Тяговый инвертор электрогрузовика Российский патент 2024 года по МПК B60L15/20 

Изобретение относится к области электрических транспортных средств, в частности к трехфазному тяговому преобразователю для управления синхронной электрической машиной, осуществляющему преобразование напряжение постоянного тока одной величины в напряжение переменного тока другой величины, а также выполняющему рекуперацию переменного тока от электродвигателя в постоянный ток для зарядки тяговых аккумуляторов.

Из уровня техники известна полезная модель «Трехфазный электропривод транспортного средства» по патенту РФ 37489 с датой публикации 27.04.2004, содержащая последовательно соединенные входной выпрямитель и силовой фильтр, первый трансформатор, широтно-импульсный модулятор (ШИМ), электродвигатель с входными клеммами, соединенный с ним датчик параметров электродвигателя, преобразователь силового напряжения, имеющий первую, вторую и третью преобразовательные цепи, каждая из которых включает соответственно первый, второй и третий инверторы, первый силовой вход каждого из которых соединен с выходом силового фильтра. Электропривод снабжен первым, вторым и третьим синхронными выпрямителями, генератором управляющих сигналов, вторым и третьим трансформаторами, первым, вторым, третьим, четвертым модулями временной задержки сигнала, первым, вторым и третьим трактами рекуперации, при этом первый трансформатор установлен в преобразователе силового напряжения в первой преобразовательной цепи последовательно с первым инвертором на его выходе, а второй и третий трансформаторы установлены соответственно во второй и третьей преобразовательных цепях преобразователя силового напряжения последовательно со вторым и третьим инверторами на их выходах. При этом первый модуль временной задержки сигнала подключен своим входом к выходу широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и управляющему входу второго инвертора второй преобразовательной цепи, а выход второго модуля временной задержки сигнала соединен со вторым силовым входом третьего инвертора третьей преобразовательной цепи. При этом первый, второй и третий тракты рекуперации размещены соответственно в первой, второй и третьей преобразовательных цепях преобразователя силового напряжения, причем вход каждого из упомянутых трактов рекуперации соединен соответственно со входами первого, второго и третьего трансформаторов, а выходы каждого из упомянутых трактов рекуперации соединены с входами силового фильтра.

Недостатком известного решения является сложность схемы трехфазного электропривода.

Из уровня техники известно изобретение «Инвертор с высокой удельной мощностью» по патенту РФ 2702103 с датой публикации 04.10.2019, относящееся к области электротехники, в частности к однофазному, неизолированному, миниатюрному силовому инвертору для преобразования постоянного тока в переменный и предназначено для создания силового инвертора с выходной удельной мощностью более 3000 Вт/дм³. При создании преобразовательных систем со сверхвысокой удельной мощностью и, следовательно, меньших размеров, конструкторы топологий инверторов в первую очередь нацелены на увеличение эффективности и снижение синфазного шума. Повышение эффективности удалось обеспечить благодаря усовершенствованиям в области полупроводниковых материалов и их обработки, а также в области магнитных материалов. Использование полупроводников с широкой запрещенной зоной (карбида кремния - SiC или нитрида галлия - GaN) позволяет повысить эффективность в высокочастотных силовых преобразователях, что, в свою очередь, позволяет увеличить частоту переключения и, таким образом, уменьшить размер пассивных компонентов. Для предотвращения EMI шума, в основном, используют EMI-фильтры, состоящие из пассивных компонентов, таких как конденсаторы и индукторы, образующие индуктивно-емкостные цепи (LC-цепи).

Силовой инвертор помещен в корпус, изготовленный в виде наружной электропроводящей оболочки, вмещающей в себя многоуровневую вертикальную структуру, последовательно от нижней стороны до верхней стороны содержащую слой активных фильтрующих конденсаторов, теплоотвод, слой переключателей из широкозонных полупроводников, соединенных с печатной платой тепловыми сквозными перемычками, и слой активных фильтрующих индукторов. Синфазные и противофазные EMI-фильтры отделены от остальных частей в корпусе.

