Система управления устройством охлаждения силового электропривода энергетической установки Российский патент 2020 года по МПК F01P3/20 F01P7/04 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности теплотехники и электротехники силового электропривода энергетических установок. Предпочтительно может быть использовано для управления жидкостным устройством охлаждения силового и тягового силового электропривода, включающего инвертор и электрическую машину, в частности транспортных энергоустановок, как электромобилей, так и наиболее распространенных гибридных автомобилей с комбинированными энергоустановками (КЭУ).

Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является упрощение схемного решения, используемого для реализации системы управления, повышение быстродействия системы управления устройством охлаждения и понижение текущих энергозатрат управления путем обеспечения режима работы вентилятора и насоса в соответствии с уровнем тепловой энергии, близким к выделяемой при работе и идущей на нагрев инвертора и силового двигателя.

Данный результат достигается тем, что система управления устройством охлаждения силового электропривода энергетической установки, которая включает установленный в жидкостной устройстве охлаждения 1 насос 2 с механическим приводом, обеспечивающим циркуляцию охлаждающей жидкости по устройству охлаждения 1 через радиатор 3, рубашки охлаждения инвертора 5 и силового электродвигателя 7, вентилятор с первым регулируемым электроприводом 4, инвертор 5, имеющий датчик тока 6 в звене постоянного тока, и силовой электродвигатель 7 со встроенным датчиком 8 температуры его корпуса, причем механический привод насоса 2 выполнен в виде второго регулируемого электропривода 9, а система управления устройством 1 жидкостного охлаждения силового электропривода электромобиля включает квадратичный формирователь 10 преобразования тока, первый пороговый усилитель 11, второй пороговый усилитель 12 с зоной гистерезиса, первый 13 и второй 15 сумматоры, коммутатор 14, формирователь 16 минимального сигнала насоса 2, а датчик 6 тока установлен в цепи питания постоянного тока силового электродвигателя 7 и инвертора 5, при этом выход датчика 6 тока соединен с квадратичным формирователем 10 преобразования тока, выход которого соединен со вторым входом 13b первого сумматора 13, выход встроенного датчика 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7 соединен со входами первого порогового усилителя 11 и второго порогового усилителя 12 с зоной гистерезиса, выход которого соединен с первым входом 13а первого сумматора 13, выход 13с которого соединен с входом 14b коммутатора 14, а выход первого порогового усилителя 11 соединен с управляющим входом 14а коммутатора 14, выход 14с которого соединен со входом первого регулируемого электропривода 4 вентилятора и вторым входом 15b второго сумматора 15, первый вход 15а которого соединен с формирователем 16 минимального сигнала насоса 2, а выход 15с второго сумматора 15 соединен со вторым регулируемым электроприводом 9 насоса 2.

Известно представленное в патенте РФ 2 596389 С2 и опубликованное 10.09.2016 г. описание системы управления устройством охлаждения силового электропривода энергетической установки, которая включает установленный в жидкостной устройстве охлаждения 1 насос 2 с механическим приводом, обеспечивающим циркуляцию охлаждающей жидкости по устройстве охлаждения 1 через радиатор 3, рубашки охлаждения инвертора 5 и силового электродвигателя 7, вентилятор с первым регулируемым электроприводом 4, инвертор 5, имеющий датчик тока 6 в цепи постоянного тока, и силовой электродвигатель 7.

Недостатком данного устройства является повышенное энергопотребление, связанное с постоянно работающими вентилятором и насосом вне зависимости от режимов работы охлаждаемого электропривода и сложного теплообмена.

Известно представленное в патенте US 2015114323 А1 и опубликованное в 30.04.2015 г. устройство жидкостного охлаждения агрегатов электромобиля. Это устройство содержит замкнутый гидравлический контур охлаждения, состоящий из последовательно соединенных охлаждающего радиатора с вентилятором, нагнетающего насоса и охлаждаемых элементов силового электропривода, включающих инвертор и силовой электродвигатель.

