САМОХОДНАЯ МАШИНА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ Российский патент 2020 года по МПК B60L1/02 B60L58/27 B60L50/10 B60L50/50 B60L58/26 

Изобретение относится к промышленным и сельскохозяйственным тракторам, погрузчикам, автогрейдерам, автомобилям, транспортерам и другим гусеничным и колесным самоходным машинам, предназначенным для выполнения землеройных, строительных, дорожных, транспортных, сельскохозяйственных и других работ.

Известна самоходная машина, содержащая тяговую аккумуляторную батарею (АКБ), соединенную с сетевым (внешним) источником питания, способным обеспечивать заряда этой АКБ, нагревательный элемент для нагрева жидкости, циркулирующей через АКБ, и схему управления, обеспечивающее переключение потоков энергии сетевого источника на заряд АКБ или на нагревательный элемент в зависимости от величины напряжения на АКБ (US 7683570 А2, 23.03.2010).

Недостатком этого устройства являются отсутствие автономности при тепловой подготовке машины к работе в работе - зависимость от внешнего источника энергии, а также ограниченные функциональные возможности ввиду реализации тепловой подготовки к работе только тяговой АКБ.

Наиболее близким к предложенному устройству является транспортное средство с устройством его прогрева, содержащее тяговую АКБ, передающую электрическую энергию на тяговый электродвигатель, приводящий в движение транспортное средство (самоходную машину), обогреватель тяговой АКБ, датчик ее температуры, а также блок управления распределением тока (контроллер), осуществляющий передачу энергии от внешнего источника на заряд тяговой АКБ и на ее обогреватель в зависимости от температуры АКБ (RU 2510338 С2, 27.03.2014).

Недостатком этой самоходной машины является невозможность возобновления ее работы после длительной стоянки при низких температурах окружающей среды и отсутствии внешнего источника энергии (зарядной станции, сети ~220/380В и т.д.). Обусловлено это тем, что длительная стоянка самоходной машины в этих условиях приводит к понижению температуры тяговой АКБ, невозможности ее самопрогрева и получения от нее мощности, необходимой для начала работы машины, к понижению температуры воздуха в кабине машины и т.д.

Другим недостатком известной самоходной машины, особенно при пониженных температурах тяговой АКБ, является пониженное максимальное значение ее тяговой мощности, поскольку энергия на тяговый электродвигатель поступает только от тяговой АКБ, характеристики которой существенно зависят от ее температуры и существенно ухудшаются при понижении этой температуры.

Из анализа аналогов и прототипа следует, что в предшествующем уровне техники не решена техническая проблема создания самоходной машины с электрической трансмиссией, обладающей возможностью ее автономной тепловой подготовки к работе, а также повышенным максимальным значением тяговой мощности.

Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является обеспечение возможности автономной тепловой подготовки к работе самоходной машины с электрической трансмиссией при одновременном повышении ее максимальной тяговой мощности.

При реализации самоходной машины с электрической трансмиссией, содержащей колесную или гусеничную ходовую часть, кабину, один или несколько тяговых электродвигателей, использующихся для привода одного или нескольких ведущих колес или гусениц этой машины, тяговую АКБ, систему электрооборудования, выполненную с возможностью передачи электрической энергии от тяговой АКБ по меньшей мере на один тяговый электродвигатель, и электрический обогреватель, указанный технический результат достигается за счет того, что самоходная машина дополнительно оснащена энергоагрегатом и/или дополнительной АКБ, способной отдавать электрическую энергию при минимальной рабочей температуре самоходной машины, а система электрооборудования дополнительно выполнена с возможностью управления передачей энергии от энергоагрегата и/или от дополнительной АКБ на электрический обогреватель и/или по меньшей мере на один тяговый электродвигатель.

В частных вариантах реализации самоходной машины, описанных в зависимых пунктах формулы изобретения, этот технический результат достигается также за счет того, что:

- дополнительная АКБ по сравнению с тяговой АКБ выполнена с более низким значение минимальной рабочей температуры и/или с более высоким отношение ее емкости к внутреннему сопротивлению;

- электрический обогреватель содержит один или группу термоэлектрических преобразователей Пельтье или нагревательных элементов из позисторной керамики или металла, установленных с возможностью подогрева тяговой АКБ, и/или кабины (для подогрева воздуха в кабине, кресла оператора, стекол кабины и т.д.), и/или трансмиссии (бортовых редукторов, тягового электродвигателя и т.д.), и/или ходовой части, и/или по меньшей мере одной составной части системы электрооборудования самоходной машины, причем если электрический обогреватель реализован на основе термопреобразователей Пельтье, то контроллер электрического обогревателя осуществляет их переключение из режима нагрева в режим охлаждения и обратно в зависимости от выходного сигнала датчика температуры из условия нормализации температурного режима работы тяговой АКБ и/или воздуха в кабине оператора;

