БЛОК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ Российский патент 2015 года по МПК H02M7/483 B60L11/12 

Область техники

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электромеханической трансмиссии гибридного транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, высоковольтными электрическими машинами и низковольтной аккумуляторной батареей, используемой для запуска двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

Известно устройство, описанное в заявке на изобретение US 20120140526 (SYNCHRONOUS RECTIFIER BIDIRECTIONAL CONVERTER. Robert Matthew Martinelli, 2012). Данное устройство приводится для пояснения термина «двунаправленный неизолированный преобразователь постоянного напряжения». Его характерными особенностями являются двунаправленное преобразование напряжения, гальваническая связь цепей, между которыми осуществляется преобразование.

Известен ряд топологий импульсных преобразователей напряжения, классифицируемых как «преобразователи постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом», например:

- мостовой преобразователь (Design of a Bidirectional On-board Battery Charger in Hybrid Electric Vehicle Applications. Mehdi Javdani Erfani, Division of Electric Power Engineering Department of Energy and Environment Chalmers University of Technology Goteborg, Sweden, 2011. Fig.3.2);

- мостовой преобразователь с фазовым управлением (Транзисторная преобразовательная техника. В. Мелешин, Техносфера, Москва, 2005, стр.339);

- мостовой преобразователь с дросселем на входе (Design of а Bidirectional On-board Battery Charger in Hybrid Electric Vehicle Applications. Mehdi Javdani Erfani, Division of Electric Power Engineering Department of Energy and Environment Chalmers University of Technology Goteborg, Sweden, 2011. Fig.3.5);

- двунаправленный мостовой преобразователь (Design of a Bidirectional On-board Battery Charger in Hybrid Electric Vehicle Applications. Mehdi Javdani Erfani, Division of Electric Power Engineering Department of Energy and Environment Chalmers University of Technology Goteborg, Sweden, 2011. Fig.3.6);

- преобразователь с двойным мостом и фазовым управлением (Dual Active Bridge Converters In Solid State Transformers. Hengsi Qin, A Dissertation Presented To The Faculty Of The Graduate School Of The Missouri University Of Science And Technology, 2012. Fig.2.1);

- преобразователи постоянного напряжения с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру (Транзисторная преобразовательная техника. В. Мелешин, Техносфера, Москва, 2005, стр.295, рис.13.7а, в, д).

Преобразователи постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом характеризуются возможностью реализовать высокий коэффициент трансформации напряжения, гальванической изоляцией между входом и выходом, низкой удельной мощностью.

Известна система электроснабжения автомобиля с гибридной силовой установкой параллельного типа, описанная в заявке на изобретение US 20050061561 (STABILIZED ELECTRIC DISTRIBUTION SYSTEM FOR USE WITH A VEHICLE HAVING ELECTRIC ASSIST. Franco Leonardi и др., 2005), характеризующаяся наличием двигателя внутреннего сгорания, одного или более электромотора с инвертором и суперконденсатора в первой электрической цепи, низковольтной батареи во второй электрической цепи и двунаправленного преобразователя постоянного напряжения, включенного между первой и второй электрическими цепями.

Известна также гибридная автомобильная силовая установка на основе многопоточной электромеханической трансмиссии, описанная в патенте US 8423217 (HYBRID VEHICLE, Yasushi Kojima и др., 2013), характеризующаяся наличием двигателя внутреннего сгорания, двух электрических машин с инверторами, объединенными по звену постоянного тока, батареей для запасания энергии генератора и снабжения энергией электромотора, а также двунаправленного преобразователя постоянного напряжения, включенного между батареей и звеном постоянного тока.

Известен также гибридный силовой агрегат, описанный в патенте РФ №2483940 (ГИБРИДНЫЙ СИЛОВОЙ АГРЕГАТ (ВАРИАНТЫ), Давыдов В.В., 2011), включающий как минимум один автономный источник механической энергии вращения, многодиапазонную многопоточную бесступенчатую трансмиссию от упомянутого автономного источника механической энергии вращения до потребителя механической энергии, а также маховичный накопитель с передачей от вала маховика к входному валу упомянутой трансмиссии, характеризующийся наличием трех обратимых электрических машин с инверторами, объединенными по звену постоянного тока.

