ЭЛЕКТРОУСТАНОВКА С ЕМКОСТЬЮ ДЛЯ ЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАТАРЕЙ Российский патент 2014 года по МПК H02J7/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к электроустановке с емкостью для зарядки электрических батарей, например, для электрических транспортных средств, в особенности, автомобилей с электрическим приводом.

Хотя данное изобретение относится к электроустановке с емкостью для зарядки электрических батарей, такая электроустановка с тем же успехом может иметь другое применение и, возможно, не всегда использоваться для зарядки батарей, даже если бы зарядка была возможна. Вместе с тем, теперь, чтобы пролить свет на данное изобретение и решаемые им задачи, а не ограничить изобретение каким-либо образом, будет пояснен случай использования такой электроустановки с емкостью для зарядки электрических батарей электрических транспортных средств, в особенности, автомобилей с электрическим приводом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Благодаря растущему объему дискуссий о климате большинство фирм-изготовителей автомобилей теперь стимулируют способность двигаться с нулевыми вредными выбросами, которую, помимо прочих, поддерживают администрации США и Евросоюза, инвестирующие государственные средства на развитие технологии электрических транспортных средств и инфраструктуры для зарядки таких транспортных средств. Таким образом, существует быстрорастущая потребность в разработке электроустановок с емкостью для зарядки электрических батарей электрических транспортных средств, которые могут быть сконструированы для эффективного достижения зарядки быстрорастущего количества электрических транспортных средств. При зарядке электрических батарей для таких электрических транспортных средств будет происходить одновременная зарядка множества батарей узла или блока, соединенных последовательно и/или параллельно.

Электроустановки этого типа уже известны, например, из документов EP 1610436 A1 и WO 2009/131336 A2, и в обоих этих документах описаны электроустановки, предназначенные для зарядки электрических батарей, соединенных последовательно. Вместе с тем, конечно же, предпринимаются не прекращающиеся попытки усовершенствовать такие установки, например, в части эффективности, эксплуатационной надежности, емкости и т.д.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать электроустановку того типа, которая охарактеризована во введении, по меньшей мере, в некоторых аспектах усовершенствована относительно уже известных таких установок.

В соответствии с изобретением, эта задача решается путем разработки такой установки со следующими признаками:

она представляет собой установку для передачи электрической энергии, содержащую преобразователь источника напряжения, сеть напряжения переменного тока, соединенную со стороной напряжения переменного тока преобразователя, и узел напряжения постоянного тока, соединенный со стороной напряжения постоянного тока преобразователя, причем преобразователь источника напряжения имеет, по меньшей мере, одно плечо фазы, соединенное с разноименными полюсами упомянутой стороны напряжения постоянного тока преобразователя и содержащее последовательное соединение переключающих элементов, причем каждый упомянутый переключающий элемент имеет, с одной стороны, по меньшей мере, две полупроводниковых блока, соединенных последовательно, каждый из которых имеет полупроводниковое устройство выключаемого типа и обратный диод, соединенный параллельно с этим устройством, а с другой стороны - по меньшей мере, один конденсатор для накопления энергии, а также два вывода, соединяющие этот элемент с соседними элементами в упомянутом последовательном соединении переключающих элементов, причем средняя точка упомянутого последовательного соединения переключающих элементов образует фазовый выход, соединенный с упомянутой стороной напряжения переменного тока преобразователя, при этом преобразователь содержит схему, выполненную с возможностью управлять упомянутыми полупроводниковыми устройствами каждого переключающего элемента таким образом, что каждый упомянутый переключающий элемент будет получать одно из двух состояний переключения, а именно, первое состояние переключения и второе состояние переключения, в которых напряжение на упомянутом, по меньшей мере, одном накопительном конденсаторе и нулевое напряжение соответственно подаются на упомянутые два вывода переключающего элемента для получения определенного напряжения переменного тока на фазовом выходе,

при этом, по меньшей мере, один из упомянутых переключающих элементов снабжен средством, выполненным с возможностью соединять, по меньшей мере, одну электрическую батарею параллельно с упомянутым, по меньшей мере, одним конденсатором этого элемента, и

упомянутая схема управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление, чтобы оказывать влияние на состояние зарядки упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи, соединенной с упомянутым, по меньшей мере, одним переключающим элементом.

Термин «сеть напряжения переменного тока» здесь интерпретируется в широком смысле и охватывает диапазон от локального соединения с несколькими потребителями электроэнергии переменного тока до сетей энергоснабжения, предназначенных для распределения или передачи электроэнергии переменного тока высокого напряжения.