- система электрооборудования содержит устройство приема электрической энергии от внешнего источника, реализованное в виде электрического соединителя, преобразователя напряжения или выпрямителя и обеспечивающее возможность передачи этой энергии на электрический обогреватель независимо или одновременно с передачей на этот обогреватель электрической энергии от энергоагрегата или дополнительной АКБ;

- энергоагрегат выполнен когенерационного типа, причем самоходная машина дополнительно содержит вентилятор или насос, а также регулирующий клапан, приспособленные для создания потока воздуха или жидкости, обеспечивающие возможность передачи и использования тепловой энергии охлаждающей жидкости, и/или масла в системе смазки, и/или отработавших газов энергоагрегата для тепловой подготовки самоходной машины к работе, а в состав системы электрооборудования входят датчик температуры воздуха, жидкости или составной части самоходной машины, а также контроллер, осуществляющий управление регулирующим клапаном и приводом вентилятора или насоса в зависимости от выходного сигнала этого датчика;

- система электрооборудования содержит по меньшей мере один контроллер АКБ, выполненный с возможностью независимого управления зарядом и разрядом тяговой и дополнительной АКБ;

- тяговая и дополнительная АКБ непосредственно или через элементы защиты и/или коммутации имеют равные величины их номинальных напряжений, соединены параллельно и могут быть выполнены с возможностью их заряда в режиме постоянного напряжения;

- АКБ низковольтной части системы электрооборудования реализована с характеристиками, позволяющими ее использование в качестве дополнительной АКБ;

- система электрооборудования содержит преобразователь напряжения, обеспечивающий обмен электрической энергией между тяговой и дополнительной АКБ;

- самоходная машина дополнительно содержит батарею суперконденсаторов, которая непосредственно или через реверсивный преобразователь напряжения подключена к тяговой или к дополнительной АКБ;

- энергоагрегат выполнен в виде батареи топливных элементов или двигателя внутреннего сгорания (ДВС), электрического генератора, механически соединенный с ДВС, и контроллера энергоагрегата, реализующего управление генератором и/или ДВС, а также выпрямления выходного напряжения генератора в случае необходимости.

Реализация отличительных, в том числе альтернативных, признаков независимого и зависимых пунктов формулы изобретения обеспечивает получение одного и того же технического результата.

А именно, реализация отличительного признака независимого пункта формулы изобретения, предусматривающего оснащение самоходной машины энергоагрегатом и/или дополнительной АКБ, сохраняющей свою работоспособность при минимальной рабочей температуре самоходной машины, а также передача их энергии на электрический обогреватель, обеспечивает возможность автономной тепловой подготовки самоходной машины к работе после длительной стоянки при низких температурах окружающей среды. При этом одновременно достигается повышение максимальной тяговой мощности самоходной машины за счет передачи этой мощности на тяговые электродвигатели в дополнение к мощности, передаваемой от тяговой АКБ.

Реализация отличительного признака, согласно которому дополнительная АКБ имеет по сравнению с тяговой АКБ более низкое значение минимальной рабочей температуры и/или более высокое отношение ее емкости к внутреннему сопротивлению, обеспечивает возможность передачи повышенной мощности от дополнительной АКБ на электрический обогреватель и тяговые электродвигатели, что также позволяет реализовать автономную тепловую подготовку самоходной машины к работе при низких температурах окружающей среды и повысить ее тяговую мощность.

Применение в электрическом обогревателе термоэлектрических преобразователей Пельтье или нагревательных элементов другого типа, а также их использование для подогрева не только тяговой АКБ, но и кабины (воздуха в кабине, кресла оператора, стекол кабины и т.д.), трансмиссии (бортовых редукторов, тягового электродвигателя и т.д.), ходовой части и/или составных частей системы электрооборудования, позволяет более рационально использовать энергию энергоагрегата или дополнительной АКБ за счет первоочередного подогрева той составной части машины, низкая температура которой препятствует началу ее работы, а также снизить потери энергии в непрогретых узлах и агрегатах самоходной машины во время ее работы. Это также способствует реализации автономной тепловой подготовки к работе самоходной машины при одновременном повышении ее максимальной тяговой мощности.

В случае реализации следующего отличительного признака, предусматривающего переключение термоэлектрических преобразователей Пельтье из режима нагрева в режим охлаждения и обратно, осуществляется более рациональное использование энергии энергоагрегата или дополнительной АКБ путем перераспределения тепловой энергии по принципу теплового насоса, что приводит к достижению указанного технического результата по тем же причинам.