Известен также двухкаскадный импульсный источник питания, описанный в патенте US 20110025289 (TWO-STAGE SWITCHING POWER SUPPLY. Cheng-Ping Wang и др., 2011, дата приоритета Jul. 31, 2009), характеризующийся наличием двух каскадов преобразования постоянного напряжения, причем первый каскад выполнен на основе двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного напряжения, а второй каскад выполнен на основе преобразователя постоянного напряжения с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру. Это устройство принято за аналог.

Известен также двухкаскадный преобразователь постоянного напряжения, описанный в заявке на изобретение US 20050024028 (DC-DC CONVERTER CIRCUITS AND METHOD FOR REDUCING DC BUS CAPACITOR CURRENT. Jianping Ying и др., 2005, дата приоритета 30.07.2003), характеризующийся наличием одного или нескольких соединенных параллельно повышающих преобразователей постоянного напряжения (Транзисторная преобразовательная техника. В. Мелешин, Техносфера, Москва, 2005, стр.235, рис.11.10) в первом каскаде и преобразователя постоянного напряжения на основе полного моста с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру во втором каскаде. Это устройство также принято за аналог.

Недостатком двух вышеперечисленных устройств является то, что они предназначены для однонаправленного преобразования напряжения. Указанный недостаток не позволит использовать данные устройства в выбранной области применения, где требуется двунаправленное преобразование.

Известен двухкаскадный двунаправленный преобразователь постоянного напряжения (Design and Control of a Bi-directional Resonant DC-DC Converter for Automotive Engine/Battery Hybrid Power Generators. Junsung Park, Minho Kwon and Sewan Choi, IEEE Senior Member Department of Electrical and Information Engineering Seoul National University of Science and Technology, 2013), характеризующийся наличием двунаправленного нерегулируемого преобразователя постоянного напряжения с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру в одном из каскадов и двунаправленного регулируемого неизолированного преобразователя постоянного напряжения в другом каскаде. Это устройство также принято за аналог.

Недостатком данного аналога является то, что в нем преобразователь постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом задействован в обоих направлениях преобразования. Указанный недостаток не позволяет получить высокие массогабаритные показатели преобразователя в выбранной области применения предлагаемого изобретения, поскольку в режиме запуска двигателя посредством высоковольтных электрических машин от низковольтной аккумуляторной батареи требуется преобразование значительной мощности, а преобразователи постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом имеют низкую удельную мощность.

Известен двухкаскадный двунаправленный преобразователь постоянного напряжения, описанный в патенте US 8467199 (TWO-STAGE INSULATED BIDIRECTIONAL DC/DC POWER CONVERTER USING A CONSTANT DUTY RATIO LLC RESONANT CONVERTER, Jun-Young Lee и др., 2013, дата приоритета 21.10.2009), характеризующийся наличием двунаправленного нерегулируемого преобразователя постоянного напряжения с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру в одном из каскадов и двунаправленного регулируемого неизолированного преобразователя постоянного напряжения в другом каскаде. Приведенное устройство по совокупности признаков обладает наибольшим сходством с предлагаемым изобретением и принято за прототип.

Недостатком прототипа, также как и последнего перечисленного аналога, является то, что его система управления выполнена таким образом, что она задействует преобразователь постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом в обоих направлениях преобразования. Указанный недостаток не позволяет получить высокие массогабаритные показатели преобразователя в выбранной области применения предлагаемого изобретения, поскольку в режиме запуска двигателя посредством высоковольтных электрических машин от низковольтной аккумуляторной батареи требуется преобразование значительной мощности, а преобразователи постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом имеют низкую удельную мощность.

Задачи изобретения

Задачей изобретения является создание блока преобразователей для силовой установки с двигателем внутреннего сгорания, низковольтной аккумуляторной батареей и трансмиссией, в состав которой входят электрические машины большой мощности, способные осуществлять пуск двигателя. Блок преобразователей должен обеспечивать эффективное двунаправленное преобразование постоянного напряжения с различной мощностью - большей мощностью в режиме передачи энергии по направлению от аккумуляторной батареи к звену постоянного тока и меньшей мощностью в режиме передачи энергии в обратном направлении. Блок преобразователей должен также обеспечивать гальваническую изоляцию цепей, связанных с аккумуляторной батареей, от звена постоянного тока в режиме передачи энергии по направлению от звена постоянного тока к аккумуляторной батарее.