Соответственно, данное изобретение основано на понимании возможности и преимуществ использования преобразователя источника напряжения того типа, который известен, например, из документов DE 10103031 A1 и WO 2007/023064 A1, в электроустановке, которая должна иметь емкость для зарядки электрических батарей. Особая заинтересованность существует в использовании преобразователя источника напряжения этого типа для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока, и, наоборот, когда речь идет о передаче большой электроэнергии, поскольку это также означает, что приходится иметь дело с высокими напряжениями, а напряжение стороны постоянного напряжения преобразователя определяется напряжениями на упомянутых конденсаторах для накопления энергии переключающих элементов. Это значит, что сравнительно большое количество таких переключающих элементов приходится соединять последовательно для большого количества полупроводниковых устройств, т.е. упомянутые полупроводниковые блоки приходится соединять последовательно в каждом упомянутом переключающем элементе, а преобразователь источника напряжения этого типа представляет конкретный интерес, когда количество переключающих элементов в упомянутом плече фазы сравнительно велико. Большое количество переключающих элементов, соединенных последовательно, означает, что появится возможность управлять этими переключающими элементами, производя изменение между упомянутыми первым и вторым состояниями и за счет этого, - уже на упомянутом фазовом выходе - получая напряжение переменного тока, весьма близкое к синусоидальному напряжению. Тогда этого можно добиться уже посредством частот переключения, которые существенно ниже, чем обычно используемые в других известных преобразователях источников напряжения. Это делает возможным получение существенно меньших потерь, а также значительно снижает проблемы фильтрации, гармонических токов и радиопомех, так что оборудование для этого может стоить меньше. Соответственно, имеется ряд преимуществ использования этого преобразователя источника напряжения как такового, и авторы данного изобретения осознали, что преобразователь источника напряжения этого типа можно простыми средствами и за счет сравнительно малых затрат использовать для зарядки электрических батарей. Благодаря соединению, по меньшей мере, одной электрической батареи с упомянутым переключающим элементом параллельно с его конденсатором, появится возможность посредством упомянутой схемы управления легко корректировать осуществляемое управление таким образом, что состояние зарядки упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи будет изменяться. Следовательно, тогда появится возможность как полной, так и частичной зарядки или разрядки электрических батарей посредством такого управления.