Однофазный, неизолированный, миниатюрный силовой инвертор для преобразования постоянного тока в переменный с выходной удельной мощностью более 3000 Вт/дм3 содержит вход постоянного тока и выход переменного тока, по меньшей мере цепь переключения с полной мостовой топологией Н-типа, имеющую вход, соединенный с входом постоянного тока, и выход, соединенный с выходом переменного тока, и содержащую переключатели, изготовленные из широкозонных полупроводников. Кроме того, силовой инвертор содержит по меньшей мере один EMI-фильтр синфазного шума, подсоединенный между входом постоянного тока и входом полной мостовой цепи переключения Н-типа, между выходом полной мостовой цепи переключения Н-типа и выходом переменного тока, фильтры синфазного шума содержат фильтрующие индукторы и так называемые конденсаторы Y-типа. По меньшей мере один EMI-фильтр противофазного шума, подсоединенный последовательно с соответствующим фильтром синфазного шума между входом постоянного тока и входом полной мостовой цепи переключения Н-типа, между выходом полной мостовой цепи переключения Н-типа и выходом переменного тока, соответственно, причем указанные фильтры противофазного шума содержат так называемые фильтрующие конденсаторы Х-типа и индукторы. Активный фильтр компенсации пульсации, содержащий полумостовую топологию переключения, расположенную параллельно с полной мостовой цепью переключения Н-типа и соединенную с LC-фильтром, состоящим из по меньшей мере одного индуктора и множества накопительных конденсаторов.

Известен из патентной заявки WO 2010/131340 А1 (дата публикации 18.11.2010) приводной блок, содержащий электродвигатель-генератор, инвертор, высоковольтное устройство хранения электроэнергии, преобразователь повышения/понижения напряжения, первый и второй конденсатор, преобразователь постоянного тока в постоянный ток и реле. Инвертор используется для приведения электродвигателя в движение. Преобразователь повышения/понижения напряжения имеет переключающий элемент и реактивный элемент. Преобразователь повышения/понижения напряжения подключен к первой линии электропитания и второй линии электропитания, при этом первая линия электропитания соединена с инвертором, вторая линия электропитания соединена с высоковольтным устройством хранения электроэнергии. Преобразователь повышения/понижения напряжения сконфигурирован для обмена электрической мощностью между первой линией электропитания и второй линией электропитания при преобразовании напряжения. Первый конденсатор подключен к первой линии электропитания, а второй конденсатор подключен ко второй линии электропитания. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток подключен ко второй линии электропитания. Реле предусмотрено в части второй линии электропитания в месте, которое ближе к высоковольтному устройству хранения электроэнергии, чем преобразователь постоянного тока в постоянный ток. В приводном блоке, когда провод, подсоединенный к электродвигателю-генератору, разъединен, реле выключено для сброса остаточного заряда первого и второго конденсатора. В этом случае управление переключающим элементом преобразователя повышения/понижения напряжения осуществляют таким образом, что преобразователь повышения/понижения напряжения повторяет действие повышения напряжения и действие понижения напряжения. Соответственно, в реактивном элементе происходит потеря энергии, а в переключающем элементе происходят потери при переключении так, что заряд первого конденсатора расходуется во время действия повышения напряжения, и заряд второго конденсатора расходуется во время действия понижения напряжения.

В описании изобретения «Устройство управления для электромоторного транспортного средства и способ управления для электромоторного транспортного средства» к патенту РФ 2666072 с датой публикации 16.02.2018 раскрыты сведения об инверторе, включающего в себя, например, два переключающих элемента (например, силовые полупроводниковые элементы, такие как IGBT или MOSFET-транзисторы) для каждой фазы, который преобразует постоянный ток, подаваемый из аккумулятора, в переменный ток посредством включения и выключения переключающих элементов в соответствии с сигналом приведения в действие, и заставляет требуемый ток протекать в электромотор. Во время движения транспортного средства, электромотор формирует рекуперативную движущую силу, в силу этого собирая кинетическую энергию транспортного средства в качестве электроэнергии. В этом случае, инвертор преобразует переменный ток, сформированный во время работы в рекуперативном режиме электромотора, в постоянный ток и подает его в аккумулятор. Датчик тока определяет трехфазные переменные токи iu, iv и iw, протекающие в электромоторе.

Известен тяговый электропривод из патента РФ 2619925 с датой публикации 22.05.2017, относящийся к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано в качестве тягового привода трамваев, троллейбусов, электровозов, электромобилей. В качестве электронного ключа тяговый электропривод содержит транзистор.

Из описания изобретения «Электромобиль энергосберегающий, экологически чистый и безопасный для людей» по патенту РФ 2639012 с датой публикации 19.12.2017 известны сведения о том, что с системой управления активным инвертором напряжения (АИН), которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, с автономной системой управления напряжения активного выпрямителя напряжения (АВН), которая работает в выпрямительном режиме, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе.

