Преобразователь напряжения для водородной системы энергоснабжения транспортного средства Российский патент 2023 года по МПК B60L1/00 H02M3/00 B60L50/75 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразователям постоянного напряжения, преобразующего выходное напряжение системы энергоснабжения на основе водород-воздушных топливных элементов до уровня высоковольтной цепи электромобиля и управляющего процессом работы системы энергоснабжения высокоавтоматизированного транспортного средства.

Уровень техники

Из уровня техники известно большое количество видов преобразователей энергии для разных применений.

Известен инвертор напряжения (RU 2675726 С1, B60L 1/00, опубл. 24.12.2018), который содержит дроссель и систему управления, две преобразовательные ячейки, включенные последовательно с дросселем. Преобразовательные ячейки выполнены по двухступенчатой схеме: первая ступень выполнена по схеме трехуровневого повышающего регулятора напряжения, содержащего два силовых ключа, два диода, два конденсатора, образующих емкостный делитель напряжения, а вторая ступень является полумостовым резонансным преобразователем, где в качестве силовых ключей используется пара последовательно включенных полупроводниковых ключей, нагрузкой полумостовых резонансных преобразователей являются первичные обмотки одного общего трансформатора, выходные обмотки трансформатора нагружены на выпрямители, выходы которых соединены параллельно.

Недостатками описанного технического решения является то, что в силовой части содержится большое количество полупроводниковых диодов и транзисторов, а также моточных изделий, что в свою очередь ухудшает итоговый коэффициент полезного действия (КПД) и массогабаритные параметры устройства. Также к недостаткам относится отсутствие измерителей входного тока, которые необходимы для контроля и управления электрохимическими процессами в водород-воздушных топливных элементах, что, в свою очередь, сужает область применения данного устройства.

Известно изобретение «Преобразователь напряжения с защитой ключей» (RU 2549526 С2, G05F 1/00, опубл. 27.04.2015) предназначенное для обеспечения электроэнергией различных нагрузок и работающее от источника постоянного напряжения, содержащее устройство управления для повышения защищенности устройства при различных авариях. Преобразователь содержит повышающий регулятор на основе двух ключей и двух диодов, датчик входного напряжения, датчик входного тока, контактор, входной ключ, к силовым выводам которого подключен резистор, конденсатор и обмотку трансформатора в диагонали DC/DC преобразователя, датчик напряжения на выходе повышающего регулятора.

Недостатками описанного технического решения являются: наличие двух каскадов преобразования для обеспечения гальванической развязки входных цепей и выходных, а также большое количество полупроводниковых приборов и пассивных компонентов для обеспечения требуемой последовательности переключения схемы для обеспечения задуманного уровня защиты силовых транзисторов. Этими особенностями обусловлено усложнение системы управления и ухудшение массогабаритных характеристик и КПД устройства.

Известен статический преобразователь напряжения (RU 2762338 C1, H02M 3/337, опубл. 20.12.2021), содержащий конденсатор на входе с подключенным к нему дросселем, образующие область постоянного тока; к выходу дросселя подключены два соединенных последовательно трехуровневых повышающих преобразователя, нагруженных каждый на свой полумостовой инвертор напряжения. Каждый из этих повышающих преобразователей и подключенный к нему инвертор напряжения выполнены из IGBT-модулей и силовых конденсаторов. Между средней точкой силовых конденсаторов повышающего преобразователя и средней точкой силовых ключей, подключенного к нему инвертора напряжения, расположены последовательно резонансный конденсатор, резонансный дроссель и первичная обмотка общего силового высоковольтного трансформатора, образующие последовательный резонансный контур. Система управления выдает сигналы управления либо на IGBT-модули повышающего преобразователя, либо на силовые ключи полумостового инвертора напряжения, в зависимости от режима работы.

Недостатками описанного технического решения являются: наличие нескольких каскадов преобразования для обеспечения гальванической развязки входных цепей и выходных и для обеспечения обратимости преобразования, а также большое количество полупроводниковых приборов и моточных элементов, что ухудшает массогабаритные показатели и КПД. Также недостатком является отсутствие системы управления для контроля и регулирования напряжения, получаемого с водород-воздушных топливных элементов, что, в свою очередь, сужает область применения данного устройства.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание DC/DC преобразователя напряжения с системой управления и мощностью 5 кВт для повышения выходного напряжения водородной системы энергоснабжения (СЭС) в составе высокоавтоматизированного транспортного средства (ВАТС).

Техническим результатом заявляемого изобретения является преобразование выходного напряжения водородной системы энергоснабжения в высокое постоянное напряжение бортовой сети, что позволяет расходовать энергию для нужд ВАТС и в то же время повышать уровень заряда аккумуляторной батареи.

