СИСТЕМА И СПОСОБ ПОДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ К ТРАНСПОРТНОМУ СРЕДСТВУ ДЛЯ ГОРНЫХ РАБОТ И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ГОРНЫХ РАБОТ Российский патент 2021 года по МПК B60L50/53 B60L53/14 B60L58/19 H02J1/08 H02J7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системе и способу подачи электрической энергии к транспортному средству для горных работ и к транспортному средству для горных работ.

Уровень техники

Транспортные средства для подземных горных работ требуют большой мощности во время их эксплуатации. Если электрическая энергия используется для питания транспортных средств для горных работ, уровень напряжения компонентов не должен быть очень высоким, поскольку высокий уровень напряжения требует больших зазоров и изоляций, например. Это ведет к большим, усложненным и дорогостоящим компонентам. Типично, транспортные средства для горных работ должны, однако, быть компактными, насколько возможно. С другой стороны, более низкий уровень напряжения является причиной того, что токи в системе растут. Высокий ток требует толстых проводников, например, в системе питания и в транспортном средстве для горных работ, тем самым, повышая затраты.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является предоставление новой системы, способа и транспортного средства для горных работ. Изобретение характеризуется тем, что излагается в независимых пунктах формулы изобретения. Некоторые варианты осуществления изобретения описываются в зависимых пунктах формулы изобретения.

В настоящем решении электрическая энергия подается к транспортному средству для горных работ с помощью системы, содержащей биполярный LVDC-источник питания, имеющий заданное полное напряжение. Транспортное средство для горных работ содержит по меньшей мере первый энергоблок и второй энергоблок. Первый энергоблок соединяется с частью указанного заданного полного напряжения, а второй энергоблок соединяется с другой частью указанного заданного полного напряжения. Таким образом, компоненты первого и второго энергоблока должны выдерживать уровень напряжения, который является лишь частью полного напряжения. Однако, биполярный LVDC-источник питания подает мощность с полным напряжением к транспортному средству для горных работ, в результате чего, подаваемая мощность может быть высокой, хотя ток является умеренным.

Согласно варианту осуществления, биполярный LVDC-источник питания содержит положительный полюс и отрицательный полюс и нейтральную точку между положительным полюсом и отрицательным полюсом. Первый энергоблок может быть подключен между положительным полюсом и нейтральной точкой, а второй энергоблок может быть подключен между отрицательным полюсом и нейтральной точкой. Таким образом, баланс напряжения является надежным в транспортном средстве для горных работ.

Согласно другому варианту осуществления, биполярный LVDC-источник питания содержит первый преобразователь и второй преобразователь, соединенные последовательно. Преобразователи могут быть использованы для сохранения напряжения, сбалансированного в обеих половинах транспортного средства для горных работ. Является возможным размещать нейтральную точку между первым и вторым преобразователями.

Согласно другому варианту осуществления, первый энергоблок и второй энергоблок содержат тяговые моторы транспортного средства для горных работ.

Согласно другому варианту осуществления, первый энергоблок и второй энергоблок содержат аккумуляторы, и транспортное средство для горных работ содержит соединительное средство и блок управления. Блок управления может быть выполнен с возможностью соединения аккумуляторов параллельно в режиме привода и выполнен с возможностью соединения аккумуляторов последовательно в режиме заряда. В режиме привода соединение параллельно означает, что уровень напряжения, требуемый для DC-шины транспортного средства и компонентов в транспортном средстве, является скорее низким. В режиме заряда подается более высокое зарядное напряжение. Это предоставляет возможность использования простого и дешевого соединения типа штепсельной розетки и меньшие и более легкие кабели для быстрой зарядки с помощью высокой мощности.

Краткое описание чертежей

В последующем описание будет описано более подробно посредством вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

Фиг. 1 - это схема электрической системы транспортного средства для горных работ;

Фиг. 2 - это схема, показывающая, как соединять аккумуляторы транспортного средства для горных работ;

Фиг. 3 - это схема другой электрической системы транспортного средства для горных работ; и

Фиг. 4 - это схема другого варианта осуществления того, как соединять аккумуляторы транспортного средства для горных работ.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Фиг. 1 показывает схему электрической системы транспортного средства для горных работ. Транспортное средство для горных работ может быть самосвалом, LHD (погрузочно-доставочным транспортным средством), грузовым автомобилем для подземных горных работ или буровой установкой, например.