Наиболее близким техническим решением является группа изобретений «Приводной блок, автомобиль и способ управления приводным блоком» по патенту РФ 2670940 с датой публикации 25.10.2018, направленная на сокращение времени сброса заряда первого конденсатора и второго конденсатора. Приводной блок содержит электродвигатель, инвертор, первое устройство хранения электроэнергии, преобразователь постоянного тока в постоянный ток, первый конденсатор и второй конденсатор, преобразователь постоянного тока и реле. При этом преобразователь постоянного тока в постоянный ток приводится в действие, когда целевой коэффициент продолжительности включения преобразователя повышения/понижения напряжения назначается таким образом, что суммарные потери преобразователя повышения/понижения напряжения и преобразователя постоянного тока в постоянный ток становятся больше максимального значения потерь преобразователя повышения/понижения напряжения, и управление преобразователем повышения/понижения напряжения осуществляется, когда реле выключено, чтобы разрядить первый конденсатор и второй конденсатор.

Недостатком прототипа является отсутствие реализации возможности повысить плотность мощности при сохранении высокого кпд.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является достижение конкретных массогабаритных параметров инвертора для того, чтобы можно было интегрировать инвертор в корпус электродвигателя электрогрузовика.

Техническими результатами заявляемого изобретения являются повышение плотности мощности при сохранении высокого КПД, снижение массогабаритных параметров инвертора.

Технические результаты обеспечиваются за счет реализации тягового инвертора электрогрузовика, содержащего корпус, внутри которого размещен фильтр электромагнитной совместимости (ЭМС), соединенный с конденсатором шины постоянного тока, выполненным под форму корпуса и подключенным, по меньшей мере, к трем силовым SiC-транзисторным модулям, один из которых оснащен датчиком температуры, связанным между собой и с платой управления, содержащей центральный процессор, выполненный с возможностью обмена данными, например, по протоколу CAN, с программой верхнего уровня системы управления электрогрузовика, обрабатывающий дискретные сигналы датчика температуры силового модуля и передающий уставки процессору, выполняющему программу управления электродвигателем электрогрузовика путем передачи логического сигнала на драйверы транзисторов, которые формируют необходимое напряжение на затворах силовых SiC-транзисторных модулей и получающий от вспомогательного сопроцессора данные с датчика положения ротора электродвигателя относительно статора. При этом тяговый инвертор содержит два датчика тока, каждый из которых состоит из кольца из трансформаторной стали и датчика Холла на плате управления. Также инвертор содержит драйверы силовых модулей и источник питания от шины постоянного тока для питания потребителей, который является резервным в случае незапланированного отключения низковольтного питания. Алгоритмы программы управления электродвигателем позволяют реализовать на синхронном электродвигателе кривую оптимального управления током на единицу момента, используя векторный режим управления с экономией коммутаций силовых транзисторов, который позволяет уменьшить мощность, выделяемую на SiC-транзисторных модулях.

Силовые SiC-транзисторные модули могут быть оснащены жидкостным охлаждением, что позволяет значительно повысить плотность мощности тягового инвертора.

Кроме того, тяговый инвертор может содержать тепловой экран, расположенный между силовыми модулями с выходными шинами и платой управления, который отражает избыточное инфракрасное излучение силовых компонентов от платы управления, что позволяет приблизить плату управления к транзисторным модулям и тем самым уменьшить габаритные размеры тягового инвертора.

Применение специализированных силовых транзисторов на основе карбида кремния (SiC) и конденсаторов для электротранспортной промышленности позволило увеличить частоту коммутаций, за счет чего была достигнута большая плотность мощности при сохранении высокого КПД, а также уменьшить высоту инвертора и сделать систему охлаждения очень компактной. Использование транзисторов с SiC-структурой позволило при повышении частоты совместно с алгоритмами программы управления сохранить высокий КПД. При этом повышение частоты переключений транзисторов позволило значительно уменьшить объем конденсатора, занимающего до половины всего объема инвертора, что позволило уменьшить массогабаритные параметры инвертора.

Единая плата управления, содержащая вычислительные, обрабатывающие и исполнительные элементы, также позволяет уменьшить высоту корпуса, а, следовательно, объем и габариты инвертора за счет отсутствия «многоэтажности» структуры. Датчики тока, выполненные в виде колец из ферромагнитного материала с датчиками Холла на плате управления, позволяют экономить еще больше места. Применение единственного датчика температуры, которым оснащен самый теплонагруженный транзисторный модуль также позволяет уменьшить массогабаритные параметры инвертора, не теряя функциональной составляющей.

