Водородная энергетическая установка для транспортных средств Российский патент 2024 года по МПК B60L50/70 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к источникам энергии на базе водородного топливного элемента, и может быть использована для обеспечения движения тяжелых грузовых автомобилей и карьерных самосвалов.

Известна система питания от топливной батареи компактного типа (CN 102862491 А), в состав которой входят топливная батарея, DC/DC блок преобразования постоянного тока, устройство накопления энергии, контроллер. Указанная система питания предназначена для вилочных погрузчиков и не может быть использована для самосвалов грузоподъемностью более 90 тонн.

Известно устройство для привода грузовых автомобилей (US 2022/0173459 А1). включающее в себя раму силового модуля и опорную конструкцию для установки на грузовой автомобиль. На раме размещены модули водородных топливных элементов, аккумуляторные (тяговые) батареи, средства охлаждения и управления охлаждением, а также встроенная силовая электроника, обеспечивающая электрическую трансмиссию грузовика источником питания постоянного тока высокого напряжения.

Установка указанного устройства, закрепленного на салазках, вместо дизель-генератора на грузовой автомобиль может быть затруднена.

К недостаткам описанного выше устройства можно отнести размещение рядом в одном корпусе топливных элементов и аккумуляторных (тяговых) батарей. Рабочая температура топливных элементов находится в диапазоне от 60°С до 80°С, а рабочая температура тяговой батареи в диапазоне от 15°С до 35°С. Их близкое расположение вызовет сильный нагрев батареи, и для того, чтобы ее температура находилась в рабочем диапазоне, потребуется установка мощной системы охлаждения (термостатирования), что приведет к значительному увеличению энергопотребления (до 50кВт). В случае внешнего расположения тяговой батареи этот показатель менее 10 кВт, что в свою очередь повышает энергоэффективность и общий КПД энергоустановки.

Задача, решаемая изобретением, состоит в питании тягового электропривода и вспомогательного оборудования транспортного средства грузоподъемностью не менее 90 тонн электроэнергией, вырабатываемой на борту без загрязнения окружающей среды, а также накоплении электроэнергии, выделяемой при торможении самосвала.

Техническим результатом является повышение энергоэффективности транспортного средства.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предлагается замена традиционной дизель-генераторной установки транспортного средства на водородную энергетическую установку (ВЭУ), конструкция которой такова, что не требуется применение дополнительных преобразователей напряжения для согласования работы ВЭУ и тягового привода транспортного средства, а также дополнительных устройств для ее установки вместо дизель-генератора на грузовик, в котором ранее использовался дизель-генератор, при этом батарея топливных элементов и тяговая батарея размещены в отдельных кожухах и на расстоянии, при котором не происходит нагревание тяговой батареи от топливных элементов.

Указанная задача решается и указанный технический результат достигается благодаря тому, что энергетическая установка для транспортных средств, таких как тяжелые грузовики, карьерные самосвалы, включает батарею топливных элементов с электронным блоком управления, подключенную к системе хранения водорода с электронным блоком управления, тяговую батарею с электронным блоком управления, соединенную с системой термостатирования с электронным блоком управления, контроллер верхнего уровня, предназначенный для управления энергетической установкой и обменом данными между энергетической установкой и системой управления транспортного средства, соединенный с системой управления тяговой батареей, повышающий и понижающий DC/DC преобразователи с соответствующими системами управления, при этом повышающие DC/DC преобразователи повышают уровень напряжения, вырабатываемого топливными элементами батареи топливных элементов до уровня, соответствующего напряжению тяговой батареи, понижающий DC/DC преобразователь обеспечивает питание низковольтных потребителей транспортного средства и зарядку аккумуляторной батареи собственных нужд, повышающие DC/DC преобразователи соединены с топливными элементами батареи топливных элементов и тяговой батареей высоковольтными соединениями, понижающий DC/DC преобразователь соединен низковольтным соединением с аккумуляторной батареей собственных нужд и с низковольтными потребителями транспортного средства, повышающие DC/DC преобразователи соединены с системой охлаждения вспомогательного оборудования, электронные блоки управления повышающих DC/DC соединены с электронными блоками управления водородной энергетической установки посредством шины CAN, электронный блок понижающего DC/DC соединен с электронными блоками управления водородной энергетической установки посредством шины CAN, электронный блок управления системы хранения водорода соединен с электронным блоком управления батареей топливных элементов посредством шины CAN, при этом батарея топливных элементов с электронным блоком управления и тяговая батарея с электронным блоком управления заключены в разные кожухи, и закреплены в транспортном средстве на расстоянии, при котором не происходит нагревание тяговой батареи от батареи топливных элементов.

Предлагаемая энергетическая установка позволяет обеспечить питание напряжения звена постоянного тока, номинальное напряжение которого составляет 900 В и выше, необходимого для работы карьерного самосвала. Ее установка на тяжелые транспортные средства, предназначенные для работы с дизель-генератором, вместо дизель-генератора требует минимальные изменения конструкции (несущая система, тяговый привод, гидравлическая система остаются без изменений). Помещение элементов установки в отдельные кожухи, а не в один корпус, позволяет оптимизировать их размещение в грузовике.

