СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2015 года по МПК H02P1/00 H02M7/00 H02M3/155 B60L11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к силовым преобразователям для транспортных средств.

Уровень техники

Преобразователи постоянного тока (DC-DC преобразователи) могут преобразовывать напряжение источника постоянного тока с одного уровня на другой.

Некоторые преобразователи постоянного тока преобразовывают один уровень постоянного напряжения в другой, временно накапливая подаваемую энергию и затем направляя ее на выход с другим уровнем напряжения. Энергия может аккумулироваться либо в магнитных накопителях (индукторах, трансформаторах), либо в электрических накопителях (конденсаторах). Количество передаваемой мощности можно контролировать, регулируя продолжительность подачи зарядного напряжения (скважность). Такое преобразование может быть более энергоэффективным (часто от 75% до 98%), чем линейное регулирование напряжения, которое рассеивает лишнюю мощность в виде тепла. Данный уровень энергоэффективности может увеличить время работы устройств, питающихся от аккумулятора.

Эффективность некоторых преобразователей постоянного тока в последние десятилетия увеличилась, благодаря применению мощных полевых транзисторов, которые способны переключаться при высоких частотах и являются более эффективными по сравнению с мощными биполярными транзисторами, приводящими к большим потерям при переключении и требующими использования сложных задающих схем.

Транспортные средства, питающиеся от аккумулятора (или другого источника), могут содержать преобразователь, приспособленный для того, чтобы повышать выходное напряжение аккумулятора и/или понижать напряжение, подаваемое на аккумулятор.

Раскрытие изобретения

Представлена система электропривода транспортного средства, которая может содержать источник электропитания, электрический генератор и силовой преобразователь постоянного тока. Силовой преобразователь постоянного тока может быть электрически подключен между источником электропитания и электрическим генератором и содержать индуктор и первый переключатель, каждый из которых расположен на различных линиях тока, соединяющих источник электропитания и электрогенератор, причем эти линии тока являются параллельными.

Индуктор и первый переключатель могут быть включены в цепь параллельно.

Силовой преобразователь постоянного тока может дополнительно содержать второй и третий переключатели и может повышать или понижать входное напряжение при выборочном замыкании и размыкании второго и третьего переключателей.

Первый переключатель может иметь вывод, электрически соединенный с индуктором и вторым переключателем.

Данная система может дополнительно содержать инвертер, электрически подключенный между силовым преобразователем постоянного тока и электрогенератором.

Первый переключатель может представлять собой биполярный транзистор с изолированным затвором, металлоксидный полупроводник или реле.

Силовой преобразователь постоянного тока может быть двунаправленным силовым преобразователем постоянного тока.

Автомобильная система питания может содержать силовой преобразователь постоянного тока, который имеет первую и вторую параллельные линии тока, первый переключатель, расположенный на первой линии тока, и индуктор, расположенный на второй линии тока. Автомобильная система питания может дополнительно содержать контроллер, который выполнен с возможностью замыкания первого переключателя, когда входное и выходное напряжения силового преобразователя постоянного тока сделаны приблизительно равными.

Контроллер может быть также выполнен с возможностью размыкания первого переключателя, когда входное и выходное напряжения силового преобразователя постоянного тока сделаны не равными.

Первый переключатель и индуктор могут быть включены в цепь параллельно.

Силовой преобразователь постоянного тока может дополнительно содержать второй и третий переключатели. Контроллер может быть дополнительно выполнен с возможностью осуществления выборочного замыкания и размыкания второго и третьего переключателей, чтобы силовой преобразователь постоянного тока повысил или понизил входное напряжение силового преобразователя.

Первый переключатель может содержать вывод, электрически подключенный между индуктором и вторым переключателем.

Данная система может дополнительно содержать инвертер, электрически соединенный с силовым преобразователем постоянного тока.

Автомобильная система питания может содержать силовой преобразователь постоянного тока. Силовой преобразователь постоянного тока может иметь первую и вторую параллельные линии тока, первый переключатель, расположенный на первой линии тока, индуктор, расположенный на второй линии тока, второй и третий переключатели, которые при выборочном замыкании и размыкании побуждают силовой преобразователь постоянного тока увеличивать или уменьшать входное напряжение силового преобразователя постоянного тока.

Первый переключатель и индуктор могут быть соединены параллельно.

Первый переключатель может иметь вывод, электрически подключенный между индуктором и вторым переключателем.

Первый переключатель может представлять собой биполярный транзистор с изолированным затвором, металлоксидный полупроводник или реле.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схему автомобильной системы электропривода.

Фиг.2 представляет собой схему силового преобразователя постоянного тока.