Сущность изобретения

Задача изобретения решается тем, что предложен блок преобразователей, включающий двунаправленный неизолированный преобразователь постоянного напряжения, подключенный к его выходу своим выходом преобразователь постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом и систему управления, характеризующийся тем, что вход двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного напряжения связан с низковольтной аккумуляторной батареей, вход преобразователя постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом связан с общим высоковольтным звеном постоянного тока, к которому подключен, по меньшей мере, один преобразователь, связанный с электрической машиной переменного тока, а между входом и выходом преобразователя постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом подключены, по меньшей мере, два управляемых переключателя, причем система управления выполнена таким образом, что упомянутые управляемые переключатели замкнуты при передаче энергии двунаправленным неизолированным преобразователем постоянного напряжения по направлению от его входа к его выходу и разомкнуты при передаче энергии в обратном направлении.

Другим отличием предложенного изобретения является то, что блок преобразователей выполнен с одним преобразователем и одной электрической машиной переменного тока, входящей в состав гибридной силовой установки параллельного типа с накопителем электрической энергии.

В другом варианте предложенного изобретения особенностью является то, что блок преобразователей выполнен с двумя преобразователями и двумя электрическими машинами переменного тока, входящими в состав гибридной силовой установки последовательного типа с накопителем электрической энергии.

В другом варианте предложенного изобретения особенностью является то, что блок преобразователей выполнен с двумя преобразователями и двумя электрическими машинами переменного тока, входящими в состав последовательной электрической трансмиссии.

В другом варианте предложенного изобретения особенностью является то, что блок преобразователей выполнен с двумя преобразователями и двумя электрическими машинами переменного тока, входящими в состав гибридной силовой установки с накопителем электрической энергии и многопоточной электромеханической трансмиссией.

В другом варианте предложенного изобретения особенностью является то, что блок преобразователей выполнен с двумя преобразователями и двумя электрическими машинами переменного тока, входящими в состав многопоточной электромеханической трансмиссии.

В другом варианте предложенного изобретения особенностью является то, что блок преобразователей выполнен с тремя преобразователями и тремя электрическими машинами переменного тока, входящими в состав гибридной силовой установки с накопителем механической энергии на основе маховика и многопоточной электромеханической трансмиссией.

Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что электрические машины выполнены синхронными или асинхронными, а преобразователи электрических машин выполнены в виде многофазных мостовых инверторов напряжения.

В другом варианте предложенного изобретения особенностью является то, что электрические машины выполнены вентильно-индукторными, а преобразователи электрических машин выполнены в виде многофазных полупроводниковых коммутаторов на основе косого моста.

Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что к общему высоковольтному звену постоянного тока подключен накопитель электрической энергии гибридной силовой установки на основе химических аккумуляторов.

В другом варианте предложенного изобретения особенностью является то, что к общему высоковольтному звену постоянного тока подключен накопитель электрической энергии гибридной силовой установки на основе суперконденсаторов.

Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что управляемые переключатели выполнены в виде электромагнитных контакторов.

Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что управляемые переключатели выполнены в виде твердотельных реле.

Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что двунаправленный неизолированный преобразователь постоянного напряжения выполнен многоканальным.

Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что номинальное напряжение низковольтной аккумуляторной батареи не превышает величины стабилизируемого напряжения на выходе двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного напряжения.

Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что управляемые электромагнитные контакторы содержат блок-контакты.

Краткое описание чертежей

Устройство представлено на 8 фигурах.

На фиг.1 изображена электрическая схема предлагаемого изобретения.

На фиг.2 изображена упрощенная структурная схема блока преобразователей (а), а также упрощенные структурные схемы в режиме передачи энергии по направлению от аккумуляторной батареи к звену постоянного тока (б) и в режиме передачи энергии по направлению от звена постоянного тока к аккумуляторной батарее (в).