Изобретение иллюстрируется чертежом (фиг. 1), на котором изображена структурная схема водородной энергетической установки (ВЭУ).

ВЭУ состоит из топливных элементов 1 с управляющим электронным блоком управления (ЭБУ) 2, литий-ионной тяговой батареи 3, с ее ЭБУ 4 и системой термостатирования 5, системы хранения водорода 6 и ее ЭБУ 7, повышающего 8 и понижающего 9 DC/DC преобразователей напряжения, систем охлаждения топливных элементов 10 и вспомогательного оборудования 11, контроллера верхнего уровня 12, отвечающего за управление ВЭУ и обмен данными ВЭУ с системой управления транспортным средством.

Топливные элементы, их системы охлаждения и ЭБУ образуют батарею топливных элементов.

На фиг. 1 сплошными красными 13 и синими 14 линиями показаны высоковольтные соединения (красными «+». синими «-»), сплошными зелеными линиями 15 показана газовая трасса подачи водорода в топливный элемент 1 из системы хранения водорода 6, сплошными коричневыми линиями 16 показана газовая трасса подачи воздуха из окружающей среды, пунктирными красными 17 и синими 18 линиями показаны низковольтные соединения (красными «+», синими «-»), пунктирными линиями 19 показаны информационные шины (шины CAN), по которым обмениваются данными ЭБУ 7 системы хранения водорода, контроллер верхнего уровня 12, ЭБУ 4 тяговой батареи, система термостатирования тяговой батареи 5, штрих-пунктирными линиями показаны гидравлические соединения 21 систем ВЭУ с соответствующими им системами охлаждения. Системы охлаждения топливного элемента и вспомогательного оборудования (DC/DC преобразователей) 11 разделены, т.к. имеют различные температурные диапазоны и различные требования к характеристикам охлаждающей жидкости. Тяговая батарея 3 может как охлаждаться, так и нагреваться с помощью системы термостатирования 5, в связи с чем имеет отдельный гидравлический контур.

Основным элементом ВЭУ является: топливный элемент - устройство, в котором в следствии химической реакции окисления водорода кислородом, получаемым из окружающей среды, выделяется электричество, и тяговая батарея - электрохимический источник энергии, в котором запасается электрическая энергия, вырабатываемая топливным элементом и при торможении самосвала, а также который отдает электрическую энергию для питания тягового привода и электрооборудования самосвала, а также контроллер верхнего уровня, обеспечивающий реализацию энергоэффективного управления водородной энергетической установкой в составе самосвала. Повышающий DC/DC преобразователь повышает уровень напряжения, вырабатываемого топливным элементом до уровня, соответствующего напряжению тяговой батареи. Понижающий DC/DC преобразователь обеспечивает питание низковольтных потребителей транспортного средства и зарядку аккумуляторной батареи собственных нужд (АКБ 24 В) 20. Топливные элементы, образующие батарею топливных элементов, в количестве необходимом для обеспечения потребной мощности транспортного средства через повышающие DC/DC преобразователи подключаются параллельно к звену постоянного тока водородной энергетической установки.

Водородная энергетическая установка выполнена в виде законченного устройства, с разъемами для подключения к звену постоянного тока высоковольтными кабелями, к CAN шине транспортного средства, к низковольтной сети (24 В) транспортного средства.

Полезная модель может быть реализована следующим образом.

Производят замену дизель-генераторной установки транспортного средства на водородную энергетическую установку. Высоковольтные выходы последней подключают к звену постоянного тока транспортного средства с помощью высоковольтных кабелей, CAN шину 19 водородной энергетической установки подключают к CAN шине транспортного средства, низковольтное питание ВЭУ подключают к низковольтной сети транспортного средства.

При включении транспортного средства по шине CAN 19 на контроллер верхнего уровня 12 приходит сигнал на запуск, после чего включается тяговая батарея 3, транспортное средство переходит в режим работы от тяговой батареи 3. Одновременно с тяговой батареей 3 включается понижающий DC/DC преобразователь 9 для питания низковольтной сети транспортного средства и подзарядки аккумуляторной батареи собственных нужд (АКБ 24 В) 20. После включения тяговой батареи 3. при необходимости (определяется алгоритмами работы контроллера верхнего уровня 12) подается команда на запуск батареи топливных элементов 1. Перед включением батареи топливных элементов 1 в повышающих DC/DC преобразователях 8 проходит процесс предзаряда емкостей для ограничения пускового тока. При запуске ЭБУ 2 батареи топливных элементов 1 контролирует температуру охлаждающей жидкости и, при необходимости, включает подогреватель для выхода на рабочую температуру. При выполнении условий для безопасного начала работы батарея топливных элементов 1 отправляет запрос на подачу водорода ЭБУ 7 системы хранения водорода 6, который в свою очередь открывает клапан подачи водорода по магистрали 15. Подача воздуха осуществляется через впускной фильтр, давление и расход воздуха регулируется компрессором батареи топливных элементов (на фиг. не показан). После запуска батарея топливных элементов 1 начинает вырабатывать напряжение, уровень которого зависит от вырабатываемой мощности. Для обеспечения заряда тяговой батареи 3 и питания тягового электропривода повышающие DC/DC преобразователи 8 преобразуют напряжение батареи топливных элементов 1 в напряжение звена постоянного тока транспортного средства. Мощность, развиваемая батареей топливных элементов 1, регулируется ЭБУ 2 батареи топливных элементов 1 по командам от контроллера верхнего уровня 12. Поддержание рабочей температуры батареи топливных элементов 1 обеспечивает система охлаждения 10, состоящая из теплообменника в виде пластинчатого радиатора, кассеты вентиляторов, помпы. В качестве теплоносителя применяется непроводящая электрический ток охлаждающая жидкость. Питание вспомогательных компонентов топливного элемента (воздушный компрессор, помпа, подогреватель) обеспечивают повышающие преобразователи DC/DC 8. Охлаждение вспомогательных элементов осуществляется отдельной системой охлаждения, использующей обычную охлаждающую жидкость.