Указанный технический результат достигается с помощью заявленного преобразователя напряжения для водородной системы энергоснабжения транспортного средства, состоящего из корпуса, который содержит выключатель нагрузки с подключенным к нему резистором предзаряда и дросселем, образующие звено постоянного тока, при этом к выходу дросселя подключены датчик тока и диод, являющиеся составной частью IGBT-модуля, причем с IGBT-модулем соединена буферная ёмкость на выходе и диод, составляющие выходной каскад преобразователя, и датчик тока для контроля выходного напряжения, кроме того, перед выходом из преобразователя напряжения установлена плавкая вставка в качестве предохранительного устройства для размыкания цепи при необходимости, при этом контроллер преобразователя напряжения имеет подключение к системе управления, образованной платами управления, по меньшей мере, двух топливных элементов, информация с которых собирается на главной плате управления водород-воздушного топливного элемента, а также связь с внешней системой управления для обмена данными, кроме того, к контроллеру преобразователя напряжения подключен драйвер IGBT, при помощи которого производится управление IGBT-модулем повышающего DC/DC преобразователя напряжения.

Предпочтительно, к преобразователю напряжения подключена аккумуляторная батарея (энергия которой используется на нужды ВАТС) для использования на высокоавтоматизированном транспортном средстве.

Применяемое в данном устройстве техническое решения реализуется за счет наличия системы автоматизированного управления, которая позволяет выполнять следующие функции: измерение тока и напряжений на входе и выходе преобразователя напряжения, регулирование тока дросселя, поддержание заданной величины напряжения на выходе преобразователя, защитное отключение транзистора при превышении напряжений или токов допустимых значений, регулирование тока, потребляемого от водородной системы энергоснабжения по установленной команде, обмен данными, получение и выдача дискретных сигналов для взаимодействия с внешней системой управления и платами управления топливных элементов в составе СЭС.

Краткое описание чертежей

На Фигуре 1 изображена электрическая схема строения источника собственных нужд, где:

1. Система управления СЭС

2. Аккумуляторная батарея ТЭ

3. Входной выключатель нагрузки

4. Резистор предзаряда

5. Буферная емкость на входе

6. Датчик напряжения

7. Датчик тока

8. Дроссель

9. Повышающий преобразователь

10. Диод ограничения обратного тока

11. Буферная емкость на выходе

12. Плавкая вставка

13. Контроллер преобразователя напряжения

На Фигуре 2 изображена функциональная схема строения источника собственных нужд, где:

1. Система управления СЭС

2. Аккумуляторная батарея ТЭ

3. Входной выключатель нагрузки

4. Резистор предзаряда

5. Буферная емкость на входе

6. Датчик напряжения

7. Датчик тока

8. Дроссель

9. Повышающий преобразователь

10. Диод ограничения обратного тока

11. Буферная емкость на выходе

12. Плавкая вставка

13. Контроллер преобразователя напряжения

14. Модуль IGBT

15. Драйвер IGBT

16. Обратно-параллельный диод IGBT-транзистора

17. Выходной диод преобразователя

DC/DC преобразователь напряжения имеет корпус, в котором расположены входной выключатель нагрузки (3) с подключенным к нему резистором предзаряда (4) и дросселем (8), образующие звено постоянного тока. Для накопления энергии установлена буферная емкость на входе (5), а контроль величины напряжения осуществляется посредством датчика напряжения (6). К выходу дросселя (8) подключены датчик тока (7) и IGBT-транзистор повышающего преобразователя (9) и диод для обеспечения альтернативного пути протекания тока в такте отдачи мощности в нагрузку (10), образующие IGBT-модуль (14). С IGBT-модулем (14) соединена буферная емкость на выходе (11) и датчик (6) для контроля выходного напряжения. Обратно-параллельный диод IGBT-транзистора и сам транзистор не участвуют в преобразовании энергии (16), а выходной диод (17) выполняет разделительную функцию нагрузки и выхода повышающего каскада. Перед выходом из преобразователя напряжения установлена плавкая вставка (12) в качестве предохранительного устройства для размыкания цепи при необходимости.

Контроллер преобразователя напряжения (13) имеет подключение к системе управления СЭС (1), образованной платами контроля каждого топливного элемента, информация с которых собирается на главной плате управления ТЭ, и связь с внешней системой управления для обмена данными по интерфейсу CAN/RS-485 (состояние водород-воздушных топливных элементов, преобразователя напряжения, передача команд на включение и выключение топливных элементов). Управление IGBT-модулем (14) повышающего преобразователя происходит с помощью драйвера IGBT (15) также подключенного к контроллеру преобразователя напряжения (13). Для компенсации недостатка электроэнергии имеется подключение аккумуляторной батареи ТЭ (2) к преобразователю напряжения, при этом управление аккумуляторными батареями осуществляется системой управления СЭС (1).

Осуществление изобретения

При подаче питания 24 В на преобразователь напряжения происходит инициализация системы управления, устройство находится в режиме «POWERUP». В этом режиме преобразователь напряжения ожидает появление связи с водород-воздушными топливными элементами, входящими в состав системы энергоснабжения, данные поступают с главной платы управления (ГПУ), располагающейся на первом топливном элементе, данные содержат объединенную информацию о пяти топливных элементах. В случае наличия связи с СЭС преобразователь напряжения переходит в режим «STANDBY», в котором ожидает команду на запуск от платы управления (BMS) тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ).

