В то же время, МА через МСК и модуль преобразования напряжения (МПН) соединен с силовой шиной бортовой сети и применяется для резервного электропитания и подзаряда модуля ЭХК. При этом подзаряд МА и модуля ЭХК осуществляется посредством модуля зарядного устройства (ЗУ) из бортовой сети или с внешнего источника питания. Управляющие сигналы поступают с МУК и контролируются встроенными датчиками.

МПН включает в себя повышающий преобразователь напряжения, осуществляющий преобразование напряжения с модуля МА, при работе в аварийном режиме, до напряжения, необходимого для питания бортовой силовой сети и понижающий преобразователь напряжения, обеспечивающий понижение напряжения с бортового до необходимого для питания модуля управления и контроля (МУК) и ЗУ.

МПН содержит: один силовой выход и один силовой вход для обеспечения силовой коммутации с шиной питания бортовой сети транспортного средства; один силовой выход и один силовой вход для обеспечения силовой коммутации с МСК; один силовой выход для подачи питания на МУК; один (при необходимости более одного) сигнальный вход для осуществления управления МПН.

Модуль ЗУ необходим для заряда модуля МА и ЭХК. Принцип построения модуля ЗУ может быть основан на применении широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Управляющие сигналы ШИМ поступают на ЗУ с модуля МУК.

ЗУ содержит: один силовой вход для коммутации с МСК; два силовых выхода, предназначенных для коммутации с МА и ЭХК для осуществления их заряда; один сигнальный выход (при необходимости более одного) со встроенного в ЗУ датчика тока на МУК; один сигнальный вход (при необходимости более одного) с МУК для приема управляющих команд.

Модуль ЭХК предназначен для работы в режиме запуска двигателя, в частности посредством вспомогательной силовой установки и в режиме буфера.

ЭХК содержит: один силовой выход и один силовой вход для обеспечения силовой коммутации с МСК; один силовой вход для обеспечения силовой коммутации с ЗУ для осуществления заряда ЭХК; один (при необходимости более одного) сигнальный выход на МУК с датчика напряжения ЭХК для осуществления контроля напряжения.

МУК предназначен для управления и контроля работой системы электропитания и может состоять из схемы согласования, содержащей в себе приемо-передатчик, который необходим для согласования уровней сигналов между бортовой информационной шиной и схемой управления МУК; схемы питания формирующей стабилизированные напряжения для питания МУК, а также фильтра, уменьшающего помехи и флуктуации напряжения бортовой сети; схемы управления осуществляющей прием и обработку сигналов от датчиков напряжения и тока, а также управление другими модулями источника электропитания с функциями контроля состояния в реальном времени.

МУК содержит: один силовой вход с МПН, предназначенный для осуществления питания МУК; четыре (при необходимости более четырех) сигнальных входа с датчиков напряжения МА и ЭХК для осуществления контроля напряжения; один сигнальный вход (при необходимости более одного) с датчика тока ЗУ для контроля тока заряда; три (при необходимости более трех) сигнальных выхода: на МПН - для управления МПН, на МСК - для управления МСК, на ЗУ - для управления ЗУ; один (при необходимости более одного) сигнальный вход и один (при необходимости более одного) сигнальный выход для обеспечения информационного взаимодействия с бортовой информационной шиной транспортного средства; один (при необходимости более одного) сигнальный вход для осуществления контроля напряжения (тока) шины питания бортовой сети.

Система электропитания содержит МА, состоящий из последовательно соединенных аккумуляторов (аккумуляторы могут быть литий-ионные, литий-полимерные, литий-гельполимерные, никель-кадмиевые, свинцовые, никель-металлгидридные, водородные, литиевые, серебрянно-цинковые или любого другого типа), плюсовой вывод которого через МСК соединен с плюсовым выводом ЭХК (ионистора, молекулярного накопителя, суперконденсатора), а также через МСК и МПН соединен с бортовой сетью, ведущей к двигателю и другим потребителям электроэнергии. Подзаряд МА и ЭХК осуществляется через ЗУ. Система электропитания может управляться внешними командами через МУК или работать по заданному МУК алгоритму.

МД содержит: один силовой выход и один силовой вход для обеспечения силовой коммутации с МСК; один силовой вход для обеспечения силовой коммутации с ЗУ для осуществления заряда МА; три (при необходимости более трех) сигнальных выхода на МУК с датчиков напряжения МА для осуществления контроля напряжения.