Кроме того, появится возможность использовать электроустановку, которая может иметь другие известные назначения для выполнения функций в связи с прохождением электрической энергии, также для зарядки электрических батарей.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения, упомянутая установка содержит средство, выполненное с возможностью определять уровень напряжения упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи, соединяемой параллельно с упомянутым, по меньшей мере, одним конденсатором, и отправлять информацию об этом уровне в схему управления, причем упомянутая схема управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление с получением на упомянутом конденсаторе, по существу, такого же напряжения, как напряжение на упомянутой батарее, а упомянутое соединительное средство выполнено с возможностью откладывать соединение упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи параллельно с упомянутым конденсатором до тех пор, пока схема управления не получит на упомянутом конденсаторе, по существу, такое же напряжение, как напряжение на упомянутой батарее. Таким образом, соединение, по меньшей мере, одной электрической батареи, подлежащей зарядке, с упомянутым переключающим элементом можно легко получить путем надлежащего управления посредством упомянутой схемы управления, корректируя напряжение на упомянутом конденсаторе до напряжения на упомянутой батарее.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутая схема управления выполнена с возможностью заряжать упомянутую, по меньшей мере, одну электрическую батарею после упомянутого соединения упомянутой батареи параллельно с упомянутым, по меньшей мере, одним конденсатором путем осуществления упомянутого управления таким образом, что напряжение на упомянутом конденсаторе постепенно увеличивается для получения протекания зарядного тока в упомянутую электрическую батарею, параллельно соединенную с конденсатором. Обнаружено, что зарядка упомянутой электрической батареи может быть простой, надежно управляемой и эффективно осуществляемой за счет такой конфигурации схемы управления установки.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, для отсоединения упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи от упомянутого переключающего элемента упомянутая схема управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление таким образом, что напряжение на упомянутом, по меньшей мере, одном конденсаторе оказывается, по существу, идентичным напряжению на упомянутой батарее, и зарядный ток не течет, и, когда это достигнуто, соединительное средство выполнено с возможностью отсоединять упомянутую, по меньшей мере, одну электрическую батарею от переключающего элемента. Эти признаки гарантируют плавное отсоединение упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи от переключающего элемента, когда это требуется, например, когда батарея полностью заряжена.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутое соединительное средство выполнено с возможностью соединять блок из множества электрических батарей, взаимно соединенных параллельно и/или последовательно, с упомянутым, по меньшей мере, одним конденсатором упомянутого, по меньшей мере, одного переключающего элемента, а упомянутая схема управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление, чтобы оказывать влияние на состояние зарядки упомянутого блока батарей, соединенного с упомянутым переключающим элементом. За счет соединения такого блока из множества батарей параллельно с упомянутым конденсатором упомянутого, по меньшей мере, одного переключающего элемента, можно будет, например, заряжать блок батарей, расположенный в электрическом транспортном средстве, таком как легковой автомобиль с электрическим приводом, для приведения упомянутого транспортного средства в движение путем соединения этого блока с переключающим элементом установки.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, множество упомянутых переключающих элементов преобразователя, например все переключающие элементы, снабжены упомянутыми соединительными средствами, и это означает, что тогда множество переключающих элементов можно использовать одновременно для оказания влияния на состояние зарядки, по меньшей мере, одной электрической батареи, соединенной с каждым таким переключающим элементом, таким образом, что, например, в случае зарядки блоков батарей электрических транспортных средств такие блоки некоторого количества электрических транспортных средств можно заряжать одновременно посредством этой электроустановки.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, преобразователь содержит средство, позволяющее шунтировать переключающий элемент в упомянутом последовательном соединении переключающих элементов, а упомянутая схема управления выполнена с возможностью управлять упомянутым шунтирующим средством для осуществления избирательного шунтирования переключающих элементов. Это означает, что количество уровней преобразователя можно изменять в зависимости от преобладающих потребностей для оказания влияния на состояние зарядки электрических батарей или передачи электрической энергии между стороной напряжения постоянного тока и стороной напряжения переменного тока преобразователя.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутая схема управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление упомянутыми полупроводниковыми устройствами переключающих элементов таким образом, что при зарядке, по меньшей мере, одной упомянутой электрической батареи, по меньшей мере, часть электрической энергии для этой зарядки подается в упомянутую батарею из упомянутой сети напряжения переменного тока. Можно легко спроектировать схему управления для осуществления такого управления потреблением электрической энергии из сети напряжения переменного тока для зарядки упомянутой электрической батареи.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутый узел напряжения постоянного тока содержит, по меньшей мере, один генератор электрической энергии, использующий возобновляемый источник энергии такой, как ветровая энергия или солнечная энергия, и соединенный с упомянутой стороной напряжения постоянного тока преобразователя. В этом случае можно также расположить одну или несколько ветросиловых турбин и/или панелей с солнечными элементами, а значит - и упомянутую, по меньшей мере, одну электрическую батарею - близко к преобразователям источника напряжения, и за счет этого снабдить станцию зарядки электрических транспортных средств локальными возобновляемыми источниками энергии. Также окажется возможным применение электрических батарей, соединенных с преобразователем источника напряжения, для аккумулирования некоторого избытка ветровой энергии, который может иногда образовываться. То же самое справедливо для панелей с солнечными элементами, которые таким образом - посредством накапливания энергии в упомянутых батареях, соединенных с переключающими элементами, - обеспечивают подвод энергии даже в ночное время.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, представляющим собой развитие последнего варианта осуществления, упомянутая схема управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление с целью подачи, по меньшей мере, части электрической энергии для зарядки, по меньшей мере, одной упомянутой электрической батареи с упомянутой стороны напряжения постоянного тока преобразователя.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутая схема управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление с целью подачи, по меньшей мере, части электрической энергии, поступающей в преобразователь из упомянутого, по меньшей мере, одного генератора на стороне напряжения постоянного тока преобразователя, в упомянутую сеть напряжения переменного тока. Таким образом, электрическую энергию, генерируемую на стороне напряжения постоянного тока, можно использовать для зарядки электрических батарей, соединенных с преобразователем, когда это требуется и когда образуется избыток электрической энергии, и тогда некоторую часть этой энергии можно подавать в сеть напряжения переменного тока. Для зарядки батарей можно также воспользоваться любого типа комбинацией электрической энергии с упомянутой стороны напряжения постоянного тока и от сети напряжения переменного тока.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутый преобразователь снабжен, по меньшей мере, одной упомянутой заряжаемой электрической батареей, соединенной, по меньшей мере, с одним упомянутым переключающим элементом, что позволяет схеме управления осуществлять упомянутое управление таким образом, что преобразователь функционирует как источник бесперебойного питания (UPS) для подачи электрической энергии на сторону напряжения постоянного тока или сторону напряжения переменного тока преобразователя при прерывании подачи электрической энергии на эту сторону преобразователя. Таким образом, электроустановку в соответствии с данным изобретением - благодаря возможности осуществления управления с оказанием влияния на состояние зарядки упомянутой электрической батареи - можно использовать для обеспечения функциональных возможностей источника бесперебойного питания.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутый узел на стороне напряжения постоянного тока состоит из произвольно подключенных конденсаторов, а упомянутая схема управления преобразователя выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление таким образом, что упомянутый преобразователь работает как статический регулируемый компенсатор (SVC). Соответственно, электроустановку в соответствии с данным изобретением, имеющую емкость для зарядки электрических батарей, можно применять еще и для компенсации реактивной мощности.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутый, по меньшей мере, один переключающий элемент преобразователя, снабженного, по меньшей мере, одной электрической батареей, соединенной параллельно с конденсатором этого элемента, выполнен с возможностью обеспечивать напряжение от 10 В до 10 кВ, в особенности - от 100 В - 1 кВ, на упомянутом, по меньшей мере, одном конденсаторе, а значит - и на параллельно ему соединенной упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батарее, когда последняя полностью заряжена. Как уже говорилось, упомянутая, по меньшей мере, одна электрическая батарея может представлять собой одиночную электрическую батарею или блок таких электрических батарей, взаимно соединенных параллельно и/или последовательно, и можно, например, упомянуть, что типичное суммарное напряжение на таком блоке электрических батарей в легковом автомобиле с электрическим приводом может составлять 500 В, и тогда зарядный ток может составлять, например, 40 A, что в таком случае означало бы расход мощности на подзарядку порядка 20 кВт.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутый преобразователь имеет три упомянутых плеча фаз, а упомянутая сеть напряжения переменного тока представляет собой трехфазную сеть напряжения переменного тока.