На фиг.3 изображены возможные схемы подключения преобразователей для питания электрических машин к звену постоянного тока. Схема (а) применима в гибридной автомобильной силовой установке параллельного типа. Схема (б) применима в гибридной автомобильной силовой установке на основе многопоточной электромеханической трансмиссии или последовательной электрической трансмиссии. Схема (в) применима в гибридной автомобильной силовой установке на основе многопоточной электромеханической трансмиссии с маховичным накопителем энергии.

На фиг.4 изображены схемы подключения к звену постоянного тока накопителей энергии гибридной силовой установки на основе химических аккумуляторов (а) или суперконденсаторов (б).

На фиг.5 изображены схемы двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного напряжения с одним каналом (а), двумя каналами (б) и четырьмя каналами (в) преобразования.

На фиг.6 изображена схема косого моста.

На фиг.7 изображены различные реализации преобразователей постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом. В том числе мостовой преобразователь (а), мостовой преобразователь с фазовым управлением (б), мостовой преобразователь с дросселем на входе (в), двунаправленный мостовой преобразователь (г), преобразователь с двойным мостом и фазовым управлением (д), преобразователи постоянного напряжения с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру (е, ж).

На фиг.8 изображены различные реализации управляемых переключателей: электромагнитный контактор (а), твердотельное реле (б), электромагнитный контактор с двумя силовыми контактами или электромагнитный контактор с одним силовым контактом и одним сигнальным блок-контактом (в), электромагнитный контактор с двумя силовыми контактами и двумя сигнальными блок-контактами (г).

Описание устройства

Блок преобразователей 1 (фиг.1) состоит из двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного напряжения 2, подключенного к его выходу своим выходом преобразователя постоянного напряжения 3 с гальванической изоляцией между входом и выходом и управляемых переключателей 4, включенных в положительной и отрицательной шинах между входом и выходом преобразователя постоянного напряжения 3 с гальванической изоляцией между входом и выходом. Вход двунаправленного преобразователя постоянного напряжения 2 подключен к низковольтной бортовой сети питания автомобиля и к стартерной аккумуляторной батарее 5. Вход преобразователя постоянного напряжения 3 с гальванической изоляцией между входом и выходом соединен с общим высоковольтным звеном постоянного тока 6 для статических преобразователей 7 электрических машин 8 переменного тока. Управляемые переключатели 4 могут замыкаться, соединяя, таким образом, вход и выход преобразователя постоянного напряжения 3 с гальванической изоляцией между входом и выходом и подключая выход двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного напряжения 2 непосредственно к общему звену постоянного тока 6.

Входом двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного напряжения 2 будем считать низковольтную сторону, а выходом - высоковольтную сторону.

Двунаправленный неизолированный преобразователь постоянного напряжения 2 может иметь один или несколько каналов преобразования (фиг.5а, б, в). Увеличение числа каналов преобразования уменьшает пульсации тока, тем самым снижая нагрузку на выходной конденсатор двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного напряжения 2 и уровень генерируемых электромагнитных помех.

Преобразователь постоянного напряжения 3 может быть выполнен по одной из следующих топологий:

- мостовой преобразователь (фиг.7а);

- мостовой преобразователь с фазовым управлением (фиг.7б);

- мостовой преобразователь с дросселем на входе (фиг.7в);

- двунаправленный мостовой преобразователь (фиг.7г);

- преобразователь с двойным мостом и фазовым управлением (фиг.7д);

- один из вариантов преобразователя постоянного напряжения с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру (фиг.7 (ж, е)).

В случае если преобразователь постоянного напряжения 3 выполнен по схеме с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру, управление им может быть выполнено по методу, описанному в статье Design and Control of a Bi-directional Resonant DC-DC Converter for Automotive Engine/Battery Hybrid Power Generators (Junsung Park, Minho Kwon and Sewan Choi, IEEE Senior Member Department of Electrical and Information Engineering Seoul National University of Science and Technology, 2013). Согласно указанному методу частота коммутации фиксирована и равна частоте резонанса резонансного контура. Таким образом, коэффициент преобразования напряжения преобразователя постоянного напряжения 3 фиксирован и не зависит от нагрузки и входного напряжения, а силовые элементы преобразователя легко поддаются оптимизации.

