Преобразователь напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи высокоавтоматизированного беспилотного грузового транспортного средства в низковольтное напряжение постоянного тока для бортовой сети с защитой ключей Российский патент 2024 года по МПК B60K1/04 H02M3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразовательной технике высоких степеней защиты от различных воздействий, которые присутствуют в движущемся беспилотном высокоавтоматизированном электрическом грузовом транспортном средстве (ВАТС), более конкретно к DC-DC преобразователям для преобразования напряжения тяговой аккумуляторной батареи беспилотного высокоавтоматизированного транспортного средства в стабилизированный уровень напряжения для питания бортовой сети 24 Вольта, посредством которой осуществляется поддержание работы слаботочных бортовых потребителей.

Уровень техники

Из уровня техники известно большое количество различных видов преобразователей постоянного напряжения в постоянное с различной топологией, схемотехникой и техническими решениями, обеспечивающими различные особенные уровни защиты в тяжелых условиях применения преобразователей. Решение создания специализированного DC-DC преобразователя, посредством которого осуществляется поддержание работы слаботочных бортовых потребителей ВАТС, имеет ряд преимуществ перед аналогами.

Известно устройство конвертер напряжения для преобразования постоянного напряжения в постоянное (RU 2675726 С1, B60L 1/00, опубл. 24.12.2018), содержащее дроссель и систему управления, к которой подключены контактор и устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения на входе конвертора. Конвертор дополнительно содержит две преобразовательные ячейки, включенные последовательно по входу и последовательно с дросселем, преобразовательные ячейки выполнены по двухступенчатой схеме.

Недостатком данного решения является использование большого количества силовых полупроводниковых приборов и моточных элементов, что усложняет систему управления, уменьшает частоту преобразования и увеличивает массо-габаритные показатели как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом, в результате чего устройство имеет ограниченное применение на транспорте, а именно в условиях транспортных воздействий, возникающих на раме движущегося колесного транспортного средства на дорогах общего пользования.

Известен преобразователь напряжения с защитой ключей (RU 2549526 С2, G05F 1/00, опубл. 27.04.2015), содержащий датчики тока и напряжения, контактор, силовой транзистор, включенный последовательно с контактом контактора и шунтированный резистором, повышающий регулятор на основе двух силовых ключей и двух диодов, DC/DC преобразователь на основе полумоста и двух последовательно включенных конденсаторов, силового трансформатора, выходного выпрямителя, нагруженного на емкость и нагрузку, а также устройство управления.

Недостатками данного технического решения является наличие большого количества силовых ключей, механических контакторов и большого количества измерителей токов и напряжений, что требует также наличия дополнительной вычислительной мощности и усложнения системы управления для сбора, анализа данных и выработки управляющих воздействий.

Известен статический преобразователь для железнодорожного транспорта (RU 2762338 C1, H02M3/337, опубл. 20.12.2021), принятый за прототип, имеющий возможность работать в режиме обратного преобразования, содержащий конденсатор на входе с подключенным к нему дросселем, к выходу которого подключены два соединенных последовательно повышающих преобразователя, нагруженных каждый на свой полумостовой инвертор напряжения, при этом каждый из этих преобразователей и подключенный к нему инвертор напряжения выполнены из IGBT-модулей и силовых конденсаторов, причем каждый силовой ключ полумоста инвертора напряжения состоит, по меньшей мере, из двух последовательно соединенных IGBT-модулей, кроме того, между повышающим преобразователем и инвертором расположены последовательно резонансный конденсатор, резонансный дроссель и первичная обмотка высоковольтного трансформатора, образующие последовательный резонансный контур, вторичная обмотка этого трансформатора подключена в диагональ мостовой схемы, к выходу которой подключен силовой конденсатор.