Осуществление изобретения

Далее подробно раскрываются способы реализации настоящего изобретения, однако следует понимать, что представленные варианты выполнения изобретения являются лишь примерами, которые могут быть реализованы в различных альтернативных вариантах. На чертежах не всегда соблюдаются реальные размеры, некоторые элементы могут быть увеличены или уменьшены с целью демонстрации деталей определенных составных частей. Таким образом, специфические структурные и функциональные детали, раскрытые в настоящем изобретении, не следует рассматривать как ограничивающие, а только как иллюстративную основу для изучения специалистами в данной области техники с целью различного применения настоящего изобретения.

На Фиг.1 представлена система 10 электропривода для транспортного средства 12 (например, электромобиля, гибридного электромобиля и т.д.), которая может содержать источник 14 электропитания (например, тяговый аккумулятор, топливная батарея и т.д.), электрогенератор 16 (который может применяться для выработки двигательной энергии автомобиля 12), силовой преобразователь 18 и один или более контроллер 19. Силовой преобразователь 18 в настоящем варианте выполнен с возможностью преобразования мощности постоянного тока на выходе тягового аккумулятора 14 в мощность переменного тока на входе электрогенератора 16, и наоборот. Силовой преобразователь 18 также выполнен с возможностью повышения входного напряжения тягового аккумулятора 14 для выхода к электрогенератору 16 и понижения входного напряжения электрогенератора 16 для выхода к тяговому аккумулятору 14.

Силовой преобразователь 18 может содержать инвертер 20 и двунаправленный промежуточный вольтодобавочный преобразователь постоянного тока 22. Также возможны другие конфигурации силового преобразователя. Например, в некоторых вариантах изобретения в силовых преобразователях могут отсутствовать инвертеры; преобразователи постоянного тока могут быть однонаправленными и т.д. Инвертер 20 содержит конденсатор 24 и совокупность переключателей 26, что характерно для известных устройств. Таким образом, мощность постоянного тока, получаемая от преобразователя постоянного тока 22, может быть преобразована в мощность переменного тока и подана на электрогенератор 16, и наоборот. Преобразователь постоянного тока 22 включает в себя конденсатор 28, индуктор 30 и переключатели 32, 34, 36 (например, биполярные транзисторы с изолированным затвором, металлоксидные полупроводники, реле и т.д.). При условии, что переключатель 36 разомкнут, переключатели 32, 34 могут быть выборочно замкнуты и разомкнуты, как известно из уровня техники (по команде от контроллеров 19), с целью повышения входного напряжения тягового аккумулятора 14 для выхода к инвертеру 20 или для понижения входного напряжения инвертера 20 для выхода к тяговому аккумулятору 14.

Индуктор 30 склонен сопротивляться колебаниям тока (поскольку он является устройством накопления энергии). В заряженном состоянии индуктор 30 действует как нагрузка и поглощает энергию (аналогично резистору). В разряженном состоянии индуктор 30 действует как источник энергии (аналогично аккумулятору). (Добавочное напряжение контролируется с помощью изменения скорости зарядки и разрядки индуктора 30. Напряжение, вырабатываемое им во время разрядки, зависит от скорости изменения тока, а не от первоначального зарядного напряжения и, таким образом, оно допускает разные входные и выходные напряжения). Следовательно, при прохождении тока через индуктор 30 могут происходить значительные потери на проводимость (это влияет на эффективность системы электропривода), что оказывает влияние на диапазон передач и/или расход топлива автомобиля 12. Значительные потери на проводимость невозможно предотвратить в случае, когда преобразовать постоянного тока 22 работает на повышение или понижение входного напряжения, которое сохраняется только в течение определенного срока во время большинства ездовых циклов. Часто преобразователь постоянного тока 22 действует в качестве линии тока между тяговым аккумулятором 14 и инвертером 20 (т.е. входное и выходное напряжения преобразователя постоянного тока 22 приблизительно равны). Выборочное замыкание переключателя 36 во время таких периодов может сократить потери на проводимость при прохождении через преобразователь постоянного тока 22 и, таким образом, увеличить диапазон передач и/или сократить потребление топлива автомобилем 12, как описано ниже.

Для уменьшения протекания тока через индуктор 30 в течение периодов, когда преобразователь постоянного тока 22 действует в качестве линии тока между тяговым аккумулятором 14 и инвертером 20, контроллеры 19 замыкают переключатели 34, 36 и размыкают переключатель 32. Таким образом, ток может протекать по параллельным линиям (по линии с индуктором 30 и переключателем 34 и по линии с переключателем 36) между тяговым аккумулятором 14 и инвертером 20 (и электрогенератором 16). В других вариантах контроллеры 19 могут замыкать переключатель 36 и размыкать переключатели 32, 34. Таким образом, ток может полностью обойти индуктор 30 при протекании от инвертера 20 к тяговому аккумулятору 14. (Переключатель 34 в варианте, представленном на Фиг.1, имеет диод, который выполнен с возможностью при разомкнутом переключателе 34 блокирования токового потока от инвертера 20 к тяговому аккумулятору 14 и пропускания тока от тягового аккумулятора 14 к инвертеру 20).