При поступлении команды «READY TO CHARGE» от BMS на запуск, в случае отсутствия ошибок, преобразователь напряжения отправляет команду на включение каждого топливного элемента и переходит в режим STARTUP. В данном режиме в течение максимум 45 секунд ожидается сигнал от топливного элемента об успешном запуске, происходит активация каждого из топливных элементов и контроль аварийных состояний, при отсутствии аварий, платы управления передают в преобразователь сигнал «активен». После его получения и окончания заряда входного конденсатора преобразователя напряжения, осуществляется замыкание реле, шунтирующего входной зарядный резистор, и переход в режим «READY».

При отсутствии ошибок и при наличии сигнала разрешения заряда от BMS, преобразователь напряжения подаёт сигнал на силовую часть и начинает работать в качестве регулятора тока. На начальном этапе устройство переходит в режим «CHARGING_START», в котором в течение 60 сек плавно линейно увеличивает значение тока, потребляемого от топливных элементов, начиная с 5 А. После этого в устройстве устанавливается режим «CHARGING».

Алгоритм поддержания постоянного тока стремится достичь значение в 30 А, если нет ограничивающих факторов. Для поддержания значения потребляемого тока используется медленный пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор). При работе ПИ-регулятора используются ограничения по напряжению. Реализован дополнительный алгоритм, сравнивающий минимальное среди пяти напряжений топливных элементов и нормальное напряжение топливных элементов равное 32,5 В. Если минимальное напряжение среди элементов больше 32,5 В, преобразователь плавно увеличивает значение потребляемого тока, если меньше – снижает. При этом верхняя граница потребляемого тока соответствует внешнему заданию (с точки зрения системы управления) потребляемого тока и находится в диапазоне 5...30 А.

Если при работе регулятора тока хотя бы одно из напряжений топливных элементов снижается до предельного уровня 30 В и не превышает его в течение 5 сек, преобразователь напряжения осуществляет аварийную остановку. Кроме того, аварийная остановка осуществляется в случае наличия любой из ошибок топливных элементов, которая не была сброшена в течение 5 сек.

Инициатором остановки устройства могут быть BMS или система управления СЭС (подобный CAN протокол передаётся по интерфейсу RS-485). Алгоритм останова:

1) Отключается сигнал на работу силовой части

2) Посылается сигнал на отключение топливных элементов

3) Размыкается реле, шунтирующее зарядный резистор

Если аварийная остановка была осуществлена по причине одной из ошибок, через пять секунд преобразователь напряжения пытается перезапуститься: сбрасывает ошибку, переходит в режим ожидания «WAIT» длительностью 10 сек, в течение которого проверяет отсутствие вновь возникших ошибок, после чего, в случае наличия разрешения от BMS, осуществляет запуск. В случае повторного возникновения ошибок, алгоритм останова и повторного запуска повторяется снова до тех пор, пока не будут совершены три неудачные попытки.

Таким образом, описанное устройство используется как DC/DC преобразователь выходного напряжения системы энергоснабжения на основе водород-воздушных топливных элементов (в диапазоне от 120 до 320 В) в высокое постоянное напряжение бортовой сети ВАТС, равное напряжению тяговой аккумуляторной батареи (от 330 до 380 В).

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на любых наземных беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средствах.

Изобретение относится к преобразователю напряжения для водородной системы энергоснабжения транспортного средства. Преобразователь состоит из: корпуса, контроллера, выключателя нагрузки, резистора предзаряда, дросселя, датчика тока, IGBT-модуля, буферной ёмкости, предохранителя и диодов. К выходу дросселя подключены датчик тока и диод. С IGBT-модулем соединена буферная ёмкость на выходе и диод. Датчик тока служит для контроля выходного напряжения. Перед выходом из преобразователя напряжения установлена плавкая вставка в качестве предохранительного устройства. Контроллер преобразователя напряжения имеет подключение к системе управления, образованной платами управления. Информация с топливных элементов собирается на главной плате управления. К контроллеру преобразователя напряжения подключен драйвер IGBT, при помощи которого производится управление IGBT-модулем повышающего DC/DC преобразователя напряжения. Достигается питание систем транспортного средства при одновременном заряде аккумуляторной батареи. 2 ил.

Преобразователь напряжения для водородной системы энергоснабжения транспортного средства, состоящий из корпуса, содержащего выключатель нагрузки с подключенным к нему резистором предзаряда и дросселем, образующие звено постоянного тока, при этом к выходу дросселя подключены датчик тока и диод, являющиеся составной частью IGBT-модуля, причем с IGBT-модулем соединена буферная ёмкость на выходе и диод, составляющие выходной каскад преобразователя, и датчик тока для контроля выходного напряжения, кроме того, перед выходом из преобразователя напряжения установлена плавкая вставка в качестве предохранительного устройства для размыкания цепи при необходимости, при этом контроллер преобразователя напряжения имеет подключение к системе управления, образованной платами управления по меньшей мере двух топливных элементов, информация с которых собирается на главной плате управления водород-воздушного топливного элемента, а также связь с внешней системой управления для обмена данными, кроме того, к контроллеру преобразователя напряжения подключен драйвер IGBT, при помощи которого производится управление IGBT-модулем повышающего DC/DC преобразователя напряжения.