Использование жидкостного охлаждения силовых SiC-транзисторных модулей с оптимизированным каналом охлаждения, в котором поток жидкости теплоносителя распределяется равномерно между всеми модулями, позволило дополнительно уменьшить корпус инвертора и интегрировать инвертор в объем электродвигателя электротранспортного средства.

Заявляемый тяговый инвертор предназначен для работы в режиме преобразования постоянного тока в переменный (инверторный режим) для управления тягой электродвигателя электрогрузовика, а также в режиме преобразования переменного тока в постоянный (выпрямительный режим) для рекуперации (возврата) энергии, запасенной в электродвигателе обратно в тяговый аккумулятор. При этом достигается мощность в режиме S1 (продолжительный) - 296 кВт, мощность в режиме S2 (перегрузка 20 сек) - 422 кВт.

На фигуре 1 приведена схема тягового инвертора электротранспортного средства.

Тяговый инвертор электрогрузовика содержит корпус 1, внутри которого размещен фильтр 2 электромагнитной совместимости, соединенный с конденсатором 3 шины постоянного тока, подключенным, по меньшей мере, к трем силовым SiC-транзисторным модулям 4, один из которых оснащен датчиком 5 температуры, связанным между собой и с платой 6 управления, содержащей центральный процессор 7, обрабатывающий дискретные сигналы датчика 5 температуры силового модуля 4 и передающий уставки процессору 8, выполняющему программу управления электродвигателем электрогрузовика и получающий от вспомогательного сопроцессора 9 данные с датчика положения ротора электродвигателя относительно статора, два датчика 10 тока, каждый из которых состоит из кольца из ферромагнитного материала и датчика Холла на плате 6 управления, драйверы 11 силовых модулей 4, источник питания 12 от шины постоянного тока.

Кроме того, инвертор может содержать тепловой экран 13, расположенный между силовыми модулями 4 и платой 6 управления.

Элементы X1, Х2 на фигуре 1 - силовые разъемы, которые подключаются к шине постоянного тока и являются токоведущими частями от внешней сети к силовым транзисторным модулям 4.

На шине постоянного тока тягового инвертора расположены: фильтр 2 ЭМС, поглощающий высокочастотные гармоники кондуктивных помех, возникающих вследствие коммутационных процессов и распространяющихся по токоведущим частям; конденсатор 3 шины постоянного тока, который максимально близко расположен к силовым транзисторным модулям 4, его назначение - источник тока, который запасает энергию в момент закрытия ключей и отдает большой ток в нагрузку с минимальной просадкой напряжения, когда транзисторы переключаются. Конструкция конденсатора 3 выполнена таким образом, чтобы минимизировать индуктивность шины постоянного тока, которая в момент переключения транзисторов приводит к резким скачкам напряжения на шине постоянного тока, в конструкции конденсатора 3 отрицательная шина питания и положительная шина питания имеют одинаковую длину, выводы для подключения к силовым транзисторным модулям 4 имеют минимальную длину и максимальную площадь сечения.

Каждый из силовых SiC-транзисторных модулей 4 в количестве трех штук имеет в своей структуре два транзистора, подключенных по полу мостовой схеме: верхний транзистор подключен стоком от положительной шины питания и истоком к фазной шине, подключающейся к обмотке статора, нижний транзистор подключен стоком от выходной шины и истоком к отрицательной шине питания. Попеременная коммутация транзисторов согласно логике системы управления электродвигателем формирует на выходных фазных шинах переменный ток.

Все вычислительные, обрабатывающие и исполнительные элементы находятся на плате 6 управления. Плата содержит три процессора 7, 8 и 9. Процессор 7 по протоколу CAN через разъем Х3 осуществляет обмен данными с программой верхнего уровня системы управления электрогрузовика, обрабатывает датчик 5 температуры транзисторного модуля 4, принимает уставки для задания скорости и крутящего момента, выдает диагностические сообщения, является центральным процессором инвертора. Процессор 8 выполняет программу управления электродвигателем электрогрузовика путем обработки сигналов с датчиков 10 тока, информации о положении ротора электродвигателя относительно статора, полученной от процессора 9 и получения от центрального процессора 7 необходимых уставок. Процессор 9 - вспомогательный сопроцессор, выполняющий первичную обработку датчика положения ротора электродвигателя, передающий эти данные процессору 8.

Датчики 10 тока, состоящие из колец из ферромагнитного материала и датчиков Холла проводят измерения фазных токов. Третья фаза обрабатывается программно математически при помощи процессора 8.

Работа заявляемого тягового инвертора осуществляется следующим образом.