МСК содержит: один силовой выход и один силовой вход для обеспечения силовой коммутации с МПН; один силовой выход и один силовой вход для обеспечения силовой коммутации с шиной питания бортовой сети транспортного средства; один силовой выход и один силовой вход для обеспечения силовой коммутации с МА; один силовой выход и один силовой вход для обеспечения силовой коммутации с ЭХК; один силовой выход для обеспечения силовой коммутации с ЗУ; один (при необходимости более одного) сигнальный вход для осуществления управления МСК.

Система электропитания работает следующим образом.

При первоначальном запуске источника электропитания происходит самотестирование при помощи МУК.

В режиме запуска двигателя ЭХК (ионистор, молекулярный накопитель, суперконденсатор) через МСК разряжается на нагрузку (стартер, вспомогательную силовую установку, двигатель). В системе может быть предусмотрен заряд (подзаряд) ЭХК (ионистора, молекулярного накопителя, суперконденсатора) от МА через МСК при подаче управляющих команд с МУК. В случае необходимости запуск может быть осуществлен непосредственно от МА через МСК или в сочетании «МА+ЭХК (ионистор, молекулярный накопитель, суперконденсатор)» через МСК.

В режиме основного и резервного источника электропитания, электропитание бортовой сети питание осуществляется от МА через МСК и МПН или в сочетании «МА+ЭХК (ионистор, молекулярный накопитель, суперконденсатор)» через МСК и МПН при подаче команд с МУК.

В буферном режиме работы системы ЭХК (ионистор, молекулярный накопитель, суперконденсатор) через МСК подключается к бортовой силовой сети и остается на ней. Буферный режим работы может поддерживаться при подключении к ЭХК модуля аккумуляторов МА через МСК, или непосредственно МА через МСК при подаче команд с МУК.

Описанная система позволяет реализовать комбинацию в различных сочетаниях приведенных выше режимов работы.

Изобретение относится к системам пуска двигателей автомобилей, железнодорожного транспорта, электротранспорта. Система содержит аккумуляторную батарею и накопитель энергии, модуль управления и контроля системы (МУК) электропитания, модуль преобразования напряжения (МПН), модуль силовой коммутации (МСК) для коммутации силовых цепей постоянного тока. Система содержит зарядное устройство (ЗУ), предназначенное для подзаряда аккумуляторной батареи и накопителя энергии, выполненного в виде электрохимического конденсатора (ЭХК). При этом МПН связан силовыми цепями с шинами питания бортовой сети, МСК и МУК; МСК связан силовыми цепями с ЗУ, МД и ЭХК, а ЗУ, в свою очередь, связано силовыми цепями с МА и ЭХК. Модуль управления и контроля выполнен с возможностью подачи управляющих сигналов на модуль МПН, МСК и ЗУ, а также с возможностью получения сигналов с датчиков напряжения аккумуляторной батареи, датчика напряжения ЭХК и датчика тока ЗУ, и с возможностью контроля напряжения/тока шины питания бортовой сети и обеспечения информационного взаимодействия с бортовой информационной шиной транспортного средства. Технический результат заключается в упрощении устройства, уменьшении габаритов и в расширении функциональных возможностей. 1 ил.

Система электропитания транспортного средства, содержащая аккумуляторную батарею и накопитель энергии, отличающаяся тем, что дополнительно содержит модуль управления и контроля системы электропитания, модуль преобразования напряжения, модуль силовой коммутации для коммутации силовых цепей постоянного тока, зарядное устройство, предназначенное для подзаряда аккумуляторной батареи и накопителя энергии, выполненного в виде электрохимического конденсатора, при этом модуль преобразования напряжения связан силовыми цепями с шинами питания бортовой сети, модулем силовой коммутации и модулем управления и контроля, модуль силовой коммутации связан силовыми цепями с зарядным устройством, аккумуляторной батареей и электрохимическим конденсатором, а зарядное устройство, в свою очередь, связано силовыми цепями с аккумуляторной батареей и электрохимическим конденсатором, причем модуль управления и контроля выполнен с возможностью подачи управляющих сигналов на модуль преобразования напряжения, модуль силовой коммутации и зарядное устройство, а также с возможностью получения сигналов с датчиков напряжения аккумуляторной батареи, датчика напряжения электрохимического конденсатора, датчика тока зарядного устройства, и с возможностью контроля напряжения/тока шины питания бортовой сети и обеспечения информационного взаимодействия с бортовой информационной шиной транспортного средства.