УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ И РАЗРЯДКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2017 года по МПК H02J7/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для зарядки и разрядки электрического устройства в транспортном средстве.

Уровень техники

Электроэнергию используют как средство, приводящее в действие гибридные и/или электрические транспортные средства. Для обеспечения мощности, достаточной для приведения в движение транспортного средства, может быть использована энергия высокого напряжения для приведения в движение одного или нескольких двигателей такого транспортного средства. Общеизвестно, что может возникнуть необходимость высвобождения энергии высокого напряжения, накапливающейся в конденсаторах различных типов, например когда транспортное средство останавливается или в других ситуациях. К традиционным способам разрядки относятся активная разрядка и пассивная разрядка, при которых происходит высвобождение накопленной энергии высокого напряжения. В процессе активной разрядки используют катушки мотора двигателя транспортного средства для высвобождения энергии. В процессе пассивной разрядки для высвобождения энергии используют резистор (например, «выводной резистор»).

Для снижения потерь энергии во время работы транспортного средства предпочтительно выбирать резистор с большим сопротивлением. Однако для быстрого высвобождения энергии при пассивной разрядке может быть предпочтительным выбор резистора с малым сопротивлением. Выбор резистора с малым сопротивлением для обеспечения быстрой разрядки может негативно повлиять на экономию топлива в транспортном средстве.

Раскрытие изобретения

В одном варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрено устройство для зарядки и разрядки электрического устройства в транспортном средстве. Устройство содержит переключатель, первый и второй источники питания, первый и второй контакторы. Первый источник питания выполнен с возможностью подачи низкого напряжения. Переключатель выполнен с возможностью активации/деактивации первого источника питания. Второй источник питания выполнен с возможностью подачи высокого напряжения для зарядки электрического устройства. Первый контактор функционально соединен с первым источником питания и со вторым источником питания, первый контактор выполнен с возможностью активации подачи высокого напряжения вторым источником питания для зарядки электрического устройства в ответ на активацию переключателем первого источника питания. Второй контактор функционально соединен с первым источником питания и со вторым источником питания, второй контактор переходит в разомкнутое состояние в ответ на активацию переключателем первого источника питания.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения представлено устройство, содержащее первый контактор, второй контактор, контроллер и конденсатор. На первый контактор подают низкое напряжение от первого источника питания и высокое напряжение от второго источника питания. На второй контактор подают низкое напряжение и высокое напряжение. Контроллер активирует/деактивирует передачу низкого напряжения. На конденсатор подают высокое напряжение для накопления энергии в ответ на активацию контроллером передачи низкого напряжения.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения приведен способ зарядки электрического устройства в транспортном средстве. Способ предполагает наличие первого и второго контакторов и включает в себя направление на первый контактор управляющего сигнала замыкания, а на второй контактор управляющего сигнала размыкания в ответ на низкое напряжение. Способ дополнительно включает в себя зарядку электрического устройства энергией высокого напряжения в ответ на управляющую команду замыкания для первого контактора и управляющую команду размыкания для второго контактора.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления настоящего изобретения подробно описаны в прилагаемой формуле изобретения. Однако другие отличительные черты различных вариантов осуществления изобретения, не отклоняющиеся от сущности настоящего изобретения, будут более очевидны и понятны благодаря последующему детальному описанию, представленному в совокупности с прилагаемыми чертежами, на которых:

на Фиг.1 показано устройство в рабочем режиме;

на Фиг.2 показано устройство в режиме разрядки; и

на Фиг.3 показано устройство в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