Ссылочный номер 1 изображает биполярный LVDC (постоянный ток низкого напряжения) источник питания. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, полное напряжение биполярного LVDC-источника питания равно 1500 В. Однако, полное напряжение может быть ниже или выше этого, таким как 400 В, 800 В, 1000 В или 5 кВ. Однако, уровень напряжения 1500 В или менее является полезным, поскольку такой уровень напряжения все еще считается низким напряжением согласно правилам IEC и директиве Европейского Союза 2014/35/EU, т.е., директиве по низковольтным устройствам, например. Более высокое напряжение приведет в результате к требованиям с более значительными зазорами и т.д., ведущими к более крупным, усложненным и дорогостоящим компонентам.

Транспортное средство для горных работ содержит соединители 2a и 2b для соединения транспортного средства для горных работ с биполярным LVDC-источником питания 1. Соединители 2a и 2b могут быть токосъемными соединениями, соединяющими транспортное средство для горных работ с контактной сетью, например. Дополнительно, соединители 2a и 2b могут быть зарядным соединителем/ блоком сопряжения зарядного устройства, например. Соединители 2a и 2b могут быть отдельными соединителями или соединены с одним и тем же зарядным соединителем/блоком сопряжения.

Ссылочные номера 3a, 3b и 3c изображают DC-шину транспортного средства для горных работ. 3a - это сборная шина положительного полюса, 3b - это сборная шина отрицательного полюса, и 3c - это нейтраль или сборная шина 0 В. Полное напряжение биполярного LVDC-источника питания делится на две половины, которые являются по существу равными. Таким образом, если суммарное напряжение биполярного LDVC-источника равно 1500 В, например, в транспортном средстве для горных работ полное напряжение делится на две половины, чтобы содержать уровни +750 В, 0 В и -750 В.

Транспортное средство для горных работ содержит первый тяговый аккумулятор 4a и второй тяговый аккумулятор 4b. Тяговые аккумуляторы 4a и 4b могут быть использованы в качестве источника питания, когда транспортное средство для горных работ используется без контакта с внешним источником питания, таким образом, за пределами контактной линии, например.

Для соединения тяговых аккумуляторов 4a, 4b с DC-шиной транспортного средства для горных работ могут быть использованы DC/DC-преобразователи 5a, 5b. Первый тяговый аккумулятор 4a соединяется с первой частью полного напряжения, а второй тяговый аккумулятор 4b соединяется с другой частью полного напряжения.

DC/DC-преобразователи 5a, 5b необязательно существуют для соединения тяговых аккумуляторов 4a, 4b с DC-шиной транспортного средства для горных работ. Это тот случай, когда внешнее зарядное устройство используется при условии, что само зарядное устройство регулирует свое напряжение, например.

Транспортное средство для горных работ дополнительно содержит первый тяговый мотор 6a и второй тяговый мотор 6b. Транспортное средство для горных работ может содержать два отдельных привода на тяговых моторах, по одному приводу от тягового мотора на ось. Два привода на тяговых моторах могут также быть соединены вместе в суммирующую передачу.

Первый тяговый мотор 6a соединяется с первой частью полного напряжения, а второй тяговый мотор 6b соединяется с другой частью полного напряжения. Тяговые моторы 6a и 6b соединяются с DC-шиной транспортного средства для горных работ с помощью инверторов 7a и 7b.

Согласно варианту осуществления, транспортное средство для горных работ может содержать множество моторов в колесных ступицах, т.е., множество тяговых моторов. Каждое колесо может содержать мотор в колесной ступице. В таком случае, четырехколесное транспортное средство для горных работ содержит четыре мотора в колесных ступицах или тяговых мотора, например. Если транспортное средство для горных работ содержит более четырех колес, транспортное средство для горных работ может содержать более четырех моторов в колесных ступицах. Транспортное средство для горных работ может также содержать нечетное число моторов в колесных ступицах. В транспортном средстве для горных работ первый энергоблок, соединенный с частью указанного заданного полного напряжения биполярного LVDC-источника питания, может содержать один или более тяговых моторов, таких как моторы в колесных ступицах, а второй энергоблок, соединенный с другой частью указанного заданного полного напряжения биполярного LVDC-источника питания, может содержать один или более тяговых моторов, таких как моторы в колесных ступицах.