Недостатком данного устройства является повышенное энергопотребление, связанное с постоянно работающими вентилятором и насосом вне зависимости от режимов работы охлаждаемого электропривода.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является патент «Устройство термостатирования агрегатов электромобиля» (Патент RU 2700158 С1), при котором устройство охлаждения силового электропривода электромобиля включает установленный в жидкостном устройстве охлаждения насос с электрическим приводом, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей жидкости по устройству охлаждения через радиатор, рубашки охлаждения инвертора и силового электродвигателя, вентилятор с регулируемым электроприводом, режим работы которого задается в зависимости от температуры охлаждающей жидкости в устройстве охлаждения и в охлаждаемых им инверторе и силовом электродвигателе.

Недостатком устройства - прототипа, учитывая большую теплоемкость охлаждающей жидкости, контроль температуры которой является управляющим для устройства охлаждения, является повышенная инерционность системы управления, а также избыточное энергопотребление насоса, работающего вне зависимости от режимов работы охлаждаемого электропривода.

Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является упрощение схемного решения, используемого для реализации системы управления, повышение быстродействия системы управления устройством охлаждения и понижение текущих энергозатрат управления путем обеспечения режима работы вентилятора и насоса в соответствии с реальным уровнем тепловой энергии, близким к выделяемой при работе и идущей на нагрев инвертора и силового двигателя.

Данный результат достигается тем, что система управления устройством охлаждения силового электропривода электромобиля включает установленный в жидкостном устройстве охлаждения 1 насос 2 с механическим приводом, обеспечивающим циркуляцию охлаждающей жидкости по устройству охлаждения 1 через радиатор 3, рубашки охлаждения инвертора 5 и силового электродвигателя 7, вентилятор с первым регулируемым электроприводом 4, инвертор 5, имеющий датчик тока 6 в цепи постоянного тока, и силовой электродвигатель 7 со встроенным датчиком 8 температуры его корпуса, причем механический привод насоса 2 выполнен в виде второго регулируемого электропривода 9, а система управления устройством 1 жидкостного охлаждения силового электропривода электромобиля включает квадратичный формирователь 10 преобразования тока, первый пороговый усилитель 11, второй пороговый усилитель 12 с зоной гистерезиса, первый 13 и второй 15 сумматоры, коммутатор 14, формирователь 16 минимального сигнала насоса 2, а датчик 6 тока установлен в цепи питания постоянного тока силового электродвигателя 7 и инвертора 5, при этом выход датчика 6 тока соединен с квадратичным формирователем 10 преобразования тока, выход которого соединен со вторым входом 13b первого сумматора 13, выход встроенного датчика 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7, соединен соответственно со входами первого порогового усилителя 11 и второго порогового усилителя 12 с зоной гистерезиса, выход которого соединен с первым входом 13а первого сумматора 13, выход 13с которого соединен с входом 14b коммутатора 14, а выход первого порогового усилителя 11 соединен с управляющим входом 14а коммутатора 14, выход 14с которого соединен со входом первого регулируемого электропривода 4 вентилятора и вторым входом 15b второго сумматора 15, первый вход 15а которого соединен с формирователем 16 минимального сигнала насоса 2, а выход 15с второго сумматора 15 соединен со вторым регулируемым электроприводом 9 насоса 2.

Упрощение схемного решения достигается тем, что регулирование происходит путем поэтапной работы простейшим образом взаимосвязанных при помощи логических, электрически связанных элементов системы управления, выполняющих управляющие действия последовательно, причем каждый из элементов устройства охлаждения включается в работу управляющими воздействиями системы управления в соответствии с уровнем тепловыделения на каждом этапе повышения интенсивности работы силового электропривода энергетической установки, в том числе электромобиля или автомобиля с КЭУ, определяемом уровнем срабатывания каждого порогового усилителя и увеличением - уменьшением контролируемого параметра (тока) с необходимым заданным гистерезисом.