В процессе движения груженного транспортного средства на подъем происходит передача энергии для тягового привода и от тяговой батареи 3, и от батареи топливных элементов 1, в результате чего уровень заряда тяговой батареи 3 снижается. При выполнении операций погрузки и разгрузки энергопотребление тяговым приводом отсутствует, энергия, вырабатываемая батареей топливных элементов 1. практически полностью идет на восстановление заряда тяговой батареи 3. При движении на спуск замедление транспортного средства осуществляется электродинамическим торможением, при этом вырабатываемая тяговым электроприводом энергия идет на заряд тяговой батареи 3. Мощность, которую может принять тяговая батарея 3 от тягового электропривода ограничена характеристиками тяговой батареи, поэтому в случае превышения мощности торможения тяговым электроприводом, часть энергии утилизируется в тормозных резисторах путем преобразования электрической энергии в тепло. Ограничения тока разряда и заряда тяговой батареи 3 в зависимости от ее текущего состояния (уровня заряда, температуры ячеек) контролирует ЭБУ 4 тяговой батареи 3. Так же ЭБУ 4 тяговой батареи 3 формирует команды для системы термостатирования тяговой батареи 3, которая отрабатывая их, обеспечивает оптимальную температуру работы.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Водородная энергетическая установка для транспортных средств включает батарею топливных элементов с электронным блоком управления, подключенную к системе хранения водорода, тяговую батарею с электронным блоком управления, соединенную с системой термостатирования с электронным блоком управления, контроллер верхнего уровня, повышающий и понижающий DC/DC преобразователи. Повышающие преобразователи повышают уровень напряжения, вырабатываемого топливными элементами батареи топливных элементов до уровня, соответствующего напряжению тяговой батареи. Понижающий преобразователь питает низковольтные потребители транспортного средства и заряжает аккумуляторную батарею собственных нужд. Батарея топливных элементов с электронным блоком управления и тяговая батарея с электронным блоком управления заключены в разные кожухи и закреплены в транспортном средстве на расстоянии, при котором не происходит нагревание тяговой батареи от батареи топливных элементов. Повышается энергоэффективность транспортного средства. 1 ил.

Водородная энергетическая установка для транспортных средств включает батарею топливных элементов с электронным блоком управления, подключенную к системе хранения водорода с электронным блоком управления, тяговую батарею с электронным блоком управления, соединенную с системой термостатирования с электронным блоком управления, контроллер верхнего уровня, предназначенный для управления водородной энергетической установкой и обменом данными между водородной энергетической установкой и системой управления транспортного средства, соединенный с системой управления тяговой батареей, повышающий и понижающий DC/DC преобразователи с соответствующими системами управления, при этом повышающие DC/DC преобразователи повышают уровень напряжения, вырабатываемого топливными элементами батареи топливных элементов до уровня, соответствующего напряжению тяговой батареи, понижающий DC/DC преобразователь обеспечивает питание низковольтных потребителей транспортного средства и зарядку аккумуляторной батареи собственных нужд, повышающие DC/DC преобразователи соединены с топливными элементами батареи топливных элементов и тяговой батареей высоковольтными соединениями, понижающий DC/DC преобразователь соединен низковольтным соединением с аккумуляторной батареей собственных нужд и с низковольтными потребителями транспортного средства, повышающие DC/DC преобразователи соединены с системой охлаждения вспомогательного оборудования, электронные блоки управления повышающих DC/DC соединены с электронными блоками управления водородной энергетической установки посредством шины CAN, электронный блок понижающего DC/DC соединен с электронными блоками управления водородной энергетической установки посредством шины CAN, электронный блок управления системы хранения водорода соединен с электронным блоком управления батареей топливных элементов посредством шины CAN, при этом батарея топливных элементов с электронным блоком управления и тяговая батарея с электронным блоком управления заключены в разные кожухи и закреплены в транспортном средстве на расстоянии, при котором не происходит нагревание тяговой батареи от батареи топливных элементов.