Данное изобретение также относится к станции для зарядки батарей, применяемых для приведения в движение электрических или гибридных транспортных средств, таких как автомобили, в соответствии с независимым пунктом прилагаемой формулы изобретения на эту станцию. Преимущественные признаки и преимущества такой станции в соответствии с данным изобретением и вариантов ее осуществления, охарактеризованные в зависимых пунктах формулы изобретения на станцию для зарядки батарей, недвусмысленно следуют из вышеизложенной информации об электроустановке в соответствии с данным изобретением.

Изобретение также относится к применению установки для передачи электрической энергии, причем эта установка имеет преобразователь источника напряжения, охарактеризованный выше, для зарядки электрических батарей, в особенности, электрических батарей, используемых для приведения в движение электрических или гибридных транспортных средств, таких как автомобили, так что упомянутое применение по вышеизложенным причинам является предпочтительным применением именно такой установки для передачи электроэнергии.

Дополнительные преимущества, а также преимущественные признаки изобретения станут очевидными из нижеследующего описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже, со ссылками на прилагаемые чертежи, будет приведено конкретное описание вариантов осуществления данного изобретения, приводимых в качестве примеров.

НА ЧЕРТЕЖАХ:

на Фиг. 1 представлен весьма упрощенный вид, показывающий общую конструкцию электроустановки в соответствии с данным изобретением;

на Фиг. 2 представлен упрощенный вид электроустановки в соответствии с данным изобретением;

на Фиг. 3 представлен вид, иллюстрирующий переключающий элемент установки в соответствии с данным изобретением;

на Фиг. 4 представлен вид, соответствующий Фиг. 3, с электрической батареей, подлежащей зарядке и соединенной с упомянутым переключающим элементом;

на Фиг. 5 представлен вид, соответствующий Фиг. 3, альтернативной конструкции переключающего элемента в электроустановке в соответствии с данным изобретением;

на Фиг. 6 представлен вид, соответствующий Фиг. 4, иллюстрирующий, как блок из электрических батарей можно соединить с переключающим элементом электроустановки; и

на Фиг. 7 представлен упрощенный вид, иллюстрирующий общую конструкцию станции для зарядки автомобилей с электрическим приводом в соответствии с данным изобретением.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Здесь поясняются варианты осуществления изобретения, описывающие электроустановку согласно изобретению, станцию для зарядки батарей, используемых для приведения в движение электрических или гибридных транспортных средств, а также применение установки для передачи электрической энергии для зарядки электрических батарей. Вместе с тем, изобретение может быть воплощено в других формах и его не следует считать ограничиваемым возможными вариантами осуществления, приводимыми здесь; эти варианты осуществления представлены скорее для того, чтобы сделать это описание тщательным и полным, а также способствующим безусловному доведению замысла этого изобретения до специалистов в данной области техники.

Общая конструкция электроустановки с емкостью для зарядки электрических батарей, например, для электрических транспортных средств, в особенности, для автомобилей с электрическим приводом, схематически изображена на Фиг. 1 и содержит преобразователь 1 источника напряжения, имеющий три плеча 2-4 фаз, соединенных с разноименными полюсами 5, 6 узла 7 напряжения постоянного тока преобразователя, который может иметь разные конструкции, например, состоять из произвольно подключенных конденсаторов, когда преобразователь используется как статический регулируемый компенсатор для компенсации реактивной мощности, или другую возможную конструкцию, такую как описываемая ниже со ссылками на Фиг. 2 и 7.

Каждое плечо фазы содержит последовательное соединение переключающих элементов 8, обозначенных квадратиками, количество которых в данном случае равно 10, и это последовательное соединение разделено на две равные части - верхнюю вентильную часть 9 и нижнюю вентильную часть 10, разделенные средней точкой 11-13, образующей фазовый выход, соединенный со стороной напряжения переменного тока преобразователя. Фазовые выходы 11-13, возможно через трансформатор, могут быть соединены с трехфазной сетью 14 напряжения переменного тока. На упомянутой стороне напряжения переменного тока также расположено фильтрующее оборудование для улучшения формы напряжения переменного тока на упомянутой стороне напряжения переменного тока.

Для управления переключающими элементами 8 предусмотрена схема 15 управления, посредством которой преобразователь может преобразовывать напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока и наоборот.