В данном описании подробно раскрыты варианты воплощения настоящего изобретения; однако следует понимать, что раскрываемые варианты являются только примерами изобретения, которое может быть воплощено в различных и альтернативных формах. Фигуры не обязательно представлены в масштабе, некоторые элементы могут быть увеличены или уменьшены, чтобы показать детали конкретных компонентов. Таким образом, конкретные элементы конструкции и функциональные детали, раскрываемые в данном описании, должны рассматриваться не как ограничивающие, а как репрезентативная основа для формулы изобретения и/или как репрезентативная основа для объяснения специалистам в данной области техники различных способов осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.1 показано устройство 10 в рабочем режиме. Устройство 10 может быть установлено в гибридном или электрическом транспортном средстве. Известно, что различные варианты осуществления описанного в настоящем документе устройства и/или способа могут быть использованы применительно к любому типу транспортного средства, в котором происходит осуществление разрядки различных электрических компонентов в любой из систем транспортного средства. Устройство 10 содержит источник 12 питания высокого напряжения, контактор 14, разрядную цепь 16, зарядный элемент 18, реверсивный инвертор/выпрямитель 20 (далее - «реверсивная цепь» 20) и двигатель 22. Как правило, источник 12 питания может содержать любое количество аккумуляторных батарей или элементов аккумуляторной батареи и выполнен с возможностью генерирования энергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Когда контактор 14 находится в замкнутом положении, может быть осуществлена передача энергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC) между источником 12 питания и двигателем 22 через реверсивную цепь 20. Реверсивная цепь 20 инвертирует энергию постоянного тока высокого напряжения (HVDC) в энергию переменного тока (АС) для передачи на катушки 24а - 24n ("24") двигателя 22. Реверсивная цепь 20 содержит совокупность переключателей 26а - 26n (каждый переключатель может представлять собой биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), полевой транзистор (FET) или другое подходящее электрическое устройство, которое может осуществлять инверсию энергии постоянного тока в энергию переменного тока). Двигатель 22 представляет собой двигатель переменного тока, который может быть выполнен с возможностью выработки дополнительной мощности для транспортного средства в дополнение к мощности двигателя внутреннего сгорания (не показан на чертеже) или с возможностью выработки электроэнергии в генераторном режиме. Устройство 10 также дает возможность направить поток энергии от двигателя 22 обратно на источник 12 питания для зарядки источника 12 питания.

Зарядная цепь 18 может быть выполнена в виде конденсатора. Конденсатор 18 выполнен с возможностью накапливания энергии высокого напряжения между источником 12 питания и двигателем 22. Разрядная цепь 16 содержит переключатель 30 и разрядный резистор 32. Рабочий режим, как правило, определен как режим, в котором двигатель 22 получает энергию переменного тока от реверсивной цепи 20, или режим, в котором источник 12 питания получает энергию от двигателя 22. В рабочем режиме транспортное средство находится в состоянии, в котором оно на ходу (двигается) или его двигатель запущен. Если возникает необходимость передать энергию на двигатель 22, то контроллер (не показан) направляет управляющий сигнал на контактор 14 для его замыкания и на переключатель 30 для его размыкания, в результате чего поток энергии поступает на двигатель 22. Известно, что переключатель 30 может представлять собой транзистор, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), полевой МОП-транзистор (MOSFET) или другое подходящее устройство, выполненное с возможностью размыкания/замыкания для передачи через него энергии при необходимости. В рабочем режиме переключатель 30 остается в разомкнутом положении для предотвращения потери энергии на резисторе 32. В рабочем режиме конденсатор 18 накапливает, по меньшей мере, частично энергию высокого напряжения, сгенерированную источником 12 питания. Конденсатор 18 подает переходный ток на реверсивную цепь 20 для уменьшения скачков напряжения на шине высокого напряжения и для стабилизации напряжения на шине высокого напряжения. Когда необходимо передать энергию от двигателя 22 обратно на источник 12 питания, контроллер посылает управляющий сигнал на контактор 14 для его замыкания и посылает управляющий сигнал на переключатель 30 для его размыкания.

На Фиг.2 устройство 10 в режиме разрядки. Как правило, режим разрядки определен как режим, в котором отсутствует передача энергии на двигатель 22 или от него (то есть двигатель транспортного средства выключен). В режиме разрядки контроллер посылает управляющий сигнал на контактор 14 для его размыкания для предотвращения подачи энергии высокого напряжения на двигатель 22 или от него. Кроме того, контроллер посылает управляющий сигнал на переключатель 30 для его замыкания, и происходит высвобождение накопленной на конденсаторе 18 энергии через резистор 32. В режиме разрядки предпочтительно высвобождение энергии, накопленной на конденсаторе 18 и на катушках 24а - 24n двигателя для обеспечения безопасности технического специалиста, обслуживающего транспортное средство. Сопротивление резистора 32 может быть малым, в этом случае энергия конденсатора 18 может быть высвобождена быстро. Размещение разрядной цепи 16 относительно положения контактора 14 позволяет установить малую величину сопротивления на резисторе 32. Благодаря соответственному размещению разрядной цепи 16 и малой величине сопротивления резистора 32 потеря мощности в устройстве 10 может быть сведена к минимуму, когда устройство 10 находится в рабочем режиме.

