ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ С НЕСКОЛЬКИМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2024 года по МПК H02J7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для быстрого заряда аккумуляторных батарей транспортных средств.

Уровень техники

Зарядные устройства для электромобилей делятся на медленные и быстрые, переменного (AC) и постоянного (DC) тока. Один из стандартов SAE J1772 (https://en.wikipedia.org/wiki/Charging_station#cite_ref-freewiretech20200701_8-0, Jump up to: "What's the Difference Between EV Charging Levels?". FreeWire Technologies. 1 July 2020. Retrieved 26 March 2021) классифицирует уровни мощности для зарядки следующим образом: Уровень 1 переменного тока до 2 кВт, уровень 2 переменного тока до 19 кВт, уровень 1 постоянного тока до 80 кВт и уровень 2 постоянного тока до 400 кВт. Другие стандарты, такие как IEC 61851-1, также имеют аналогичные уровни (https://webstore.iec.ch/en/publication/33644, "IEC 61851-1:2017 Electrical vehicle conductive charging system, Part 1: General requirements". International Electrotechnical commission. Retrieved 11 August 2021).

Зарядные устройства переменного тока (уровень 1 и уровень 2) могут подключаться к однофазным или трехфазным системам и в основном состоят из системы защиты и контроллера с системой связи. Система связи позволяет контроллеру взаимодействовать с автомобилем и настраивать систему защиты в соответствии с потребностями автомобиля. В зарядных устройствах этого типа используется встроенный управляемый выпрямитель, который находится в автомобиле. В источнике Review of Electric Vehicle Technologies, Charging Methods, Standards and Optimization Techniques, Figure 11, Published: 9 August 2021 (https://www.mdpi.com/2079-9292/10/16/1910), показана типичная схема подключения.

Мощность выпрямителя ограничена из-за размера и веса устройства, поэтому для непосредственной зарядки аккумулятора автомобиля выпрямитель должен находиться снаружи автомобиля и использоваться подключение постоянного тока. Разъем позволяет подключать зарядное устройство электромобиля непосредственно к аккумулятору автомобиля. Однако для подачи точного питания на аккумулятор следует использовать протокол связи для взаимодействия с системой управления аккумуляторами в автомобиле. Эти зарядные устройства называются зарядными устройствами постоянного тока, и в зависимости от мощности они могут быть 1-го или 2-го уровня. В любом случае зарядные устройства мощностью более 20 кВт считаются быстродействующими.

Зарядные устройства для электромобилей постоянного тока состоят из блока, отвечающего за питание и блока, отвечающего за связь. Силовой каскад представляет собой трехфазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности или без него, после чего идет преобразователь постоянного тока, который позволяет контролировать мощность и напряжение, подаваемые на аккумулятор, посредством связи с системой управления аккумуляторами автомобиля (BMS). Преобразователь постоянного тока обеспечивает гальваническую развязку аккумулятора с помощью трансформатора. Это зарядное устройство позволяет получать энергию из сети и подавать ее постоянным током с определенным напряжением, соответствующим аккумулятору автомобиля. В источнике Review of Electric Vehicle Technologies, Charging Methods, Standards and Optimization Techniques, Figure 10, Published: 9 August 2021 (https://www.mdpi.com/2079-9292/10/16/1910) показана основная схема зарядных устройств постоянного тока.

С увеличением количества электромобилей в электросети высокий спрос на электроэнергию, в основном из-за быстрых зарядных устройств, вынудит модернизировать инфраструктуру. Это чрезвычайно затратно, поскольку требует систем нового поколения для передачи и распределения энергии, а также защиты. Возможным решением является использование электромобилей поблизости для частичной разгрузки сети. Эта концепция называется приложениями "транспортное средство - сеть”. Однако для этого зарядные устройства электромобилей не могут использовать схему, показанную в источнике Review of Electric Vehicle Technologies, Charging Methods, Standards and Optimization Techniques, Figure 10, Published: 9 August 2021 (https://www.mdpi.com/2079-9292/10/16/1910), поскольку питание поступает только от сети к автомобилю. Следовательно, первичный выпрямитель в этих зарядных устройствах должен быть заменен системой, позволяющей это сделать.