Преобразователь источника напряжения в этой электроустановке имеет переключающие элементы 8 того типа, которые имеют с одной стороны, по меньшей мере, два полупроводниковых блока 16, 17 (см. Фиг. 3), каждый из которых снабжен полупроводниковым устройством 18, 19 выключаемого типа и обратным диодом 20, 21, соединенным параллельно с этим устройством, а с другой стороны - по меньшей мере, один конденсатор 22 для накопления энергии, и на Фиг. 3 и 5 показаны два примера таких переключающих элементов. Выводы 23, 24 переключающего элемента выполнены с возможностью соединения с соседними переключающими элементами в последовательном соединении переключающих элементов, образующих плечо фазы. Полупроводниковые устройства 18, 19 в этом случае представляют собой биполярные транзисторы с изолированными затворами (IGBT), соединенные параллельно с диодом 20, 21. Хотя показано, что на один блок приходятся лишь одно полупроводниковое устройство и один диод, такие блоки могут содержать некоторое количество полупроводниковых устройств и диодов, соответственно, соединенных параллельно для совместного использования тока, текущего через блок. Один вывод 23 соединен со средней точкой между двумя полупроводниковыми блоками. Другой вывод 24 соединен с конденсатором 22 для накопления энергии, в варианте осуществления согласно Фиг.3 - с одной его стороной, а в варианте осуществления согласно Фиг. 5 - с другой его стороной. Подчеркнем, что каждое полупроводниковое устройство и каждый диод, показанные на Фиг. 3-6, могут быть представлены в количестве больше единицы и соединены последовательно, делая возможным манипулирование теми напряжениями, которыми следует манипулировать, и тогда полупроводниковыми устройствами, соединенными вследствие этого последовательно, можно управлять одновременно, чтобы они действовали как одно - единственное полупроводниковое устройство.

Переключающими элементами, показанными на Фиг. 3 и на Фиг. 5, можно управлять для получения одного из а) первого состояния переключения и b) второго состояния переключения, и при этом к выводам 23, 24 в случае состояния a) прикладывается напряжение, имеющееся на конденсаторе 22,а в случае состояния b) - нулевое напряжение. Для получения первого состояния показанное на Фиг. 3 полупроводниковое устройство 18 включают, а полупроводниковое устройство 19 - выключают, и в варианте осуществления, соответствующем Фиг. 5, полупроводниковое устройство 19 включают, а полупроводниковое устройство 18 выключают. Переключающие элементы переключают во второе состояние, изменяя состояние полупроводниковых устройств, так что в варианте осуществления, соответствующем Фиг. 3, полупроводниковое устройство 18 выключается, а полупроводниковое устройство 19 включается, и на Фиг. 5 полупроводниковое устройство 19 выключается, а полупроводниковое устройство 18 включается.

Таким образом, схема 15 выполнена с возможностью управлять полупроводниковыми устройствами переключающих элементов для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока и наоборот и управлять направлением потока электрической энергии через преобразователь, а также состоянием зарядки конденсаторов соответствующего переключающего элемента путем управления упомянутыми полупроводниковыми устройствами для переключения между двумя упомянутыми состояниями соответствующего переключающего элемента.

Электроустановка, описанная выше, уже известна. Вместе с тем, электроустановка в соответствии с данным изобретением дополнительно снабжена емкостью для зарядки электрических батарей, которая получена за счет обеспечения, по меньшей мере, одного из переключающих элементов, а в данном случае - всех, средством 25, выполненного с возможностью соединять, по меньшей мере, одну электрическую батарею 25 параллельно с упомянутым, по меньшей мере, одним конденсатором 22 переключающего элемента. Схема 15 управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление полупроводниковыми устройствами переключающих элементов, чтобы оказывать влияние на состояние зарядки упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи, соединенной с упомянутым, по меньшей мере, одним переключающим элементом, при этом «влияние на состояние зарядки» может выражаться в зарядке или разрядке электрической батареи, соединенной с упомянутым переключающим элементом.

На Фиг. 2 изображена электроустановка в соответствии с одним возможным вариантом осуществления данного изобретения, при этом показано лишь одно плечо фазы преобразователя, хотя эта электроустановка в типичном случае может иметь три плеча фаз для соединения с трехфазной сетью напряжения переменного тока. Показано, что узел 7 напряжения постоянного тока в данном случае содержит генераторы 27, 28 электрической энергии, использующие возобновляемый источник энергии в форме ветровой энергии или солнечной энергии, соответственно. В случае генерирования ветровой энергии генератор будет соединен со стороной 7 напряжения постоянного тока преобразователя посредством не показанного преобразователя переменного тока в постоянный, а для соединения панелей с солнечными элементами с упомянутой стороной напряжения постоянного тока преобразователя источника напряжения предпочтительно используется преобразователь постоянного тока в постоянный.

В установке, соответствующей Фиг. 2, схема 15 управления может осуществлять управление полупроводниковыми устройствами переключающих элементов 8 для передачи электрической энергии из возобновляемых источников 27, 28 энергии в сеть 14 напряжения переменного тока, из сети 14 напряжения переменного тока в электрические батареи 26, из возобновляемых источников 27, 28 энергии в электрические батареи 26, из электрических батарей 26 в сеть 14 напряжения переменного тока, или для осуществления смешанного варианта этих передач энергии.