К звену постоянного тока 6 могут быть подключены один или несколько статических преобразователей 7 для питания электрических машин 8 (синхронных, асинхронных или вентильно-индукторных) (фиг.3). Так, на фиг.3а изображен вариант подключения одного преобразователя 7 для построения гибридной силовой установки параллельного типа. На фиг.3б изображен вариант подключения двух преобразователей 7 с электрическими машинами 8 для построения силовой установки с последовательной электрической трансмиссией или многопоточной электромеханической трансмиссией. Схема по фиг.3в соответствует варианту подключения трех статических преобразователей 7 для построения гибридной силовой установки с многопоточной электромеханической трансмиссией и маховичным накопителем энергии. Указанные преобразователи могут быть выполнены многофазными мостовыми (для электрических машин асинхронного или синхронного типа) либо многофазными на основе косого моста по фиг.6 (для электрических машин вентильно-индукторного типа).

К звену постоянного тока 6 также может быть подключен накопитель электрической энергии на основе химических аккумуляторов (фиг.4а) или суперконденсаторов (фиг.4б).

Управляемые переключатели 4 могут быть выполнены в виде электромагнитных контакторов (фиг.8а), в том числе с двумя силовыми контактами и оснащенных сигнальными блок-контактами (фиг.8 (в, г)), или в виде твердотельных реле (фиг.8б).

Описание работы

Блок преобразователей 1 может работать в двух основных режимах.

В режиме передачи энергии по направлению от аккумуляторной батареи 5 к звену постоянного тока 6 (фиг.2б) напряжение аккумуляторной батареи 5 повышается двунаправленным неизолированным преобразователем постоянного тока 2 и через замкнутые управляемые переключатели 4 передается в звено постоянного тока 6. В этом режиме напряжение звена постоянного тока 6 стабилизируется посредством двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного тока 2. Преобразователь постоянного напряжения 3 с гальванической изоляцией между входом и выходом на этом режиме зашунтирован переключателями 4 и не участвует в преобразовании электрической энергии.

В режиме передачи энергии по направлению от звена постоянного тока 6 к аккумуляторной батарее 5 (фиг.2в) управляемые переключатели 4 разомкнуты и напряжение звена постоянного тока 6 сначала понижается преобразователем постоянного напряжения 3 с гальванической изоляцией между входом и выходом, а затем преобразуется двунаправленным неизолированным преобразователем постоянного напряжения 2. Преобразователь постоянного напряжения 3 служит для понижения напряжения высоковольтного звена постоянного тока 6 до рабочего напряжения двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного тока 2, а также для гальванической изоляции высоковольтного звена постоянного тока 6 от цепей, гальванически связанных с низковольтной бортовой сетью и аккумуляторной батареей 5.

Предлагаемое изобретение может применяться в различных типах силовых установок автомобилей.

Пример 1. Использование блока преобразователей 1 в автомобиле с электромеханической трансмиссией без накопителя энергии в звене постоянного тока 6.

Пуск двигателя внутреннего сгорания осуществляется с помощью одной или нескольких электрических машин 8, преобразователи 7 которых подключены к звену постоянного тока 6. При пуске двигателя для питания электрических машин 8 требуются большая мощность и сравнительно низкое напряжение в звене постоянного тока 6. При пуске двигателя блок преобразователей 1 работает в режиме передачи энергии по направлению от аккумуляторной батареи 5 к звену постоянного тока 6. Звено постоянного тока 6 гальванически связано с аккумуляторной батареей 5.

При запущенном двигателе внутреннего сгорания блок преобразователей 1 находится в режиме передачи энергии по направлению от звена постоянного тока 6 к аккумуляторной батарее 5. В звене постоянного тока 6 присутствует напряжение, достаточное для работы электрических машин 8 с относительно высокими частотами вращения, а значит, напряжение повышенное и требует гальванической изоляции аккумулятора 5, что обеспечивается разомкнутыми управляемыми переключателями 4.

Пример 2. Использование блока преобразователей 1 в автомобиле с гибридной электромеханической трансмиссией с накопителем энергии в высоковольтном звене постоянного тока 6, каким может быть накопитель энергии на основе химических аккумуляторов 9 или на основе суперконденсаторов 10.