Транспортное средство для горных работ дополнительно содержит первый тормозной резистор 8a и второй тормозной резистор 8b. Тормозные резисторы 8a и 8b могут быть соединены с DC-стороной инверторов 7a и 7b.

Является преимущественным поддержание напряжения, сбалансированного в обеих половинах. Когда транспортное средство для горных работ отсоединяется от LVDC-источника питания, и энергия подается от аккумуляторов, является возможным, что тяговые моторы 6a и 6b испытывают разные нагрузки в одно и то же время, что может вызывать дисбаланс напряжения в DC-шине. Этот дисбаланс напряжения может быть предотвращен или уменьшен с помощью DC/DC-преобразователей 5a и 5b, соединенных с каждой половиной DC-шины и заряжающих и разряжающих аккумуляторы 4a и 4b.

Дополнительно, тормозные резисторы 8a и 8b могут быть переключены на каждую из половин DC-шины, чтобы поддерживать симметрию напряжения. Тормозные резисторы 8a и 8b могут быть использованы для поддержания симметрии напряжения во время движения вниз по склону, в частности.

Фиг. 2 показывает схему того, как соединять аккумуляторы транспортного средства для горных работ. Электрическая система транспортного средства для горных работ может содержать два или более четных по количеству аккумуляторов. В режиме привода транспортного средства для горных работ аккумуляторы соединяются параллельно. В режиме заряда транспортного средства для горных работ аккумуляторы соединяются последовательно.

Контакторы K1, K2, K4, K5, K6, K7 и K8 являются соединительными средствами, которые используются для обеспечения соединения параллельно и соединения последовательно. Контактор K1 является зарядным контактором положительного полюса, а контактор K2 является зарядным контактором отрицательного полюса. Контакторы K4 и K6 используются для отсоединения положительного полюса для зарядных сборных шин. Контакторы K5 и K7 используются для отсоединения отрицательного полюса для зарядных сборных шин. Контактор K8 является устройством соединения нейтрального полюса для зарядных сборных шин.

Блок 9 управления управляет контакторами. Энергия аккумулятора для использования берется с выхода 9 режима привода, изображенного на фиг. 2.

Обращаясь к фиг. 2, в то время как аккумуляторы являются параллельно соединенными, зарядные контакторы K1 и K2 являются разомкнутыми (не приведены в контакт), контакторы K4, K5, K6 и K7 являются замкнутыми (приведены в контакт), а K8 является разомкнутым (не приведен в контакт).

Чтобы подготавливать аккумуляторы для биполярного заряда, контакторы K4, K5, K6 и K7 размыкаются (прерывают контакт), после чего контактор K8 замыкается (устанавливает контакт). Когда зарядка начинается, контакторы K1 и K2 замыкаются (устанавливают контакт).

Следует отметить, что биполярный заряд аккумуляторов необязательно требует подключения нейтральной точки от зарядной системы, поскольку аккумуляторы обычно соединены параллельно и совместно используют одинаковое SOC и напряжение. Нейтральная точка N находится при 0 В по своей природе.

Фиг. 3 показывает решение, аналогичное показанному на фиг. 1, но с улучшением, относящимся к балансу напряжения. В дополнение к соединителю 2a положительного полюса и соединителю 2b отрицательного полюса, транспортное средство для горных работ содержит соединитель 2c нейтральной точки. Соединитель 2c нейтральной точки соединяет центральную линию или 0 В или нейтральную точку биполярного LVDC-источника питания 1 с транспортным средством для горных работ.

Улучшенный баланс напряжения с помощью нейтральной точки в LVDC-источнике питания является особенно полезным, если транспортное средство для горных работ содержит нечетное число тяговых моторов, например. Дополнительно, балансировка может быть выполнена с помощью тормозных резисторов 8a, 8b и/или DC/DC-преобразователей 5a, 5b.