Теперь, со ссылками на Фиг. 3-6, будет описано управление для зарядки электрической батареи. Лишь на Фиг. 5 показано, что установка содержит средство 29, выполненное с возможностью определять уровень напряжения упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи, подлежащей соединению параллельно с упомянутым конденсатором 22, и отправлять информацию об этом уровне в схему 15 управления. Такое средство 29 не показано на Фиг. 3, 4 и 6 для упрощения этих чертежей. Схема 15 управления выполнена с возможностью осуществлять управление полупроводниковыми устройствами переключающих элементов установки так, чтобы получить на упомянутом конденсаторе, по существу, такое же напряжение, как напряжение на упомянутой батарее. На Фиг. 5 показано, что для измерения напряжения на упомянутом конденсаторе и отправки информации о нем в схему 15 управления предусмотрено средство 30. Соединительное средство 25 содержит переключатель 31, выполненный с возможностью откладывать соединение электрической батареи параллельно с упомянутым конденсатором до тех пор, пока посредством схемы 15 управления на конденсаторе не будет получено напряжение такое же, как напряжение на батарее. Фиг. 4 показывает, как тогда соединяется батарея. Схема управления выполнена с возможностью заряжать электрическую батарею 26 после упомянутого соединения -путем осуществления управления переключающими элементами преобразователя источника напряжения таким образом, что напряжение на конденсаторе 22 постепенно увеличивается для достижения протекания зарядного тока в электрическую батарею, параллельно соединенную с конденсатором.

Помимо этого, для отсоединения упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи от упомянутого переключающего элемента схема 15 управления выполнена с возможностью осуществлять управление полупроводниковыми устройствами переключающих элементов преобразователя источника напряжения таким образом, что напряжение на упомянутом, по меньшей мере, одном конденсаторе оказывается, по существу, идентичным напряжению на упомянутой батарее, и ток зарядки не течет, и, когда это достигается, соединительное средство выполнено с возможностью отсоединять упомянутую, по меньшей мере, одну электрическую батарею от переключающего элемента. На Фиг. 6 показано, что блок 32 из множества электрических батарей, взаимно соединенных параллельно и последовательно, соединен параллельно с конденсатором 22 переключающего элемента для изменения состояния зарядки этих батарей с помощью соответствующего управления, осуществляемого посредством схемы управления.

Преобразователь источника напряжения содержит средство, позволяющее шунтировать переключающий элемент в последовательном соединении переключающих элементов, а схема 15 управления выполнена с возможностью управлять упомянутым шунтирующим средством для осуществления избирательного шунтирования переключающих элементов, и в варианте осуществления, показанном на Фиг. 3, это шунтирующее средство может быть легко образовано полупроводниковым устройством 19.

На Фиг. 7 схематически показана станция для зарядки батарей, используемых для приведения в движения электрических или гибридных транспортных средств, таких как автомобили, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Показано, как можно подключать к упомянутому переключающему элементу автомобили с электрическим приводом, каждый из которых имеет собственный блок из заряжаемых электрических батарей. Упомянутый блок может в типичном случае иметь приложенное к нему напряжение 500 В, а батареи в типичном случае могут проводить ток зарядки 40 A, так что установка - посредством упомянутого переключающего элемента 8 - тогда сможет подводить 20 кВт к упомянутому блоку легкового автомобиля 33, соединенному с ней. Показано, как можно локально расположить панели 28 с солнечными элементами на упомянутой станции и соединить их через преобразователь 34 постоянного тока в постоянный со стороной 7 напряжения постоянного тока преобразователя 1 источника напряжения для увеличения напряжения этого узла напряжения постоянного тока и, за счет этого, количества переключающих элементов 8, которые могут быть соединены последовательно, так что одновременно можно заряжать большое количество автомобилей. Вследствие этого, количество переключающих элементов, а значит и зарядных сторон на станции, может составлять порядка 100.

Изобретение, конечно же, ни в коей мере не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления, и многие возможности его модификаций в рамках объема притязаний изобретения, охарактеризованного прилагаемой формулой изобретения, будут ясны специалисту в данной области техники.

Не все переключающие элементы преобразователя источника напряжения электроустановки в соответствии с данным изобретением обязательно снабжены средством для соединения электрических батарей с такими элементами.

Конечно, можно также применять установку в соответствии с данным изобретением для осуществляемой в дневное время зарядки электрических батарей, соединяемых с переключающими элементами, электрической энергией, подводимой от панелей с солнечными элементами, и подачи энергии в ночное время в сеть 14 напряжения переменного тока посредством разрядки этих батарей.