Повышение быстродействия достигается тем, что регулируемые приводы вентилятора и насоса управляются системой управления по первичному параметру (току) инвертора и силового электропривода энергетической установки, в том числе силового двигателя электромобиля, квадрат которого пропорционален мощности тепловыделения, а не по температуре охлаждающей жидкости, которая является параметром, опосредованно, косвенно связанным с реальным уровнем тепловой энергии, близкому к выделяемой при работе и идущей на нагрев инвертора и силового двигателя электромобиля или автомобиля с комбинированной энергоустановкой (КЭУ).

Понижение текущих энергозатрат управления достигается путем обеспечения режима теплоотдачи в окружающую среду для работы вентилятора и насоса в соответствии с реальным интегральным уровнем тепловой энергии, выделяемой при работе и идущей на нагрев инвертора и силового двигателя.

На чертеже показана схема системы управления жидкостным устройством охлаждения 1 силового электропривода электромобиля или гибридного автомобиля с КЭУ.

Система управления устройством охлаждения силового электропривода энергетической установки, в том числе силового электромобиля включает установленный в жидкостной устройстве охлаждения 1 насос 2 с механическим приводом, обеспечивающим циркуляцию охлаждающей жидкости по устройству охлаждения 1 через радиатор 3, рубашки охлаждения инвертора 5 и силового электродвигателя 7, вентилятор с первым регулируемым электроприводом 4, инвертор 5, имеющий датчик тока 6 в цепи постоянного тока, и силовой электродвигатель 7 со встроенным датчиком 8 температуры его корпуса, причем механический привод насоса 2 выполнен в виде второго регулируемого электропривода 9, а система управления устройством 1 жидкостного охлаждения силового электропривода электромобиля в устройстве охлаждения 1 включает квадратичный формирователь 10 преобразования тока, первый пороговый усилитель 11, второй пороговый усилитель 12 с зоной гистерезиса, первый 13 и второй 15 сумматоры, коммутатор 14, формирователь 16 минимального сигнала насоса 2, а датчик 6 тока установлен в цепи питания постоянного тока силового электродвигателя 7 и инвертора 5, при этом выход датчика 6 тока соединен с квадратичным формирователем 10 преобразования тока, выход которого соединен со вторым входом 13b первого сумматора 13, выход встроенного датчика 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7 соединен соответственно со входами первого порогового усилителя 11 и второго порогового усилителя 12 с зоной гистерезиса, выход 13с которого соединен с первым входом 13а первого сумматора 13, выход 13с которого соединен с входом 14b коммутатора 14, а выход первого порогового усилителя 11 соединен с управляющим входом 14а коммутатора 14, выход 14с которого соединен со входом первого регулируемого электропривода 4 вентилятора и вторым входом 15b второго сумматора 15, первый вход 15а которого соединен с формирователем 16 минимального сигнала насоса 2, а выход 15с второго сумматора 15 соединен со вторым регулируемым электроприводом 9 насоса 2.

Система согласно предлагаемому способу управления устройством охлаждения силового электропривода энергетической установки, в том числе электромобиля, работает следующим образом.

Система работает согласно описанной ниже последовательности действий элементов системы управления устройством охлаждения 1 силового электропривода энергетической установки, в том числе электромобиля, которая работает следующим образом.

Включение вентилятора устройства охлаждения в работу может происходить при заданной минимальной температуре, определяемой датчиком 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7, например, 20°С или 40°С и первым пороговым усилителем 11, а насос 2 приводится во вращение вторым регулируемым электроприводом 9 со скоростью, задаваемую формирователем 16 минимального сигнала управления насосом 2 и обеспечивающей минимальную требуемую циркуляцию охлаждающей жидкости в устройстве 1 жидкостного охлаждения силового электропривода энергетической установки, в том числе электромобиля с момента включения системы управления.

Режим соответствующий, начальному рабочему режиму в соответствии с реальным уровнем тепловой энергии, выделяемой при работе и идущей на нагрев инвертора и силового двигателя, то есть режиму включения в работу устройства охлаждения силового электродвигателя 7, например, при нагреве корпуса силового электродвигателя 7 выше заранее заданной температуры 20-40°С, при которой включается в работу первый регулируемый привод 4 вентилятора и усиливается интенсивность работы насоса 2 до необходимых уровней, которые обеспечивают необходимое охлаждение силового электродвигателя 7 и инвертора 5 до уровней их работы при режимах максимальных штатных рабочих температур.