Все известные из уровня техники решения обладают рядом недостатков, в том числе, имеют сложную громоздкую конструкцию и низкую эффективность работы, не обеспечивают двунаправленный поток электроэнергии и не имеюют возможность работы с несколькими источниками энергии в двунаправленном режиме, не обеспечивают необходимую защищенность и безопасность их работы, обладают низкой надежностью.

Заявленное изобретение устраняет вышеуказанные недостатки.

Раскрытие изобретения

Техническая задача заключается в создании эффективного, надежного, простого и универсального зарядного устройства для электромобиля, обеспечивающего двунаправленный поток электроэнергии и имеющего возможность работы с несколькими источниками энергии в двунаправленном режиме, позволяющего снизить нагрузку на сеть, повысить защищенность его элементов и безопасность работы в целом.

Технический результат заключается в повышении эффективности работы зарядного устройства, обеспечении двунаправленного потока электроэнергии и двунаправленного подключения нескольких источников постоянного тока к одному устройству, снижении перегрузки сети, повышении безопасности, а также в его упрощении и повышении надежности.

Технический результат достигается за счет того, что зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии включает установленные в корпусе сетевой инвертор, выполненный с возможностью двунаправленного подключения к электрической сети, блок аккумуляторных батарей и многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока, имеющий двунаправленное соединение с упомянутыми сетевым инвертором и блоком аккумуляторных батарей, причем многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока выполнен с возможностью двунаправленного подключения к по меньшей мере к одному электромобилю и по меньшей мере к одному блоку фотоэлектрических панелей, при этом многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока состоит из многообмоточного трансформатора, резонансных фильтров и полупроводниковых топологий с полным мостом для каждого порта, и контроллера, выполненного с возможностью независимого управления потоком питания от любого порта к любому другому порту.

Кроме того, независимое управление контроллера потоком питания от любого порта к любому другому порту основано на управлении dq-фреймом с использованием преобразования Фурье.

Кроме того, многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока включает по меньшей мере четыре порта, из которых по меньшей мере один выполнен для двунаправленного подключения к блоку аккумуляторных батарей, установленному в корпусе, по меньшей мере один выполнен для двунаправленного подключения к электромобилю, по меньшей мере один выполнен для двунаправленного подключения к блоку фотоэлектрических панелей и по меньшей мене один выполнен для подключения к трехфазной сети через двунаправленный инвертор.

Кроме того, многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока выполнен с возможностью дополнительного подключения по меньшей мере одного внешнего блока аккумуляторных батарей.

Кроме того, все порты выполнены универсальными с возможностью переподключения с одного любого упомянутого источника питания на другой упомянутый источник питания.

Кроме того, все порты выполнены универсальными с возможностью переподключения с одного любого упомянутого источника питания на другой упомянутый источник питания, при условии, что значение напряжения другого подключаемого источника не превышает номинальное напряжение и не ниже половины номинального напряжения.

Кроме того, значение номинального напряжения составляет 700В.

Кроме того, блок фотоэлектрических панелей содержит по меньшей мере одну фотоэлектрическую панель.

Кроме того, блок аккумуляторных батарей содержит по меньшей мере одну аккумуляторную батарею.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 – Общая схема зарядного устройства для электромобиля с несколькими источниками энергии;

Фиг.2 – Схема многопортового двунаправленного преобразователя постоянного тока.

На фигуре цифрами обозначены следующие элементы:

1 – зарядное устройство;

2 – сетевой инвертор;

3 – многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока;

4 – блок аккумуляторных батарей;

5 – электрическая сеть;

6 – блок фотоэлектрических панелей;

7 – электромобиль;

8 – трансформатор;

9 - резонансный фильтр;

10 - полупроводниковая топология с полным мостом (силовой мост).