Изобретение относится к зарядным устройствам батарей транспортных средств. Технический результат - повышение эффективности и эксплуатационной надежности. Предложенная электроустановка с емкостью для зарядки электрических батарей представляет собой установку для передачи электрической энергии, содержащую преобразователь источника напряжения, сеть напряжения переменного тока, соединенную со стороной напряжения переменного тока преобразователя, и узел напряжения постоянного тока, соединенный со стороной напряжения постоянного тока преобразователя. Преобразователь имеет последовательное соединение переключающих элементов, каждый из которых имеет, по меньшей мере, один конденсатор для накопления энергии. Электрические батареи могут быть соединены параллельно с упомянутым конденсатором, а на их состояние зарядки можно влиять посредством управления переключающими элементами преобразователя источника напряжения через схему управления. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электроустановка с емкостью для зарядки электрических батарей, например, для электротранспортных средств, в особенности, автомобилей с электрическим приводом, отличающаяся тем, что она представляет собой установку для передачи электрической энергии, содержащую преобразователь (1) источника напряжения, сеть (14) напряжения переменного тока, соединенную со стороной напряжения переменного тока преобразователя, и узел (7) напряжения постоянного тока, соединенный со стороной напряжения постоянного тока преобразователя, причем преобразователь источника напряжения имеет, по меньшей мере, одно плечо (2-4) фазы, соединенное с разноименными полюсами (5, 6) упомянутой стороны напряжения постоянного тока преобразователя и содержащее последовательное соединение переключающих элементов (8), причем каждый упомянутый переключающий элемент имеет с одной стороны, по меньшей мере, два полупроводниковых блока (16, 17), соединенных последовательно, каждый из которых имеет полупроводниковое устройство (18, 19) выключаемого типа и обратный диод (20, 21), соединенный параллельно с этим устройством, а с другой стороны - по меньшей мере, один конденсатор (22) для накопления энергии, а также два вывода (23, 24), соединяющие этот элемент с соседними элементами в упомянутом последовательном соединении переключающих элементов, причем средняя точка (11-13) упомянутого последовательного соединения переключающих элементов образует фазовый выход, соединенный с упомянутой стороной напряжения переменного тока преобразователя, при этом преобразователь содержит схему (15), выполненную с возможностью управлять упомянутыми полупроводниковыми устройствами каждого переключающего элемента таким образом, что каждый упомянутый переключающий элемент будет получать одно из двух состояний переключения, а именно, первое состояние переключения и второе состояние переключения, в которых напряжение на упомянутом, по меньшей мере, одном конденсаторе для накопления энергии и нулевое напряжение соответственно подаются на упомянутые два вывода (23, 24) переключающего элемента для получения определенного напряжения переменного тока на упомянутом фазовом выходе,
при этом, по меньшей мере, один из упомянутых переключающих элементов снабжен средством (25), выполненным с возможностью соединять, по меньшей мере, одну электрическую батарею (26) параллельно с упомянутым, по меньшей мере, одним конденсатором (22) этого элемента, и
упомянутая схема (15) управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление, чтобы оказывать влияние на состояние зарядки упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи, соединенной с упомянутым, по меньшей мере, одним переключающим элементом.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит средство (29), выполненное с возможностью определять уровень напряжения упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи (26), подлежащей соединению параллельно с упомянутым, по меньшей мере, одним конденсатором (22), и отправлять информацию об этом уровне в схему (15) управления; тем, что упомянутая схема управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление с получением на упомянутом конденсаторе, по существу, такого же напряжения, как напряжение на упомянутой батарее; и тем, что упомянутое соединительное средство (25) выполнено с возможностью откладывать соединение упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи параллельно с упомянутым конденсатором до тех пор, пока схема управления не получит на упомянутом конденсаторе, по существу, такое же напряжение, как напряжение на упомянутой батарее.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что упомянутая схема (15) управления выполнена с возможностью заряжать упомянутую, по меньшей мере, одну электрическую батарею (26) после упомянутого соединения упомянутой батареи параллельно с упомянутым, по меньшей мере, одним конденсатором (22) путем осуществления упомянутого управления таким образом, что напряжение на упомянутом конденсаторе постепенно увеличивается для получения протекания зарядного тока в упомянутую электрическую батарею, параллельно соединенную с конденсатором.

4. Установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что для отсоединения упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи (26) от упомянутого переключающего элемента упомянутая схема (15) управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление таким образом, что напряжение на упомянутом, по меньшей мере, одном конденсаторе (22) оказывается, по существу, идентичным напряжению на упомянутой батарее, и зарядный ток не течет, и, когда это достигнуто, соединительное средство выполнено с возможностью отсоединять упомянутую, по меньшей мере, одну электрическую батарею от переключающего элемента (8).

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое соединительное средство (25) выполнено с возможностью соединять блок (32) из множества электрических батарей, взаимно соединенных параллельно и/или последовательно, параллельно с упомянутым, по меньшей мере, одним конденсатором (22) упомянутого, по меньшей мере, одного переключающего элемента (8), а упомянутая схема (15) управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление, чтобы оказывать влияние на состояние зарядки упомянутого блока батарей, соединенного с упомянутым переключающим элементом.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что множество упомянутых переключающих элементов (8) преобразователя, например, все переключающие элементы, снабжены упомянутыми соединительными средствами.

7. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что преобразователь содержит средство, позволяющее шунтировать переключающий элемент (8) в упомянутом последовательном соединении переключающих элементов, и тем, что упомянутая схема (15) управления выполнена с возможностью управлять упомянутым шунтирующим средством для избирательного шунтирования переключающих элементов.

8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая схема (15) управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление упомянутыми полупроводниковыми устройствами переключающих элементов таким образом, что при зарядке, по меньшей мере, одной упомянутой электрической батареи (26), по меньшей мере, часть электрической энергии для этой зарядки подается в упомянутую батарею из упомянутой сети (14) напряжения переменного тока.

9. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый узел напряжения постоянного тока содержит, по меньшей мере, один генератор (27, 28) электрической энергии, использующий возобновляемый источник энергии, такой как ветровая энергия или солнечная энергия, и соединенный с упомянутой стороной (7) напряжения постоянного тока преобразователя.

10. Установка п.9, отличающаяся тем, что упомянутая схема (15) управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление для подачи, по меньшей мере, части электрической энергии для зарядки, по меньшей мере, одной упомянутой электрической батареи (26) с упомянутой стороны (7) напряжения постоянного тока преобразователя.