Одновременная передача энергии на электрический обогреватель от энергоагрегата или дополнительной АКБ, а также от устройства приема электрической энергии от внешнего источника через электрический соединитель, преобразователь напряжения, выпрямитель и т.д., предусмотренная следующим отличительным признаком изобретения, обеспечивает достижение указанного технического результата на счет увеличения мощности, передаваемой как на электрический обогреватель так и на тяговые электродвигатели. При этом в отдельных случаях сохраняется автономность тепловой подготовки самоходной машины к работе. Например, при размещении внешнего источника энергии на прицепе или ином агрегате, не входящем в состав самоходной машины.

Применение на самоходной машине энергоагрегата когенерационного типа, а также вентилятора, насоса и регулирующего клапана, обеспечивающих передачу тепловой энергии охлаждающей жидкости, масла в системе смазки и/или отработавших газов энергоагрегата через соответствующие потоки воздуха или жидкости на подогреваемые узлы и агрегаты самоходной машины, обеспечивает достижение указанного технического результата по аналогичным причинам.

Если система электрооборудования содержит контроллер АКБ, обеспечивающий независимое управление зарядом и разрядом тяговой и дополнительной АКБ, то на самоходной машине реализуется обмен энергией между АКБ, передача энергии от дополнительной АКБ на электрический обогреватель или тяговые электродвигатели с минимальными потерями, а также возможность заряда дополнительной АКБ, например, при рекуперативном торможении машины тяговыми электродвигателями. Это приводит к увеличению мощности, передаваемой от дополнительной АКБ на электрический обогреватель и тяговые электродвигатели, что улучшает возможность автономной тепловой подготовки к работе самоходной машины при одновременном повышении ее максимальной тяговой мощности.

С целью достижения указанного технического результата путем применения наиболее простых технических средств, тяговая и дополнительная АКБ могут быть непосредственно или через элементы защиты и/или коммутации соединены параллельно и, в частности, выполнены с возможностью их заряда в режиме постоянного напряжения. С этой же целью АКБ низковольтной части системы электрооборудования может быть реализована с характеристиками, позволяющими ее использовать в качестве дополнительной АКБ, т.е. с возможностью передачи от этой АКБ необходимой энергии на электрический обогреватель при минимальной рабочей температуре самоходной машины.

Для дальнейшего улучшения энергетических характеристик самоходной машины в состав ее системы электрооборудования могут быть включены преобразователь напряжения, обеспечивающий обмен электрической энергией между тяговой и дополнительной АКБ, а также батарея суперконденсаторов, подключенная к тяговой или дополнительной АКБ непосредственно или через реверсивный преобразователь напряжения. Реализация этих отличительных признаков открывает возможность передачи на тяговые электродвигатели и электрический обогреватель импульсов напряжения повышенной мощности, а также формирования импульсов тока такой формы, которая соответствует наиболее быстрой тепловой подготовке к работе самоходной машины и обеспечивает достижение ее максимальной тяговой мощности с учетом характеристик источников энергии, имеющихся на этой машине.

Реализация энергоагрегата в виде батареи топливных элементов, либо ДВС с электрическим генератором и контроллером, обеспечивает возможность начала автономной тепловой подготовки самоходной машины к работе после ее стоянки в течение длительного времени, превышающего время саморазряда АКБ. При этом, благодаря высокой удельной мощности такого энергоагрегата и передачи его выходной мощности на тяговые электродвигатели, также обеспечивается повышение максимальной тяговой мощности машины и, соответственно, достижение указанного технического результата.

Дополнительно причинно-следственные связи между отличительными признаками изобретения и достигаемым техническим результатом показаны при описании различных вариантов реализации предложенной самоходной машины с электрической трансмиссией.

На чертеже приведена ее упрощенная схема.

Трансмиссия этой машины, ввиду наличия в ее составе различных механических узлов, в том числе бортовых редукторов, может именоваться также электромеханической трансмиссией. Сама машина может именоваться электрической самоходной машиной, электрической тяговой платформой, электрическим трактором и т.д.

Роль основного источника энергии на этой машине выполняет тяговая аккумуляторная батарея (АКБ) 1.

Ее энергия поступает на тяговые электродвигатели 2 и 3, которые непосредственно или через дополнительные передаточные устройства (муфты, валы, дополнительные зубчатые передачи и т.д.) механически соединены с бортовыми редукторами 4, 5.

Тяговые электродвигатели могут быть асинхронными, вентильными реактивными (индукторными, индукционными - ВРД, ВИД, ВИРД) электродвигателей, с постоянными магнитами в роторе и т.д.