Заявляемый тяговый инвертор работает в электрических цепях с номинальным напряжением постоянного тока 650 В. При подаче низковольтного питания 28 В включаются драйверы 11 транзисторов силовых модулей 4, приводящие транзисторы в полностью закрытое состояние путем подачи отрицательного напряжения на затворы силовых модулей 4. При подаче дискретной команды по разъему Х3 активируются процессоры 7, 8 и 9 и датчики 10 тока на плате 6 управления. При подаче высокого напряжения на силовые разъемы X1, Х2 начинает заряжаться конденсатор 3 шины постоянного тока и включается резервный источник питания 12, обеспечивающий питание потребителей на плате 6 управления в случае незапланированного отключения низковольтного питания 28 В. Команда на запуск принимается посредством кодового обмена между процессором 7 и программой верхнего уровня системы управления электрогрузовика после проверки состояния показателей датчиков 10 тока и датчика 5 температуры силового модуля. Если датчики зафиксируют отклонение значений от нормального состояния, тяговый инвертор не запустится. После запуска, уставки требуемого крутящего момента и скорости процессор 7 передает процессору 8, который согласно своему алгоритму программы управления электродвигателем выдает логический сигнал на драйверы 11 силовых модулей 4 - функциональные блоки, формирующие необходимые напряжения на затворах транзисторов, приводящие силовые транзисторные модули 4 в проводящее или непроводящее состояние.

При переменном включении верхнего и нижнего ключа каждого из силовых транзисторных модулей 4 на фазном выходе транзистора формируется переменное напряжение. С выходных выводов транзисторных модулей 4 идут шины, соединенные с обмотками электродвигателя электротранспортного средства (фаза А, фаза В, фаза С), по которым начинает протекать переменный ток. В этот же момент датчики 10 тока и сопроцессор 9 с датчика положения ротора электродвигателя получают информацию о текущем токе обмоток и угле поворота ротора электродвигателя. Сигнал с датчиков 10 тока поступает на процессор 8, сигнал с датчика положения ротора электродвигателя поступает с разъема Х5 на сопроцессор 9, занимающийся первичным преобразование сигнала с разъема Х5 и передачей полученной информации процессору 8. Процессор 8 после обработки сигналов подстраивает алгоритм управления силовыми транзисторными модулями 4 так, чтобы текущие параметры электродвигателя соответствовали уставкам, принятым от процессора 7. Процессор 8 постоянно ведет обмен с процессорами 7 и 9.

Изобретение относится к тяговому инвертору электрогрузовика. Инвертор содержит корпус, фильтр электромагнитной совместимости, конденсатор шины постоянного тока, силовые SiC-транзисторные модули, датчик температуры силового модуля, плату управления с процессорами, датчики тока, драйверы силовых модулей, источник резервного питания. Фильтр электромагнитной совместимости соединен с конденсатором шины постоянного тока и подключен к силовым SiC-транзисторным модулям, один из которых оснащен датчиком температуры. Модули связаны между собой и с платой управления. Процессор выполнен с возможностью обмена данными с программой верхнего уровня системы управления электрогрузовика. Процессор получает от вспомогательного сопроцессора данные с датчика положения ротора электродвигателя относительно статора. Тяговый инвертор содержит два датчика тока. Датчики тока состоят из ферромагнитного кольца и датчика Холла. Достигается снижение массогабаритных параметров инвертора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тяговый инвертор электрогрузовика, содержащий корпус, внутри которого размещен фильтр электромагнитной совместимости, соединенный с конденсатором шины постоянного тока, выполненным под форму корпуса и подключенным по меньшей мере к трем силовым SiC-транзисторным модулям, один из которых оснащен датчиком температуры, причем все модули связаны между собой и с платой управления, содержащей центральный процессор, выполненный с возможностью обмена данными с программой верхнего уровня системы управления электрогрузовика, обрабатывающий дискретные сигналы датчика температуры силового модуля и передающий уставки процессору, выполняющему программу управления электродвигателем электрогрузовика и получающему от вспомогательного сопроцессора данные с датчика положения ротора электродвигателя относительно статора, при этом тяговый инвертор содержит два датчика тока, каждый из которых состоит из кольца из ферромагнитного материала и датчика Холла на плате управления, также инвертор содержит драйверы силовых модулей и источник питания от шины постоянного тока для резервного питания потребителей.

2. Тяговый инвертор электротранспортного средства по п. 1, отличающийся тем, что силовые SiC-транзисторы оснащены жидкостным охлаждением.

3. Тяговый инвертор электротранспортного средства по п. 1, отличающийся тем, что содержит тепловой экран, расположенный между силовыми модулями и платой управления.