Следующий режим управления устройством охлаждения инвертора 5 и силового электродвигателя 7 электропривода электромобиля происходит и регулируется по изменению потребляемого ими тока до уровней их работы при режимах максимальных штатных рабочих температур описанным далее образом.

Ток, протекающий в цепи питания инвертора 5 и соответствующий току в обмотках статора силового электродвигателя 7, фиксируется датчиком тока 6, выходной сигнал которого преобразуется квадратичным преобразователем 10 преобразования тока с коэффициентом передачи 1.2 1.5, выбранным разработчиком устройства охлаждения и отражающий дополнительные нагревы, например, от потерь в стали силового электродвигателя. Сигнал, сформированный квадратичным преобразователем 10 преобразования тока, пройдя через первый сумматор 13, коммутируется коммутатором 14, который управляется выходным сигналом первого порогового усилителя 11, формирующим команду в соответствии с уровнем температуры силового электродвигателя 7 в зависимости от требований к минимально допустимой температуре окружающей среды, и фиксируемую датчиком 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7. Сигнал с первого сумматора 13, в случае прохождения через коммутатор 14, задает требуемую частоту вращения первым регулируемым приводом 4 вентилятору и вторым регулируемым приводом 9 через второй сумматор 15 насосу 2, обеспечивающими необходимую, исходящую из прогнозирования в соответствии с величиной тока статора, т.е. с величиной силового момента и соответственно потребляемой мощности, типичную номинальную интенсивность работы устройства охлаждения в соответствии с реальным уровнем тепловой энергии, выделяемой при работе и идущей на нагрев инвертора и силового двигателя с учетом дополнительного нагрева от других потерь в условиях штатной работы устройства охлаждения силового электропривода энергетической установки до максимальных штатных температур.

При возникновении возможных аварийных ситуаций, например, при сильном загрязнении поверхности радиатора 3, или при повреждении контура циркуляции или резком повышении температуры окружающей среды или каких-либо других нештатных условиях работы, когда штатная эффективность работы устройства охлаждения станет недостаточной. Например, при повышении температуры, фиксируемой датчиком температуры 8, например, выше критической температуры нагрева поверхности корпуса силового электродвигателя (7) или инвертора (5), являющейся критической по возможности появления слоя кипения, ухудшающей условия теплоотдачи, то есть по температуре более +80°С охлаждающей жидкости, получаемой вследствие различных факторов, в том числе и при повышенной температуре окружающей среды, срабатывает второй пороговый усилитель 12 с зоной гистерезиса и сигнал с его выхода, пройдя через первый сумматор 13 и коммутатор 14 задает максимальную интенсивность работы вентилятора 3, и через второй сумматор 15, к насосу 2 задает необходимую до максимально возможной интенсивность работы второго регулируемого электропривода 9 насоса 2. Выключение этого режима работы произойдет, за счет зоны гистерезиса, например, при снижении температуры охлаждающей жидкости до +60°С.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность устройства охлаждения путем повышения теплосъема, упреждающего нагрев от повышенного тока силового электродвигателя 7 при его разгоне или другом нестационарном режиме работы и обеспечивает понижение энергозатрат при работе вентилятора и насоса вследствие оптимизации работы для предупреждения режима экстренного устранения перегрева охлаждающей жидкости в устройстве жидкостного охлаждения при его обычной работе, реагирующей только на превышение температуры охлаждающей жидкости выше штатной.

На основании изложенного можно утверждать нижеследующее.

Поставленная техническая задача решается техническими средствами и может быть использована в предложенном виде в народном хозяйстве, следовательно, предложение соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».

Предложение имеет отличия от известной конструкции устройства и имеет отличия в последовательности действий при его работе как реализация способа его работы, следовательно, соответствует критерию изобретения «новизна».