Биполярный LVDC-источник питания 1 снабжается энергией от электрической сети 11. Биполярный LVDC-источник питания 1 может содержать трансформатор 12. На фиг. 3 трансформатор 12 содержит две вторичные обмотки 12a, 12b. Согласно варианту осуществления число вторичных обмоток трансформатора 12 равно одному. Согласно другому варианту осуществления число вторичных обмоток трансформатора 12 больше двух.

Биполярный LVDC-источник питания 1 дополнительно содержит первый преобразователь 13a и второй преобразователь 13b. Первый преобразователь 13a и второй преобразователь 13b соединяются последовательно, в результате чего, нейтральная точка размещается между первым и вторым преобразователями. Таким образом, центральная линия транспортного средства для горных работ эффективно балансируется, и, таким образом, баланс напряжения поддерживается на высоком уровне.

Вместо преобразователей последовательно, как показано на фиг. 3, биполярный LVDC-источник питания с нейтральной точкой может также быть предоставлен с помощью одного преобразователя. В таком случае преобразователь может быть трехуровневым NPC (с фиксированной нейтральной точкой) инвертором, например.

Фиг. 4 показывает решение, когда улучшение, касающееся баланса напряжения, реализуется способом, аналогичным решению на фиг. 3. В дополнение к зарядному контактору K1 положительного полюса и зарядному контактору K2 отрицательного полюса транспортное средство для горных работ содержит зарядный контактор K3 нейтрального полюса.

В решении, показанном на фиг. 2, другие уровни напряжения в аккумуляторах 4a и 4b будут причиной того, что точка между аккумуляторами не будет нейтральной (0 В). Однако, решение, показанное на фиг. 4, предоставляется для баланса напряжения и, таким образом, защищает само зарядное устройство, например.

Согласно варианту осуществления транспортное средство для горных работ может содержать трехуровневый NPC-инвертор или любой другой многоуровневый инвертор для привода мотора, имеющего более высокий уровень напряжения. Такой мотор может быть подключен между положительным полюсом и отрицательным полюсом и возможно с нейтральным полюсом также.

Таким образом, энергоблок может быть подключен между положительным полюсом и отрицательным полюсом с нейтральным соединением, использующим трехуровневый NPC-инвертор, например. Если такой энергоблок является биполярным по существу и содержит нейтральную точку, или он содержит компоненты, соединенные последовательно, через которые напряжение делится естественным образом, компоненты энергоблока должны выдерживать только более низкое напряжение. Таким образом, энергоблок, подключенный к части указанного заданного полного напряжения, может содержать тяговый мотор и/или аккумулятор и/или любой другой электрический компонент.

Специалисту в области техники будет понятно, что, поскольку технология развивается, идея изобретения может быть реализована различными способами. Изобретение и его варианты осуществления не ограничиваются примерами, описанными выше, но могут изменяться в рамках формулы изобретения.

Группа изобретений относится к подаче электроэнергии к электрическим тяговым системам транспортных средств. Система для подачи электрической энергии к транспортному средству для горных работ содержит биполярный LVDC-источник питания и транспортное средство для горных работ, содержащее по меньшей мере первый энергоблок и второй энергоблок. При этом биполярный LVDC-источник питания имеет заданное полное напряжение и содержит положительный полюс и отрицательный полюс и нейтральную точку между положительным полюсом и отрицательным полюсом. Причем первый энергоблок подключен между положительным полюсом и нейтральной точкой, а второй энергоблок подключен между отрицательным полюсом и нейтральной точкой. При этом биполярный LVDC-источник питания содержит первый преобразователь и второй преобразователь, соединенные последовательно, при этом нейтральная точка размещена между первым и вторым преобразователями. Также заявлены способ подачи электрической энергии и транспортное средство для горных работ. Технический результат заключается в возможности подачи высокой мощности при умеренном токе. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для подачи электрической энергии к транспортному средству для горных работ, содержащая биполярный LVDC-источник питания, имеющий заданное полное напряжение и содержащий положительный полюс и отрицательный полюс и нейтральную точку между положительным полюсом и отрицательным полюсом, при этом полное напряжение делится на две половины, которые являются по существу равными, и транспортное средство для горных работ, содержащее по меньшей мере первый энергоблок и второй энергоблок, причем первый энергоблок подключен между положительным полюсом и нейтральной точкой, а второй энергоблок подключен между отрицательным полюсом и нейтральной точкой;

отличающаяся тем, что

биполярный LVDC-источник питания дополнительно содержит первый преобразователь и второй преобразователь, соединенные последовательно, при этом нейтральная точка размещена между первым и вторым преобразователями для сохранения напряжения сбалансированным в указанных двух половинах.