На бортовых редукторах закреплены ведущие колеса или звездочки 6, 7 соответственно колесной или гусеничной ходовой части самоходной машины.

Возможна реализация самоходной машины с тяговыми электродвигателями, встроенными в каждое колесо, с одним тяговым электродвигателем и с главной передачей, с одним или двумя ведущими мостами и т.д.

Для осуществления тепловой подготовки самоходной машины к работе в ее состав входят электрический обогреватель 8 и дополнительная АКБ 9 и/или энергоагрегат 10.

Дополнительная АКБ по сравнению с тяговой АКБ имеет, как привило, существенно меньшую емкость (меньший запас энергии) и меньшие габаритные размеры и вес.

Электрический обогреватель выполнен в виде одного или группы термоэлектрических преобразователей Пельтье или нагревательных элементов из позисторной керамики или металла. Они установлены с возможностью передачи выделяющегося в них тепла тяговой АКБ 1, кабине (воздуху в кабине, креслу оператора, стеклам кабины и т.д.), трансмиссии (тяговым электродвигателям 2, 3, бортовым редукторам 4, 5, или и т.д.), ходовой части (например, опорным каткам, натяжному колесу, и т.д.) или какой-либо составной части системы электрооборудования самоходной машины, если в ней использованы электронные компоненты, которые не могут работать при низких температурах окружающей среды. Передача тепла от термоэлектрических преобразователей Пельтье или нагревательных элементов к отдельным узлам и агрегатам самоходной машины в зависимости от их конструктивного исполнения может осуществляться путем теплопередачи, естественной конвекции, инфракрасного излучения или через поток какого-либо теплоносителя - воздуха или жидкости, например, антифриза.

При существующем уровне техники невозможно создание тяговой АКБ, имеющей одновременно высокую удельную емкость и широкий диапазон рабочих температур. Для решения этой проблемы самоходная машина оснащается дополнительной АКБ 9, которая должна обеспечивать возможность приведения тяговой АКБ в рабочее состояние - ее прогрева. Соответственно, дополнительная АКБ должна сохранять свою работоспособность при наиболее низкой температуре окружающей среды, а также обладать способностью отдавать при этой температуре мощность, необходимую для работы электрического обогревателя 8 и иметь запас энергии, достаточный для прогрева тяговой АКБ. Дальнейшая тепловая подготовка самоходной машины, например прогрев бортовых редукторов и рабочего места оператора, может осуществляться с использованием энергии тяговой АКБ. В случае, если дополнительная АКБ 9 имеет повышенный запас энергии, она может использоваться для прогрева как тяговой АКБ, так и других узлов и агрегатов самоходной машины.

Для реализации таких возможностей дополнительная АКБ по сравнению с тяговой АКБ может иметь более низкое значение минимальной рабочей температуры. Например, тяговая АКБ 1 может быть выполнена литий-железо-фосфатной (LiFePO4) с минимальной температурой рабочей разряда -20°С, а дополнительная АКБ 9 литий-титанатной (LTO) с минимальной рабочей температурой разряда -40°С. В этом случае при автономной тепловой подготовке машины к работе после длительной стоянки при температуре -40°С энергия дополнительной АКБ используется для подогрева тяговой АКБ от -40°С до -20°С.

При снижении температуры в АКБ происходит снижение скорости диффузии ионов электролита, что приводит к увеличению ее внутреннего сопротивления. Возможны ситуации, когда тяговая АКБ сохраняет способность выдавать энергию в нагрузку при минимальной рабочей температуре, но эта энергия из-за возросшего внутреннего сопротивления недостаточна как для самопрогрева этой АКБ, так и для начала движения самоходной машины. Поэтому возможен вариант реализации автономной тепловой подготовкой самоходной машины к работе, в котором тяговая и дополнительная АКБ имеют одинаковые диапазоны рабочих температур, но различные внутренние сопротивления. В этом случае дополнительная АКБ должна относиться к категории «большой мощности», т.е. должна иметь малое внутреннее сопротивление при низкой рабочей температуре и, соответственно, обеспечивать возможность передачи на электрический обогреватель 8 необходимой мощности. Это соответствует отношению ее емкости к внутреннему сопротивлению, например, в диапазоне 25~100 Ah/mΩ. При этом тяговая АКБ, имеющая большую емкость, при низких рабочих температурах самоходной машины может иметь существенно более высокое внутреннее сопротивление в пересчете на единицу ее емкости.

В качестве дополнительной АКБ может использоваться АКБ 9 низковольтной части системы электрооборудования. В этом случае она реализована с характеристиками в части диапазона рабочих температур и внутреннего сопротивления, обеспечивающими при низкой температуре окружающей среды работу по меньшей мере электрического обогревателя 8.