Данный пример отличается от предыдущего тем, что в случае достаточной энергии заряда накопителя энергии в звене постоянного тока 6 двигатель внутреннего сгорания автомобиля может быть запущен с использованием этой энергии. В случае же если по каким-то причинам накопитель энергии в звене постоянного тока 6 разряжен и пуск двигателя внутреннего сгорания от него невозможен, блок преобразователей 1 может быть использован аналогично примеру 1.

Пример 3. Использование блока преобразователей 1 в автомобиле с гибридной электромеханической трансмиссией с накопителем энергии на основе маховичного накопителя. Маховичный накопитель управляется посредством обратимой электрической машины 8, которая управляется преобразователем 7, подключенным к общему звену постоянного тока 6.

Данный пример отличается от примера 1 тем, что двигатель внутреннего сгорания может быть запущен с использованием энергии маховичного накопителя. В случае если маховичный накопитель остановлен, двигатель внутреннего сгорания может быть запущен с помощью энергии, полученной из аккумуляторной батареи 5 через предлагаемый блок преобразователей 1 аналогично примеру 1.

Современные стандарты автомобильной электробезопасности требуют изоляции цепей с опасным напряжением. Например, стандарт ISO 6469-3:2011 (Транспорт дорожный электрический. Требования безопасности. Часть 3. Защита людей от поражения электротоком) устанавливает в качестве безопасного постоянное напряжение ниже 60 B (класс А). Автомобильная стартерная аккумуляторная батарея 5 и подключенная к ней бортовая сеть питания гальванически связаны с корпусом автомобиля, а для работы тяговых электродвигателей 8 электрических и гибридных автомобилей в звене постоянного тока 6 требуемое напряжение обычно находится в пределах 60-1500 B (класс Б по ISO 6469-3:2011) и считается опасным. Для питания бортовой сети и заряда низковольтной стартерной аккумуляторной батареи 5 от высоковольтного звена постоянного тока 6 требуется преобразователь с гальванической изоляцией, обеспечивающий выполнение указанных стандартов безопасности. При этом преобразователь может быть относительно маломощным.

Чтобы запустить двигатель внутреннего сгорания гибридного автомобиля от стартерной аккумуляторной батареи 5, требуются большая мощность и сравнительно низкое напряжение, поскольку напряжение питания приблизительно пропорционально частоте вращения электрических машин, а пусковая частота двигателя внутреннего сгорания в 10-50 раз меньше его номинальной частоты вращения. Тем не менее, наиболее распространенного в автомобильной техники напряжения бортовой сети 12 или 24 B может оказаться недостаточно для стартерного пуска двигателя посредством высоковольтных электрических машин, и для его повышения в выбранной области применения предлагаемого изобретения требуется преобразователь постоянного тока. Оптимальным при пуске двигателя напряжением в высоковольтном звене постоянного тока 6 можно считать 60 B, поскольку оно не превышает безопасного порога.

В режиме передачи энергии по направлению от аккумуляторной батареи 5 к звену постоянного тока 6 (фиг.2б) через блок преобразователей 1 (фиг.1) передается большая мощность по сравнению с режимом передачи энергии в обратном направлении (фиг.2а). Для автомобилей соотношение мощностей стартера и генератора обычно составляет 2-7 в зависимости от полной массы и назначения автомобиля, а также типа и мощности двигателя. Предлагаемое изобретение позволяет использовать сравнительно маломощный преобразователь постоянного напряжения 3 с гальванической изоляцией между входом и выходом, что снижает массу и размеры блока преобразователей 1. Ограничение напряжения в высоковольтном звене постоянного тока на уровне безопасного в режиме передачи энергии по направлению от аккумуляторной батареи 5 к звену постоянного тока 6 позволяет применять двунаправленный неизолированный преобразователь постоянного тока 2, который имеет высокую удельную мощность, что также способствует уменьшению массы и размеров блока преобразователей 1. В режиме передачи энергии по направлению от аккумуляторной батареи 5 к высоковольтному звену постоянного тока 6 (фиг.2б) напряжение на выходе двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного тока 2 и в гальванически подключенном к нему посредством замкнутых управляемых переключателей 4 звене постоянного тока 6 не превышает безопасного уровня.