2. Система по п. 1, в которой первый энергоблок и второй энергоблок содержат тяговые моторы транспортного средства для горных работ.

3. Система по п. 1 или 2, в которой первый энергоблок и второй энергоблок содержат аккумуляторы, транспортное средство для горных работ содержит соединительное средство и блок управления, причем блок управления выполнен с возможностью соединения аккумуляторов параллельно в режиме привода и с возможностью соединения аккумуляторов последовательно в режиме заряда.

4. Способ подачи электрической энергии к транспортному средству для горных работ, содержащему по меньшей мере первый энергоблок и второй энергоблок, при этом способ включает в себя этапы, на которых подают электрическую энергию к транспортному средству для горных работ от биполярного LVDC-источника питания, имеющего заданное полное напряжение и содержащего положительный полюс и отрицательный полюс и нейтральную точку между положительным полюсом и отрицательным полюсом, причем полное напряжение делится на две половины, которые являются по существу равными, подключают первый энергоблок к части указанного заданного полного напряжения и подключают второй энергоблок к другой части указанного заданного полного напряжения, при этом первый энергоблок подключают между положительным полюсом биполярного LVDC-источника питания и нейтральной точкой биполярного LVDC-источника питания, а второй энергоблок подключают между отрицательным полюсом биполярного LVDC-источника питания и нейтральной точкой;

отличающийся тем, что биполярный LVDC-источник питания образован посредством соединения первого преобразователя и второго преобразователя последовательно и размещения нейтральной точки между первым и вторым преобразователем для сохранения напряжения сбалансированным в указанных двух половинах.

5. Способ по п. 4, в котором первый энергоблок и второй энергоблок содержат тяговые моторы транспортного средства для горных работ.

6. Способ по п. 4 или 5, в котором первый энергоблок и второй энергоблок содержат аккумуляторы, причем аккумуляторы соединяют параллельно в режиме привода, и аккумуляторы соединяют последовательно в режиме заряда.

7. Транспортное средство для горных работ, содержащее по меньшей мере первый энергоблок, второй энергоблок и соединительное средство для соединения первого и второго энергоблоков с биполярным LVDC-источником питания, содержащим положительный полюс и отрицательный полюс и нейтральную точку между положительным полюсом и отрицательным полюсом, причем полное напряжение делится на две половины, которые являются по существу равными, при этом первый энергоблок подключен к половине указанного заданного полного напряжения, а второй энергоблок - к другой половине указанного заданного полного напряжения биполярного LVDC-источника питания;

отличающееся тем, что

биполярный LVDC-источник питания дополнительно содержит первый преобразователь и второй преобразователь, соединенные последовательно, причем нейтральная точка размещена между первым и вторым преобразователями для сохранения напряжения сбалансированным в указанных двух половинах.

8. Транспортное средство для горных работ по п. 7, в котором соединительное средство содержит соединитель положительного полюса, соединитель нейтральной точки и соединитель отрицательного полюса для подключения первого энергоблока между положительным полюсом и нейтральной точкой и второго энергоблока между отрицательным полюсом и нейтральной точкой.

9. Транспортное средство для горных работ по п. 7 или 8, в котором первый энергоблок и второй энергоблок содержат тяговые моторы транспортного средства для горных работ.

10. Транспортное средство для горных работ по любому одному из пп. 7-9, в котором первый энергоблок и второй энергоблок содержат аккумуляторы, причем транспортное средство для горных работ содержит соединительное средство и блок управления, при этом блок управления выполнен с возможностью соединения аккумуляторов параллельно в режиме привода и с возможностью соединения аккумуляторов последовательно в режиме заряда.