Возможно параллельное соединение тяговой и дополнительной АКБ непосредственно или через элементы защиты (предохранители) и/или коммутации (реле, выключатели, контакторы). В этом случае тяговая и дополнительная АКБ должны быть согласованы по своему номинальному рабочему напряжению, а также выполнены с возможностью их заряда в режиме постоянного напряжения с целью предотвращения перезаряда одной из этих АКБ.

К любой из АКБ 1, 9 непосредственно или через реверсивный преобразователь напряжения может быть подключена батарея суперконденсаторов (на чертеже условно не показана). Она позволяет кратковременно передать на электрический обогреватель 8 и на тяговые электродвигатели 2, 3 высокую мощность, которую невозможно получить от АКБ.

Вместо дополнительной АКБ 9 или в дополнение к ней на машине может быть размещен энергоагрегат 10, выполненный в виде батареи топливных элементов, например, водородно-воздушных, имеющих широкий температурный диапазон эксплуатации внешней среды (-40~+60°С). Энергоагрегат может быть выполнен также на основе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 11, работающего на топливе любого вида (дизельное топливо, бензин, природный газ, водород и т.д.), и электрического генератора 12.

Если энергоагрегат выполнен когенерационного типа, то на самоходную машину могут быть дополнительно установлены вентилятор или насос и регулирующий клапан. Они обеспечивают потоки воздуха или жидкости, осуществляющие перенос тепловой энергии охлаждающей жидкости, масла в системе смазки и/или отработавших (выхлопных) газов энергоагрегата на подогреваемые узлы и агрегаты (составные части) самоходной машины.

При этом система электрооборудования обеспечивает управление регулирующим клапаном и приводом вентилятора или насоса в зависимости от выходного сигнала датчика температуры воздуха, жидкости или составной части самоходной машины.

Система электрооборудования (система контроля, защиты и управления) самоходной машины в общем случае включает в себя высоковольтную и низковольтную подсистемы и содержит главный (ведущий) контроллер 13, два контроллеров тяговых электродвигателей 14, 15, контроллер электрического обогревателя 16, контроллер АКБ 17, контроллер энергоагрегата 18, преобразователь напряжения 19 (может именоваться контроллером АКБ 9), органы управления движением и торможением самоходной машины 20 (джойстики, педали, клавиши и т.п.), различные низковольтных потребителей (устройства освещения, световой и звуковой сигнализации, контрольно-измерительные приборы, стеклоочистители и т.д.) 21, датчики рабочих параметров самоходной машины и ее другие устройства, условно не показанные на чертеже.

Отнесение отдельных электрических составных частей самоходной машины к отдельным устройствам или к системе электрооборудования является условным. Например, АКБ 1, 9 и электрический обогреватель могут 8 считаться частью системы электрооборудования машины, что не имеет принципиального значения.

На самоходной машине возможно объединение контроллеров 13-18, преобразователя 19 и органов управления 20 в единый блок (модуль) или в несколько блоков (модулей), либо их раздельное исполнение в зависимости от выполняемых функций и требований к компоновке самоходной машины. Возможно также конструктивное объединение контроллера энергоагрегата 18 с генератором 12, а контроллеров 14, 15 - с тяговыми электродвигателями 2,3.

Контроллер энергоагрегата 18 осуществляет управление запуском и скоростью вращения ДВС 11, регулирование возбуждения генератора 12 и, в случае необходимости, преобразует переменное выходное напряжение генератора в постоянное напряжение силовой сети трансмиссии, поступающее на силовую шину 22 с номинальным напряжением, например, 275 В или 540 В.

Контроллеры тяговых электродвигателей 14, 15 осуществляют преобразование напряжения на силовых шинах в переменное напряжение, либо в однополярные импульсы перед подачей на тяговые электродвигатели 2, 3. Они могут быть выполнены в виде силовых частотных преобразователей, инверторов или коммутаторов и имеют встроенные системы управления, реализованные на основе микроконтроллеров.

Контроллер АКБ 17 осуществляет управление зарядом и разрядом тяговой АКБ, в том числе ее защиту избыточного заряда и разряда, от перегрузки по току, а также выравнивание (балансировку) напряжения на ее отдельных аккумуляторах во время заряда.

Контроллер электрического обогревателя 16 содержит соединенные между собой широтно-импульсный регулятор, реализованный на основе микроконтроллера, датчик температуры, интерфейс для приема и передачи сигналов по шине CAN и силовой электронный ключ, осуществляющий подключение нагревательных элементов обогревателя к силовым шинам 22. При этом датчик температуры может осуществлять измерение температуры электрического обогревателя (какого-либо нагревательного элемента) или подогреваемой составной части самоходной машины (ее узла или агрегата). Возможно применение нескольких датчиков температуры и раздельное управление отдельными нагревательными элементами с целью тепловой подготовки различных составных частей самоходной машины.