Предложенная система управления устройством охлаждения силового электропривода электромобиля имеет отличия от известной конструкции устройства, при работе которого и выполнении всех известных и новых действий последовательности работы новой конструкции устройства позволяет достичь новых, ранее неизвестных технических результатов, следовательно, предложение соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления устройством охлаждения силового электропривода. Техническим результатом является: упрощение схемного решения, используемого для реализации системы управления, повышение быстродействия системы управления системой охлаждения и понижение текущих энергозатрат управления путем обеспечения режима работы вентилятора и насоса в соответствии с уровнем энергии, близкому к выделяемой при работе и идущей на нагрев инвертора и силового двигателя. Технический результат достигается тем, что в жидкостной системе охлаждения 1 насосом 2, обеспечивающим циркуляцию охлаждающей жидкости через радиатор 3, с вентилятором с первым регулируемым электроприводом 4, рубашки охлаждения инвертора 5, имеющим датчик тока 6 в звене постоянного тока, и силового электродвигателя 7 со встроенным датчиком температуры корпуса 8, причем приводом насоса является дополнительно установленный второй регулируемый электропривод 9, а сформированный датчиком тока 6 преобразуется квадратичным формирователем 10, при этом сигнал, сформированный датчиком 8 температуры корпуса силового двигателя, преобразуется первым пороговым усилителем 11 и вторым пороговым усилителем 12 с зоной гистерезиса, также выходные сигналы, сформированные вторым пороговым усилителем 12 с зоной гистерезиса и квадратичным формирователем 10, суммируются сумматором 13 и в зависимости от состояния коммутатора 14, определяемого уровнем сигнала, сформированного первым пороговым усилителем 11, управляют частотой вращения второго регулируемого электропривода 9 вентилятора радиатора 4, а также суммируются сумматором 15 с сигналом задания минимальной производительности насоса 2, задаваемым формирователем минимального сигнала насоса 16, управляют частотой вращения первого регулируемого электропривода 3 насоса 2. 1 ил.

Система управления устройством охлаждения силового электропривода энергетической установки включает установленный в жидкостном устройстве охлаждения 1 насос 2 с механическим приводом, обеспечивающим циркуляцию охлаждающей жидкости по устройству охлаждения 1 через радиатор 3, рубашки охлаждения инвертора 5 и силового электродвигателя 7, вентилятор с первым регулируемым электроприводом 4, инвертор 5, имеющий датчик тока 6 в цепи постоянного тока, и силовой электродвигатель 7 со встроенным датчиком 8 температуры его корпуса, отличающаяся тем, что механический привод насоса 2 выполнен в виде второго регулируемого электропривода 9, а система управления устройством 1 жидкостного охлаждения силового электропривода электромобиля включает квадратичный формирователь 10 преобразования тока, первый пороговый усилитель 11, второй пороговый усилитель 12 с зоной гистерезиса, первый 13 и второй 15 сумматоры, коммутатор 14, формирователь 16 минимального сигнала насоса 2, а датчик 6 тока установлен в цепи питания постоянного тока силового электродвигателя 7 и инвертора 5, при этом выход датчика 6 тока соединен с квадратичным формирователем 10 преобразования тока, выход которого соединен со вторым входом 13b первого сумматора 13, выход встроенного датчика 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7 соединен соответственно со входами первого порогового усилителя 11 и второго порогового усилителя 12 с зоной гистерезиса, выход которого соединен с первым входом 13а первого сумматора 13, выход 13с которого соединен с входом 14b коммутатора 14, а выход первого порогового усилителя 11 соединен с управляющим входом 14а коммутатора 14, выход 14с которого соединен со входом первого регулируемого электропривода 4 вентилятора и вторым входом 15b второго сумматора 15, первый вход 15а которого соединен с формирователем 16 минимального сигнала насоса 2, а выход 15с второго сумматора 15 соединен со вторым регулируемым электроприводом 9 насоса 2.