11. Установка п.9 или 10, отличающаяся тем, что упомянутая схема (15) управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление для подачи, по меньшей мере, части электрической энергии, поступающей в преобразователь из упомянутого, по меньшей мере, одного генератора (27, 28) на стороне напряжения постоянного тока преобразователя, в упомянутую сеть (14) напряжения переменного тока.

12. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый преобразователь (1) снабжен, по меньшей мере, одной упомянутой заряжаемой электрической батареей (26), соединенной, по меньшей мере, с одним упомянутым переключающим элементом (8), что позволяет схеме (15) управления осуществлять упомянутое управление таким образом, что преобразователь функционирует как источник бесперебойного питания (UPS) для подачи электрической энергии на сторону напряжения постоянного тока или сторону напряжения переменного тока преобразователя при прерывании подачи электрической энергии на эту сторону преобразователя.

13. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый узел на стороне напряжения постоянного тока состоит из произвольно подключенных конденсаторов, а упомянутая схема управления преобразователя выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление таким образом, что упомянутый преобразователь работает как статический регулируемый компенсатор (SVC).

14. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый по меньшей мере, один переключающий элемент (8) преобразователя, снабженный, по меньшей мере, одной электрической батареей (26), соединенной параллельно, по меньшей мере, с одним конденсатором (22) этого элемента, выполнен с возможностью обеспечивать напряжение от 10 В до 10 кВ, в особенности - от 100 В до 1 кВ, на упомянутом конденсаторе, а значит - и на параллельно с ним соединенной упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батарее, когда последняя полностью заряжена.

15. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый преобразователь имеет три упомянутых плеча (2-4) фаз, и тем, что упомянутая сеть (14) напряжения переменного тока представляет собой трехфазную сеть напряжения переменного тока.

16. Станция для зарядки батарей, используемых для приведения в движение электрических или гибридных транспортных средств, таких как автомобили, отличающаяся тем, что она содержит преобразователь (1) источника напряжения, имеющий, по меньшей мере, одно плечо (2-4) фазы, соединенное с разноименными полюсами стороны напряжения постоянного тока преобразователя и содержащее последовательное соединение переключающих элементов (8), причем каждый упомянутый переключающий элемент имеет с одной стороны, по меньшей мере, два полупроводниковых блока (16, 17), соединенных последовательно, каждый из которых имеет полупроводниковое устройство (18, 19) выключаемого типа и обратный диод (20, 21), соединенный параллельно с этим устройством, а с другой стороны - по меньшей мере, один конденсатор (22) для накопления энергии, а также два вывода (23, 24), соединяющие этот элемент с соседними элементами в упомянутом последовательном соединении переключающих элементов, причем средняя точка (11-13) упомянутого последовательного соединения переключающих элементов образует фазовый выход, соединенный с сетью напряжения переменного тока посредством стороны напряжения переменного тока преобразователя, при этом преобразователь содержит схему (15), выполненную с возможностью управлять упомянутыми полупроводниковыми устройствами каждого переключающего элемента таким образом, что каждый упомянутый переключающий элемент будет получать одно из двух состояний переключения, а именно, первое состояние переключения и второе состояние переключения, в которых напряжение на упомянутом, по меньшей мере, одном конденсаторе для накопления энергии и нулевое напряжение соответственно подаются на упомянутые два вывода (23, 24) переключающего элемента для получения определенного напряжения переменного тока на упомянутом фазовом выходе,
при этом, по меньшей мере, один из упомянутых переключающих элементов (8) снабжен средством (25), выполненным с возможностью соединять, по меньшей мере, одну электрическую батарею параллельно с упомянутым, по меньшей мере, одним конденсатором этого элемента, и
упомянутая схема (15) управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление, чтобы оказывать влияние на состояние зарядки упомянутой, по меньшей мере, одной электрической батареи (26), соединенной с упомянутым, по меньшей мере, одним переключающим элементом.

17. Станция для зарядки батарей по п.16, отличающаяся тем, что она либо содержит, по меньшей мере, один генератор (27, 28) электрической энергии, использующий возобновляемый источник энергии, такой как ветровая энергия или солнечная энергия, и соединенный с упомянутой стороной (7) напряжения постоянного тока преобразователя, либо имеет средство, выполненное с возможностью соединять, по меньшей мере, один такой генератор с упомянутой стороной напряжения постоянного тока; и тем, что упомянутая схема (15) управления выполнена с возможностью осуществлять упомянутое управление таким образом, что, по меньшей мере, часть электрической энергии для зарядки, по меньшей мере, одной электрической батареи (26) подается с упомянутой стороны напряжения постоянного тока преобразователя.

18. Станция для зарядки батарей по п.17, отличающаяся тем, что она содержит панели (28) с солнечными элементами и/или, по меньшей мере, одну ветросиловую турбину (27), соединенную с упомянутой стороной (7) напряжения постоянного тока преобразователя.

19. Применение установки для передачи электрической энергии по п.1 для зарядки электрических батарей, в особенности, электрических батарей, используемых для приведения в движение электрических или гибридных транспортных средств, таких как автомобили.