На Фиг.3 показано устройство 50 в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Устройство 50 содержит источник 52 питания, контактор 54, цепь 56 низкого напряжения, разрядную цепь 58, конденсатор 60, реверсивный инвертор/выпрямитель 62 (далее - «реверсивная цепь» 62), двигатель 64 и контроллер 65. Аналогично описанному выше устройству 10, которое показано на Фиг.1, как правило, источник 52 питания содержит любое количество аккумуляторных батарей или элементов аккумуляторной батареи и выполнен с возможностью передачи электрической энергии на двигатель 64 или накопления энергии, генерируемой двигателем 64. Реверсивная цепь 62 содержит совокупность переключателей 68а - 68n ("68") (таких как, в частности, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы (FET)). Совокупность переключателей 68 способствует инвертированию энергии постоянного тока (DC) в энергию переменного тока (АС) для передачи на двигатель 64. Совокупность переключателей 68 дополнительно способствует преобразованию энергии переменного тока (АС) в энергию постоянного тока (DC) для ее накопления в источнике 52 питания.

Конденсатор 60 накапливает энергию высокого напряжения между источником 52 питания и двигателем 64. Разрядная цепь 58 содержит контактор 70 и резистор 72. Каждый из контакторов 54 и 70 может быть выполнен в виде механического реле. Контактор 54 содержит катушку 74 и переключатель 76, которые образуют реле. Контактор 54 может быть выполнен в форме реле с нормально разомкнутыми контактами. Реле с нормально разомкнутыми контактами, как правило, означает, что переключатель 76 разомкнут, когда на катушку 74 не подается питание. Контактор 70 содержит катушку 78 и переключатель 80, которые образуют реле. Контактор 70 может быть выполнен в форме реле с нормально замкнутыми контактами. Реле с нормально замкнутыми контактами, как правило, означает, что переключатель 80 замкнут, когда на катушку 78 не подается питание. Катушки 74, 78 расположены в цепи 56 низкого напряжения. Цепь 56 низкого напряжения дополнительно содержит источник 82 питания, переключатель 84, диод 86 и зенеровский диод 88.

Транспортное средство, как правило, выполнено с возможностью работать на двух уровнях напряжения: на уровне высокого напряжения (то есть приблизительно 150 В или выше) и на уровне низкого напряжения (то есть приблизительно 12 В или выше). Источник 52 питания высокого напряжения, конденсатор 60, реверсивная цепь 62, двигатель 64, переключатель 76 контактора 54, переключатель 80 контактора 70 и резистор 72, как правило, выполнены с возможностью работы в области уровней высокого напряжения. Источник 52 питания может генерировать напряжение 150 В или выше. Как правило, когда контроллер 65 направляет управляющий сигнал на переключатель 84 для замыкания, контактор 54 также переходит в замкнутое положение, а контактор 70 переходит в разомкнутое положение. В ответ на это реверсивная цепь 62 инвертирует энергию высокого напряжения (HV) в энергию переменного тока (АС) для приведения в движение двигателя 64 или преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока высокого напряжения (HVDC).

Источник 82 питания, переключатель 84, катушка 74 контактора 54, катушка 78 контактора 70, диод 86 и зенеровский диод 88, как правило, выполнены с возможностью работы в области уровней низкого напряжения. Энергия низкого напряжения, генерируемая источником 82 питания, может генерировать напряжение приблизительно 12 В. Благодаря энергии от источника 82 питания, как правило, активируют такие функции, как, в частности, обогревание/охлаждение, развлекательные функции, работа замков, освещение (внешнее/внутреннее).

Когда транспортное средство находится в рабочем режиме, контроллер 65 направляет управляющий сигнал на переключатель 84 для его замыкания, таким образом способствуя передаче энергии низкого напряжения на катушку 74 и катушку 78. Катушка 74 генерирует электромагнитное поле в ответ на энергию низкого напряжения, благодаря которому происходит замыкание переключателя 76 контактора 54. Аналогично катушка 78 генерирует электромагнитное поле в ответ на энергию низкого напряжения, благодаря которому происходит размыкание переключателя 80 контактора 70 (то есть контактор 70 находится в состоянии нормального размыкания и переходит в замкнутое состояние при воздействии на него электромагнитного поля). Это условие позволяет энергии высокого напряжения проходить через реверсивную цепь 62. В свою очередь, реверсивная цепь 62 инвертирует энергию постоянного тока (DC) в энергию переменного тока (АС) для передачи на двигатель 64 или преобразует энергию переменного тока (АС), поступающую от двигателя 64 к источнику 52 питания.