Если электрический обогреватель реализован на основе термопреобразователей Пельтье, то контроллер электрического обогревателя 16 содержит силовые электронные ключи, соединенные по мостовой схеме и обеспечивающие переключение направления тока в этих термопреобразователях. Это позволяет обеспечить возможность нормализации температурного режима работы тяговой АКБ и/или воздуха в кабине оператора за счет перехода обогревателя из режима нагрева в режим охлаждения и обратно в зависимости от выходного сигнала соответствующего датчика температуры. В том числе обеспечить защиту тяговой АКБ от перегрева при работе в условиях высоких температур окружающей среды.

Уровни мощности, необходимые для прогрева или охлаждения тяговой АКБ и других узлов и агрегатов самоходной машины, а также наиболее оптимальные режимы работы нагревательных элементов и термопреобразователей Пельтье, предварительно определяются расчетным или экспериментальным путем далее записываются в энергонезависимую память микропроцессорных контроллеров 13, 16, 17 и 18.

Главный контроллер 13 предназначен для координации работы всех контроллеров системы электрооборудования. Его функции может выполнять любой другой контроллер системы электрооборудования. Линии передачи информационных сигналов между ними выполнены с использованием стандарта промышленной сети CAN (Controller Area Network) 23, интерфейсов LIN (Local Interconnection Network), RS-485 (стандарт EIA/TIA) и т.д.

В электродвигатели 2, 3, бортовые редукторы 4, 5 или передаточные устройства между ними могут быть встроены механические фрикционные тормоза 24, 25, в частности, нормально замкнутые стояночные. Управление тормозами осуществляется непосредственно главным контроллером 13 или контроллерами тяговых электродвигателей 14, 15.

Система электрооборудования может содержать устройство приема электрической энергии от внешнего источника, реализованное, в частности, в виде электрического соединителя 26, обеспечивающее возможность передачи этой энергии на электрический обогреватель независимо или одновременно с передачей на него электрической энергии от энергоагрегата или дополнительной АКБ. Внешний источник энергии может быть подключен к силовой шине 22 непосредственно, через преобразователь напряжения 19 или выпрямитель. Возможны также иные варианты подключения этого источника. Например, к тяговой или дополнительной АКБ, либо непосредственно к электрическому обогревателю 8.

Преобразователь напряжения 19 обеспечивает обмен электрической энергией между тяговой и дополнительной АКБ непосредственно или через силовые шины 22, осуществляет согласование их напряжений, а также реализует управляемую передачу электрической энергии от внешнего источника энергии через электрический соединитель 26. В общем случае преобразователь выполнен реверсивным (двунаправленным), в частности, на основе мостового импульсного преобразователя. Возможно различное перераспределение функций, реализуемых преобразователем напряжения 19 и контроллером АКБ 17, в том числе их объединение в единый блок (систему) интеллектуального управления батареями - Battery Management System (BMS).

Самоходная машина может содержать также различные дополнительные устройства, условно не показанные на чертеже.

Она работает следующим образом.

Перед начало работы самоходной машины после ее длительной стоянки в холодное время года оператор с помощью органов управления 20 осуществляет запуск энергоагрегата 10 (при его наличии на самоходной машине), а также формирует сигнал начала тепловой подготовки машины к работе. Сигналы о необходимости передачи и уровне мощности, необходимой для тепловой подготовки самоходной машины к работе, через главный контроллер 13 по шине CAN поступают на контроллер энергоагрегата 18 и преобразователь напряжения 19, а сигналы включения электрического обогревателя 8 - на его контроллер.

В зависимости от выходных сигналов датчиков температуры, контроллер обогревателя 16 передает электрическую энергию на термоэлектрические преобразователи Пельтье или нагревательные элементы электрического обогревателя 8, что приводит к повышению температуры подогреваемых узлов и агрегатов самоходной машины.

Если на машине установлен энергоагрегат когенерационного типа, то для указанной тепловой подготовки дополнительно используется тепловая энергия его системы охлаждения, смазки и отработавших газов.

При этом если есть возможность подключения самоходной машины к внешней электрической сети ~220/380 В, к зарядной станции или к системе электрооборудования другой машины, то для тепловой подготовки машины к работе дополнительно используется этот внешний источник энергии.