Вариант, когда ток полностью обходит индуктор 30, как описано выше, не снижает потери на проводимость, связанные с преобразователем постоянного тока 22. Потери на проводимость могут быть также связаны, например, с работой одного из переключателей 32, 34, 36 (несмотря на то, что такие потери будут значительно меньше по сравнению с потерями от индуктора 30 для тока, обычно идущего в обход преобразователя постоянного тока 22). Более того, эквивалентное параллельное сопротивление индуктора 30 и переключателей 34, 36 меньше, чем сопротивление самого переключателя 36:

l/(l/R₃₆+1/(R₃₀+R₃₄))<R₃₆,

где R₃₀ - сопротивление, связанное с индуктором 30, R₃₄ - эквивалентное сопротивление, связанное с переключателем 34, a R₃₆ - эквивалентное сопротивление, связанное с переключателем 36. Следовательно, сумма потерь на проводимость, связанных с индуктором 30 и переключателями 34, 36, если через каждый из них протекает ток, может быть меньше, чем потери на проводимость, связанные с переключателем 36 при протекании всего тока через него. Иначе говоря, наличие параллельных линий тока между тяговым аккумулятором 14 и инвертером 20 может свести к минимуму потери на проводимость через преобразователь постоянного тока 22, по сравнению с вариантом, когда ток протекает по единственной линии между тяговым аккумулятором 14 и инвертером 20.

Инвертер 20 и переключатели 34, 36 имеют общий вывод 38. Таким образом, ток, который проходит через переключатель 36, не протекает через переключатель 34. На Фиг.2, где элементы с одинаковыми ссылочными позициями имеют одинаковые описания, индуктор 130 и переключатель 136 имеют общий вывод 140. (Индуктор 130 и переключатель 136 соединены параллельно). Ток, протекающий через переключатель 136, также протекает через переключатель 134. Таким образом, потери на проводимость, связанные с преобразователем постоянного тока 122, могут быть больше, чем потери на проводимость, связанные с преобразователем постоянного тока 22, показанным на Фиг.1. Также возможны другие варианты реализации схемы.

Было проведено компьютерное моделирование гибридного электромобиля, работающего с силовым преобразователем постоянного тока, аналогичным преобразователю постоянного тока, описанному со ссылкой на Фиг.1. Наблюдалось повышение потребления энергии приблизительно с 0,2% до 1% относительно компьютерного моделирования гибридного электромобиля, работающего с силовым преобразователем постоянного тока без переключателя 36 (что характерно для известных устройств).

Описанные выше примеры реализации не имеют целью охватить все возможные способы реализации изобретения. Данное описание имеет скорее описательный, чем ограничивающий характер. При этом без отступления от существа и объема изобретения могут быть произведены различные его модификации. Кроме того, признаки различных вариантов изобретения могут быть объединены в новые варианты изобретения.

Изобретение относится к силовым преобразователям для транспортных средств. Преобразователь питания в системе электропривода транспортного средства содержит источник электропитания, электрогенератор и силовой преобразователь постоянного тока, электрически соединенный с источником электропитания и электрогенератором. Индуктор и первый переключатель расположены на различных параллельных линиях тока, соединяющих источник электропитания и электрогенератор. Преобразователь питания также содержит второй и третий переключатели, причем первый переключатель подключен между индуктором и вторым переключателем, а силовой преобразователь постоянного тока повышает или понижает входное напряжение при выборочном замыкании или размыкании второго и третьего переключателей. Достигается упрощение конструкции преобразователя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь питания в системе электропривода транспортного средства, содержащий:
источник электропитания;
электрогенератор и
силовой преобразователь постоянного тока (i), электрически соединенный с источником электропитания и электрогенератором (ii) и содержащий индуктор и первый переключатель, которые расположены на различных параллельных линиях тока, соединяющих источник электропитания и электрогенератор, и второй и третий переключатели, причем первый переключатель имеет вывод, электрически подключенный между индуктором и вторым переключателем, а силовой преобразователь постоянного тока выполнен с возможностью повышения или понижения входного напряжения при выборочном замыкании или размыкании второго и третьего переключателей.

2. Преобразователь по п.1, в котором индуктор и первый переключатель подключены параллельно.

3. Преобразователь по п.1, дополнительно содержащий инвертер, электрически подключенный между силовым преобразователем постоянного тока и электрогенератором.

4. Преобразователь по п.1, в котором первый переключатель является биполярным транзистором с изолированным затвором, металлоксидным полупроводником или реле.

5. Преобразователь по п.1, в котором силовой преобразователь постоянного тока является двунаправленным силовым преобразователем постоянного тока.