Путем выполнения контактора 54 и контактора 70 в форме механических реле возможна физическая изоляция этих устройств, а также минимизация или предотвращение возникновения тока утечки, который может повлиять на возможность достижения конденсатором 60 состояния полной зарядки.

Например, если контактор 70 разомкнут (то есть переключатель 80 разомкнут), возможно предотвращение прохождения тока утечки, сгенерированного в результате замыкания контактора 54, через резистор 72, тем самым происходит увеличение количества электроэнергии, которая может быть передана на конденсатор 60.

В случае выполнения контактора 54 и контактора 70 в форме твердотельных переключателей такие устройства могут допустить неприемлемый уровень тока утечки, проходящего через них, даже в том случае, если контактор 54 или контактор 70 будет разомкнут. В частности, в случае выполнения контактора 70 в форме твердотельного переключателя контактор 70 может способствовать нежелательному уровню тока утечки, протекающего через него, даже в разомкнутом состоянии. Такой ток утечки может увеличить потерю энергии и неблагоприятно повлиять на экономию топлива.

В режиме разрядки (то есть двигатель транспортного средства выключен) контроллер 65 может направить управляющий сигнал на переключатель 84 для его размыкания, таким образом, препятствуя передаче энергии низкого напряжения на катушки 74 и 78. В ответ на это переключатель 76 размыкается, и это препятствует подаче энергии на двигатель 64 (или препятствует подаче энергии с двигателя 64 на источник 52 питания). Кроме того, на катушку 78 не подается питание, в результате чего переключатель 80 замыкается. В результате этого энергия, накопленная конденсатором 60, высвобождается через переключатель 80 разрядной цепи 58. Для быстрого высвобождения энергии из конденсатора 60 может быть предусмотрен резистор 72 с малым сопротивлением. Кроме того, известно, что зенеровский диод 88 может способствовать рассеиванию всей энергии с катушек 74 и 78. Например, зенеровский диод 88 может вызывать больший спад напряжения (вместе с диодом 86), в результате чего энергия будет рассеиваться быстрее (то есть Р=V*I, где V - общий спад напряжения на диоде 86 и зенеровском диоде 88). В случае если зенеровский диод 88 не будет использован, диод 86 может обеспечить спад напряжения приблизительно на 0,7 В после размыкания переключателя 84. Потребление энергии одним диодом 86 будет небольшим в этом случае. Это может создать условие, при котором необходимо большее время для потребления всей энергии катушек 74 и 78 и которое вызывает задержку в переключении контакторов 54 и 70 при разомкнутом переключателе 84.

Известно, что контактор 54, при его выполнении в виде механического реле, может не допускать возникновения тока утечки (или может существенно уменьшить напряжение тока утечки) на конденсаторе 60. Это условие может также обеспечить быстрое высвобождение энергии, накопленной на конденсаторе 60, из устройства 50.

Несмотря на то что были проиллюстрированы и описаны варианты воплощения изобретения, это не означает, что эти варианты иллюстрируют или описывают все возможные формы изобретения. Наоборот, термины, использованные в настоящем описании, имеют скорее описательный, а не ограничивающий характер, и необходимо понимать, что возможны различные изменения, которые могут быть осуществлены без отступления от сущности и объема изобретения.

Использование – в области электротехники, транспорта. Технический результат – снижение потерь мощности при работе гибридного и/или электрического транспортного средства. Представлено устройство для зарядки и разрядки электрического устройства в транспортном средстве, содержащее переключатель, первый и второй источники питания, первый и второй контакторы. Первый источник питания выполнен с возможностью подачи низкого напряжения. Переключатель выполнен с возможностью активации/деактивации первого источника питания. Второй источник питания выполнен с возможностью подачи высокого напряжения для зарядки электрического устройства. Первый контактор функционально соединен с первым источником питания и со вторым источником питания, первый контактор выполнен с возможностью активации подачи высокого напряжения вторым источником питания для зарядки электрического устройства в ответ на активацию переключателем первого источника питания. Второй контактор функционально соединен с первым источником питания и со вторым источником питания, второй контактор переходит в разомкнутое состояние в ответ на активацию переключателем первого источника питания. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для зарядки и разрядки электрического устройства в транспортном средстве, содержащее:

первый источник питания, выполненный с возможностью подачи энергии низкого напряжения;