Таким образом, предложенное устройство отличается малыми размерами и массой, высоким КПД и соответствует требованиям электробезопасности, что в полной мере решает задачу изобретения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электромеханической трансмиссии гибридного транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, высоковольтными электрическими машинами и низковольтной аккумуляторной батареей, используемой для запуска двигателя внутреннего сгорания. Технический результат - обеспечение эффективного двунаправленного преобразования энергии и изоляции цепей, связанных с аккумуляторной батареей от звена постоянного тока в режиме передачи энергии от звена постоянного тока в аккумуляторную батарею. Блок преобразователей включает двунаправленный неизолированный преобразователь постоянного напряжения (2), преобразователь постоянного напряжения (3) с гальванической изоляцией между входом и выходом и систему управления, низковольтную аккумуляторную батарею (5), общее высоковольтное звено постоянного тока (6), по меньшей мере один преобразователь, связанный с электрической машиной переменного тока, по меньшей мере два управляемых переключателя (4) и систему управления. Система управления выполнена таким образом, что управляемые переключатели (4) замкнуты при передаче энергии двунаправленным неизолированным преобразователем постоянного напряжения (2) по направлению от его входа к его выходу и разомкнуты при передаче энергии в обратном направлении. 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Блок преобразователей, включающий двунаправленный неизолированный преобразователь постоянного напряжения, подключенный к его выходу своим выходом преобразователь постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом и систему управления, отличающийся тем, что вход двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного напряжения связан с низковольтной аккумуляторной батареей, вход преобразователя постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом связан с общим высоковольтным звеном постоянного тока, к которому подключен, по меньшей мере, один преобразователь, связанный с электрической машиной переменного тока, а между входом и выходом преобразователя постоянного напряжения с гальванической изоляцией между входом и выходом подключены, по меньшей мере, два управляемых переключателя, причем система управления выполнена таким образом, что упомянутые управляемые переключатели замкнуты при передаче энергии двунаправленным неизолированным преобразователем постоянного напряжения по направлению от его входа к его выходу и разомкнуты при передаче энергии в обратном направлении.

2. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с одним преобразователем и одной электрической машиной переменного тока, входящей в состав гибридной силовой установки параллельного типа с накопителем электрической энергии.

3. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с двумя преобразователями и двумя электрическими машинами переменного тока, входящими в состав гибридной силовой установки последовательного типа с накопителем электрической энергии.

4. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с двумя преобразователями и двумя электрическими машинами переменного тока, входящими в состав последовательной электрической трансмиссии.

5. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с двумя преобразователями и двумя электрическими машинами переменного тока, входящими в состав гибридной силовой установки с накопителем электрической энергии и многопоточной электромеханической трансмиссией.

6. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с двумя преобразователями и двумя электрическими машинами переменного тока, входящими в состав многопоточной электромеханической трансмиссии.

7. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с тремя преобразователями и тремя электрическими машинами переменного тока, входящими в состав гибридной силовой установки с накопителем механической энергии на основе маховика и многопоточной электромеханической трансмиссией.

8. Блок преобразователей по любому из пп.2, 3, 4, 5, 6 или 7, отличающийся тем, что электрические машины выполнены синхронными или асинхронными, а преобразователи электрических машин выполнены в виде многофазных мостовых инверторов напряжения.

9. Блок преобразователей по любому из пп.2, 3, 4, 5, 6 или 7, отличающийся тем, что электрические машины выполнены вентильно-индукторными, а преобразователи электрических машин выполнены в виде многофазных полупроводниковых коммутаторов на основе косого моста.

10. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что к общему высоковольтному звену постоянного тока подключен накопитель электрической энергии гибридной силовой установки на основе химических аккумуляторов.

11. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что к общему высоковольтному звену постоянного тока подключен накопитель электрической энергии гибридной силовой установки на основе суперконденсаторов.

12. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что управляемые переключатели выполнены в виде электромагнитных контакторов.

13. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что управляемые переключатели выполнены в виде твердотельных реле.

14. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что двунаправленный неизолированный преобразователь постоянного напряжения выполнен многоканальным.

15. Блок преобразователей по п.1, отличающийся тем, что номинальное напряжение низковольтной аккумуляторной батареи не превышает величины стабилизируемого напряжения на выходе двунаправленного неизолированного преобразователя постоянного напряжения.

16. Блок преобразователей по п.11, отличающийся тем, что управляемые электромагнитные контакторы содержат блок-контакты.