Информация об окончании тепловой подготовки самоходной машины к работе, а также о возможных ограничениях на нагрузку и скорость ее движения в начале работы, формируется главным контроллером 13 на основании выходных сигналов датчиков температуры и выводится в виде информационных сигналов на панель оператора.

После этого оператор с помощью органов управления 20 задает направление и скорость движения машины. В соответствии с этими командами главный контроллер 13 по шине CAN 23 передает сигналы управления тяговыми электродвигателями на их контроллеры 14, 15.

Электрическая энергия от тяговой АКБ, энергоагрегата и, в случае необходимости, от дополнительной АКБ 9 через силовые шины 22 поступает на контроллеры тяговых электродвигателей 14, 15. Тяговые электродвигатели 2, 3, получающие электрическую энергию от контроллеров 14, 15, преобразуют ее в механическую энергию и передают вращающий момент на бортовые редукторы 4, 5 и далее на ведущие колеса или звездочки 6, 7, обеспечивая движение машины.

Повороты самоходной машины осуществляются путем задания разных угловых скоростей тяговых электродвигателей 2, 3.

При поступлении на главный контроллер 13 сигнала остановки (торможения) самоходной машины путем перевода органа управления его движением в нулевое положение или путем воздействия на орган управления тормозом (например, педаль), тяговые электродвигатели 2, 3 переводятся в генераторный режим, преобразуют кинетическую энергию движения самоходной машины в электрическую энергию и передают ее в силовую сеть 22. Энергия из этой сети через контроллер АКБ 17 и передается в тяговую АКБ 1.

Одновременно преобразователь напряжения (контроллер) 19, работающий под управлением главного контроллера 13, осуществляет понижение напряжения в силовой сети трансмиссии и передает энергию из силовой сети в дополнительную АКБ 9.

Путем регулирования тормозного момента, создаваемого тяговыми электродвигателями 2, 3, а также токов заряда тяговой АКБ 1 и дополнительной АКБ 9, обеспечивается необходимая интенсивность торможения, заданная органом управления 20. Если интенсивность торможения недостаточна, главный контроллер 13 формирует сигнал включения тормозов 24, 25.

Если в процессе работы самоходной машины необходимая температура тяговой АКБ находится в допустимых пределах, в том числе за счет ее самопрогрева, то контроллер обогревателя отключает ее подогрев. В противном случае может продолжаться подогрев тяговой АКБ 1, либо ее охлаждение (если в электрическом обогревателе использованы термоэлектрические элементы Пельтье).

В те интервалы времени, когда температура тяговой АКБ находится в ее рабочем диапазоне, она используется для восполнения заряда дополнительной АКБ с целью обеспечения возможности повторной тепловой подготовки самоходной машины к работе.

Заряд тяговой АКБ осуществляется от стационарного источника энергии через электрический соединитель 26. Во время длительных стоянок самоходной машины возможен также заряд тяговой АКБ от энергоагрегата 10.

Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанной самоходной машина с электрической трансмиссией возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.

Изобретение относится к самоходной машине с электрической трансмиссией. Машина содержит колесную или гусеничную ходовую часть, кабину, по меньшей мере один тяговый электродвигатель, тяговую аккумуляторную батарею (АКБ), систему электрооборудования, энергоагрегат и/или дополнительную АКБ. Тяговый электродвигатель приспособлен для привода по меньшей мере одного ее ведущего колеса или по меньшей мере одной гусеницы. Система электрооборудования выполнена с возможностью передачи электрической энергии от тяговой АКБ по меньшей мере на один тяговый электродвигатель и электрический обогреватель. Энергоагрегат и/или дополнительная АКБ способны отдавать электрическую энергию при минимальной рабочей температуре самоходной машины. Система электрооборудования выполнена с возможностью управления передачей энергии от энергоагрегата и/или дополнительной АКБ на электрический обогреватель и/или по меньшей мере на один тяговый электродвигатель. Достигается автономная тепловая подготовка к работе самоходной машины с электрической трансмиссией при одновременном повышении ее максимальной тяговой мощности. 16 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Самоходная машина с электрической трансмиссией, содержащая колесную или гусеничную ходовую часть, кабину, по меньшей мере один тяговый электродвигатель, приспособленный для привода по меньшей мере одного ее ведущего колеса или по меньшей мере одной гусеницы, тяговую аккумуляторную батарею (АКБ), систему электрооборудования, выполненную с возможностью передачи электрической энергии от тяговой АКБ по меньшей мере на один тяговый электродвигатель, и электрический обогреватель, отличающаяся тем, что она дополнительно оснащена энергоагрегатом и/или дополнительной АКБ, способной отдавать электрическую энергию при минимальной рабочей температуре самоходной машины, а система электрооборудования дополнительно выполнена с возможностью управления передачей энергии от энергоагрегата и/или дополнительной АКБ на электрический обогреватель и/или по меньшей мере на один тяговый электродвигатель.