переключатель для активации и деактивации первого источника питания;

второй источник питания, выполненный с возможностью подачи энергии высокого напряжения для зарядки электрического устройства;

первый контактор, содержащий первую катушку и первый переключатель, причем первая катушка соединена с первым источником питания для приема энергии низкого напряжения и первый переключатель соединен со вторым источником питания для приема энергии высокого напряжения, при этом первый контактор выполнен с возможностью активации второго источника питания для подачи энергии высокого напряжения на электрическое устройство для зарядки его в ответ на активацию упомянутым переключателем первого источника питания; и

второй контактор, содержащий вторую катушку и второй переключатель, причем вторая катушка соединена с первой катушкой и с первым источником питания для приема энергии низкого напряжения и второй переключатель соединен со вторым источником питания для приема энергии высокого напряжения,

при этом упомянутый переключатель подключен между первым источником питания и по меньшей мере одной из первой катушки и второй катушки так, что второй контактор переходит в разомкнутое состояние в ответ на активацию переключателем первого источника питания.

2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее контроллер, выполненный с возможностью управления упомянутым переключателем для активации и деактивации первого источника питания.

3. Устройство по п. 1, в котором первый контактор дополнительно выполнен с возможностью деактивации подачи энергии высокого напряжения вторым источником питания в ответ на деактивацию переключателем первого источника питания.

4. Устройство по п. 1, в котором электрическое устройство включает в себя конденсатор, при этом конденсатор выполнен с возможностью накапливать энергию в ответ на активацию переключателем второго источника питания для подачи энергии высокого напряжения.

5. Устройство по п. 1, в котором конденсатор дополнительно выполнен с возможностью разрядки энергии из него в ответ на деактивацию переключателем второго источника питания.

6. Устройство по п. 5, дополнительно содержащее резистор, размещенный со вторым контактором, чтобы позволить энергии проходить через него в ответ на разрядку энергии конденсатора.

7. Устройство по п. 1, в котором первый источник питания, переключатель, первая катушка и вторая катушка соединены для образования цепи низкого напряжения.

8. Устройство по п. 1, в котором первый контактор и второй контактор синхронизированы с переключателем так, что первый переключатель первого контактора замыкается и второй переключатель второго контактора размыкается в ответ на замыкание упомянутого переключателя и активацию первого источника питания.

9. Устройство для зарядки и разрядки электрического устройства, содержащее:

цепь низкого напряжения, включающую в себя: первый источник питания для подачи низкого напряжения, первую катушку, соединенную с первым источником питания, вторую катушку, соединенную с первой катушкой, и переключатель, подключенный между первым источником питания и по меньшей мере одной из первой катушки и второй катушки для активации/деактивации первого источника питания;

цепь высокого напряжения, включающую в себя второй источник питания для подачи энергии высокого напряжения, конденсатор, соединенный со вторым источником питания, первый переключатель, подключенный между вторым источником питания и конденсатором и связанный с первой катушкой так, что первый переключатель замыкается, чтобы подать высокое напряжение на конденсатор в ответ на активацию переключателем первого источника питания; и

разрядную цепь, включающую в себя второй переключатель, соединенный с резистором, причем разрядная цепь соединена со вторым источником питания и с конденсатором, второй переключатель связан со второй катушкой так, что второй переключатель размыкается для деактивации разрядной цепи в ответ на активацию переключателем первого источника питания.

10. Устройство по п. 9, дополнительно содержащее первый контактор, включающий в себя первую катушку и первый переключатель, и второй контактор, включающий в себя вторую катушку и второй переключатель, причем каждый из первого контактора и второго контактора выполнен в форме механического реле.

11. Устройство по п. 10, в котором первый контактор представляет собой реле с нормально замкнутыми контактами, а второй контактор представляет собой реле с нормально разомкнутыми контактами.

12. Устройство по п. 9, в котором низкое напряжение составляет приблизительно 12 В и высокое напряжение составляет приблизительно 150 В или выше.

13. Устройство по п. 9, дополнительно содержащее контроллер, функционально соединенный с переключателем для управления переключателем, чтобы активировать и деактивировать первый источник питания.

14. Устройство по п. 9, в котором первый переключатель размыкается, чтобы деактивировать второй источник питания в ответ на деактивацию переключателем первого источника питания.

15. Устройство по п. 9, в котором второй переключатель замыкается, чтобы активировать разрядную цепь в ответ на деактивацию переключателем первого источника питания.