Недостатком данного решения является избыточная функциональность в виде возможности обратного преобразования, что влечет за собой использование большого количества силовых полупроводниковых приборов и моточных элементов, что усложняет систему управления, уменьшает частоту преобразования и увеличивает массо-габаритные показатели как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом, в результате чего устройство имеет ограниченное применение на транспорте, а именно в условиях транспортных воздействий, возникающих на раме движущегося колесного транспортного средства на дорогах общего пользования.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание преобразователя напряжения DC-DC с защитой ключей для беспилотного высокоавтоматизированного электрического грузового транспортного средства, а именно для питания бортовой сети потребителей беспилотного ВАТС, который способен выдерживать воздействия, возникающие на раме движущегося колесного транспортного средства.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение потребительских качеств устройства за счет уменьшения массо-габаритных показателей изделия и обеспечения требуемого функционала, что, в свою очередь, достигается повышением частоты преобразования, без использования сложных схем преобразования и защиты, с одновременным обеспечением особого дизайна конструкции, который обеспечивает эффективный теплоотвод и высокую устойчивость к механическим воздействиям.

Вышеприведенный технический результат достигается при помощи заявленного преобразователя напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи высокоавтоматизированного беспилотного транспортного средства в низковольтное напряжение постоянного тока для бортовой сети с защитой ключей, содержащего силовые ключи, располагающиеся внутри влагозащищенного корпуса, в качестве которых используются высокочастотные силовые полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC), которые, в свою очередь, припаяны своим теплоотводом (сток) на сквозную металлизацию силовой платы и через припаянную к плате с обратной стороны изолирующую керамическую подложку с металлизацией обеспечивают теплоотвод непосредственно на поверхность одной из сторон влагозащищенного корпуса, который является теплообменным радиатором, кроме того, внутри влагозащищенного корпуса установлены трансформатор, дроссели и универсальные платы системы управления со встроенными измерителями параметров схемы (входного/выходного тока, входного/выходного напряжения, измерителями температуры ключей и моточных компонентов) и CAN-интерфейсом для обмена данными с устройством верхнего уровня.

Заявленное техническое решение позволяет контролировать и отслеживать основные параметры состояния каждого силового элемента преобразователя, обеспечивать стабилизированным уровнем электропитания все бортовые потребители ВАТС. Применяемые технические решения по моточным компонентам и по дизайну теплоотвода позволяют эффективно отвести тепло от элементов преобразователя, одновременно обеспечивая высокие степени защиты от атмосферных воздействий, химических воздействий и механических воздействий в виде вибрации.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, где:

1 - аккумуляторная батарея ВАТС;

2 - источник собственных нужд;

3 - входной дроссель;

4 - выходной дроссель;

5 - входной конденсатор;

6 - выходной конденсатор;

7 - силовые транзисторы со встроенными обратными диодами;

8 - силовой диод;

9 - входной датчик тока;

10 - выходной датчик тока;

11 - датчики температуры;

12 - плата драйверов;

13 - плата управления;

14 - трансформатор;

15 - нагрузка.

На фиг. 2 показан способ крепления транзисторов внутри корпуса преобразователя, где:

16 - корпус силового транзистора;

17 - диэлектрические подложки.

В данном преобразователе использовались карбид-кремниевые транзисторы поверхностного монтажа. Они напаиваются на верхнюю часть силовой платы. Для достижения достаточного теплоотвода от силовых транзисторов, были использованы диэлектрические подложки из нитрида алюминия с медным напылением с одной стороны (фиг. 2).

На фиг. 3 изображены диэлектрические подложки из нитрида алюминия с медным напылением

Данный материал обладает высокими диэлектрическими и эксплуатационными свойствами, а медное напыление позволяет напаять эти подложки напрямую на медный полигон, на нижней стороне платы, который соединен теплопроводящими переходными отверстиями с верхней стороной (фиг. 3).

На фиг. 4 изображены подложки, напаянные на медный полигон, на нижней стороне платы.

Осуществление изобретения

Импульсный DC/DC преобразователь представляет собой устройство, которое преобразует входное постоянное напряжение в диапазоне от 335 до 370 В, в пониженное постоянное выходное напряжение в диапазоне от 21 до 30 В.