2. Самоходная машина по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительная АКБ по сравнению с тяговой АКБ имеет более низкое значение минимальной рабочей температуры и/или более высокое отношение ее емкости к внутреннему сопротивлению.

3. Самоходная машина по п. 1, отличающаяся тем, что электрический обогреватель установлен с возможностью подогрева тяговой АКБ, и/или кабины, и/или трансмиссии, и/или ходовой части, и/или по меньшей мере одной составной части системы электрооборудования самоходной машины.

4. Самоходная машина по п. 3, отличающаяся тем, что электрический обогреватель приспособлен для подогрева воздуха в кабине, и/или кресла оператора, и/или стекол кабины, или бортовых редукторов, или тягового электродвигателя.

5. Самоходная машина по п. 1, отличающаяся тем, что электрический обогреватель содержит по меньшей мере один термоэлектрический преобразователь Пельтье, или нагревательный элемент из позисторной керамики, или нагревательный элемент из металла, а система электрооборудования содержит контроллер электрического обогревателя и датчик температуры, соединенный с этим контроллером.

6. Самоходная машина по п. 5, отличающаяся тем, что датчик температуры приспособлен для измерения температуры тяговой АКБ и/или воздуха в кабине, а контроллер электрического обогревателя выполнен с возможностью переключения термоэлектрического преобразователя Пельтье из режима нагрева в режим охлаждения и обратно в зависимости от выходного сигнала указанного датчика из условия нормализации температурного режима работы тяговой АКБ и/или воздуха в кабине.

7. Самоходная машина по п. 1 или 5, отличающаяся тем, что система электрооборудования содержит устройство приема электрической энергии от внешнего источника, реализованное в виде электрического соединителя, или преобразователя напряжения, или выпрямителя, а также выполненное с возможностью передачи этой энергии на электрический обогреватель независимо или одновременно с передачей на этот обогреватель электрической энергии от энергоагрегата или дополнительной АКБ.

8. Самоходная машина по п. 1, отличающаяся тем, что энергоагрегат выполнен когенерационного типа и содержит вентилятор или насос, приспособленный для создания потока воздуха или жидкости, обеспечивающего возможность передачи и использования тепловой энергии охлаждающей жидкости, и/или масла в системе смазки, и/или отработавших газов энергоагрегата для тепловой подготовки самоходной машины к работе.

9. Самоходная машина по п. 1 или 8, отличающаяся тем, что в состав системы электрооборудования входит по меньшей мере один датчик температуры воздуха, жидкости или составной части самоходной машины, а также контроллер, приспособленный для управления приводом вентилятора или насоса в зависимости от выходного сигнала этого датчика.

10. Самоходная машина по п. 9, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере один регулирующий клапан, приспособленный для изменения направления движения или величины потока воздуха или жидкости, а контроллер системы электрооборудования выполнен с возможностью управления этим клапаном в зависимости от выходного сигнала датчика температуры.

11. Самоходная машина по п. 1, отличающаяся тем, что система электрооборудования содержит по меньшей мере один контроллер АКБ, выполненный с возможностью управления зарядом и разрядом тяговой и дополнительной АКБ.

12. Самоходная машина по п. 1, отличающаяся тем, что тяговая и дополнительная АКБ выполнены с возможностью их параллельного соединения непосредственно или через по меньшей мере одно защитное или коммутационное устройство.

13. Самоходная машина по п. 12, отличающаяся тем, что тяговая и дополнительная АКБ выполнены с возможностью их заряда в режиме постоянного напряжения.

14. Самоходная машина по п. 1, отличающаяся тем, что АКБ низковольтной части системы электрооборудования реализована с характеристиками, обеспечивающими возможность ее использования в качестве дополнительной АКБ.

15. Самоходная машина по п. 1 или 14, отличающаяся тем, что система электрооборудования содержит преобразователь напряжения, выполненный с возможностью обмена электрической энергией между тяговой и дополнительной АКБ.

16. Самоходная машина по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит батарею суперконденсаторов, которая непосредственно или через реверсивный преобразователь напряжения подключена к тяговой или дополнительной АКБ.

17. Самоходная машина по п. 1, отличающаяся тем, что энергоагрегат выполнен в виде батареи топливных элементов или двигателя внутреннего сгорания (ДВС), электрического генератора, механически соединенного с ДВС, и контроллера энергоагрегата, выполненного с возможностью управления генератором и/или ДВС, а также с возможностью выпрямления выходного напряжения электрического генератора в случае необходимости.