Питающее напряжение поступает на вход преобразователя от аккумуляторной батареи ВАТС (1). Источник собственных нужд (2) питает плату драйверов (12) и плату управления (13). Плата управления (13) формирует прямоугольные противофазные импульсы управления для силовых транзисторов со встроенными обратными диодами (7), установленными по диагонали. Плата драйверов (12) усиливает импульсы управления по току и напряжению, которые поступают на затворы транзисторов, относительно истоков. Входной дроссель (3) и входной конденсатор (5) образуют входной Г-образный фильтр для уменьшения пульсаций во входном напряжении. Силовые транзисторы со встроенными обратными диодами (7) преобразуют постоянное напряжение в высокочастотное переменное, которое поступает на вход трансформатора (14). Трансформатор (14) понижает напряжение, после чего оно выпрямляется быстровосстанавливающимися силовыми диодами (8). Выходной дроссель (4) и выходной конденсатор (6) образуют выходной Г-образный фильтр для сглаживания выпрямленного напряжения. Датчики тока (9) и (10) формируют сигналы о входном и выходном токе преобразователя. Датчики температуры (11) формируют сигналы о температуре силовых транзисторов (7) и диодов (8). После выходного Г-образного фильтра напряжение поступает на нагрузку (15), которой является бортовая сеть 24 В ВАТС.

Отсутствие других компонентов на одной стороне силовой платы, кроме диэлектрических подложек (17), позволяет сделать тепловой контакт подложек (17) и радиатора, тем самым осуществив эффективный теплообмен между кристаллами силовых транзисторов через корпус силового транзистора (16) и окружающей средой. Такой подход является более технологичным с точки зрения массового производства и более эффективным по теплопередаче, чем обычный способ крепления транзисторов к радиатору.

Кроме того, способ охлаждения, описанный выше, позволяет улучшить массогабаритные показатели и эксплуатационные характеристики преобразователя, а применение карбид-кремниевых транзисторов увеличивает коэффициент полезного действия (КПД) всего устройства.

Применение универсальной системы управления (плата драйверов и плата управления), позволяет масштабировать мощность и функционал базового устройства.

Обмен с устройствами верхнего уровня осуществляется по интерфейсу CAN, который является надежным протоколом обмена данных для автомобильных применений.

Корпус данного устройства выполнен во влагозащищенном корпусе из алюминия, по стандарту IP-67. Это обеспечивается благодаря крышке, которая фиксируется винтами к стенкам корпуса, а по ее периметру проложен резиновый шнур, предотвращающий попадание влаги внутрь. Также на корпусе установлены специальные влагозащищенные разъемы.

За счет воздушного охлаждения допускается любая пространственная ориентация блока, что добавляет гибкости в размещении на транспортных средствах.

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

Изобретение относится к преобразователю напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи высокоавтоматизированного беспилотного транспортного средства в низковольтное напряжение постоянного тока для бортовой сети с защитой ключей. DC-DC преобразователь содержит силовые ключи и располагается внутри влагозащищенного корпуса. В качестве силовых ключей используются высокочастотные силовые полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC). Транзисторы припаяны своими теплоотводами (сток) на сквозную металлизацию силовой платы и через припаянную к плате с обратной стороны изолирующую керамическую подложку с металлизацией обеспечивают теплоотвод непосредственно на поверхность одной из сторон влагозащищенного корпуса. Корпус является теплообменным радиатором. Внутри влагозащищенного корпуса установлены трансформатор, дроссели и универсальные платы системы управления с встроенными измерителями параметров схемы и CAN-интерфейсом для обмена данными с устройством верхнего уровня. Измерители параметров схемы служат для измерения входного/выходного тока, входного/выходного напряжения, температуры ключей и моточных компонентов. Достигается уменьшение массогабаритных показателей изделия, обеспечивается эффективный теплоотвод и высокая устойчивость к механическим воздействиям. 4 ил.

Преобразователь напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи высокоавтоматизированного беспилотного транспортного средства в низковольтное напряжение постоянного тока для бортовой сети с защитой ключей, содержащий силовые ключи, располагающиеся внутри влагозащищенного корпуса, в качестве которых используются высокочастотные силовые полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC), которые, в свою очередь, припаяны своим теплоотводом (сток) на сквозную металлизацию силовой платы и через припаянную к плате с обратной стороны изолирующую керамическую подложку с металлизацией обеспечивают теплоотвод непосредственно на поверхность одной из сторон влагозащищенного корпуса, который является теплообменным радиатором, кроме того, внутри влагозащищенного корпуса установлены трансформатор, дроссели и универсальные платы системы управления с встроенными измерителями параметров схемы - входного/выходного тока, входного/выходного напряжения, измерителями температуры ключей и моточных компонентов и CAN-интерфейсом для обмена данными с устройством верхнего уровня.