Осуществление изобретения

Зарядное устройство (фиг.1) для электромобилей (1) с несколькими источниками энергии относится к быстрым зарядным устройствам, выполнено автономным, и включает установленные внутри корпуса сетевой инвертор (2), выполненный с возможностью двунаправленного подключения к электрической сети (5), блок (4) аккумуляторных батарей и многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока (3), имеющий двунаправленное соединение с сетевым инвертором (2) и блоком (4) аккумуляторных батарей, при этом многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока (3) выполнен с возможностью двунаправленного подключения к по меньшей мере к одному блоку (6) фотоэлектрических панелей и по меньшей мере к одному электромобилю (7), причем многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока (3) состоит из многообмоточного трансформатора (8), резонансных фильтров (9) для фильтрации гармоник высокого порядка и полупроводниковых топологий с полным мостом (10) для каждого порта, и контроллера, выполненного с возможностью независимого управления потоком питания от любого порта к любому другому порту.

Топология предлагаемого решения представляет собой преобразователь с несколькими активными мостами, который позволяет подключать более двух портов. Кроме того, алгоритмы управления основаны на разложении Фурье и делении действительно-мнимых частей dq-фрейма, для правильного управления активной мощностью каждого порта, обеспечивая высокую эффективность и полностью независимое управление.

Блок фотоэлектрических панелей и блок аккумуляторных батарей имеют по меньшей мере одну фотоэлектрическую панель и по меньшей мере одну аккумуляторную батарею соответственно.

Предлагаемое решение обеспечивает не только двунаправленный поток электроэнергии, но и многопортовую систему, в которой несколько источников постоянного тока могут быть подключены к одному многопортовому преобразователю. Многопортовый преобразователь может быть расширен до большего количества портов путем добавления одной обмотки трансформатора, одного фильтра и одной силовой мостовой схемы для каждого нового порта. Таким образом, если многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока будет содержать четыре порта постоянного тока, то в данном преобразователе будет предусмотрен один трансформатор с четырьмя обмотками, четыре фильтра и четыре полупроводниковые силовые мостовые схемы. Соответственно, если многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока будет содержать пять портов, то в данном преобразователе будет предусмотрен один трансформатор с пятью обмотками, пять фильтров и пять полупроводниковых силовых мостовых схем (фиг.2).

Предлагаемое многопортовое двунаправленное электрическое зарядное устройство постоянного тока имеет:

- подключение к электросети через двунаправленный инвертор, позволяющий подключать многопортовый двунаправленный преобразователь (конвертер) постоянного тока к электросети, который позволяет:

- иметь в зарядном устройстве по меньшей мере один аккумулятор, который минимизирует перегрузку сети, действуя как буфер;

- иметь возможность подключения по меньшей мере одной солнечной панели в качестве дополнительного источника энергии, или при отсутствии необходимости в солнечных панелях, к данному универсальному порту может быть подключено еще одно электротранспортное средство. Все порты выполнены универсальными с возможностью переподключения с одного любого упомянутого источника энергии на другой упомянутый источник энергии, при условии, что если номинальное напряжение этого устройства не сильно отличается от номинального напряжения на которое рассчитан порт (на то устройство, которое было предусмотрено изначально). Напряжение не должно превышать номинальное и не должно быть меньше половины номинального. Номинальное напряжение 700В;

- иметь возможность гальванически развязанного подключения автомобиля с двунаправленным потоком энергии.

Двунаправленный инвертор способен подавать или поглощать активную и реактивную мощность, также называемый 4-квадрантным инвертором. Дополнительная сложность включает синхронизацию с сетью, точное регулирование тока в обоих направлениях и уменьшение искажений сетевого тока и напряжения.

На фиг.1 показано зарядное устройство для электромобиля с несколькими источниками энергии. Оно объединяет и контролирует потоки энергии от сети, от блока внутренних батарей и блока солнечных панелей, чтобы минимизировать пиковое потребление энергии от сети при зарядке электротранспортных средств.

Многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока, содержит многообмоточный трансформатор, специально разработанный для работы на высокой частоте и высокой мощности, резонансный фильтр для каждого порта для фильтрации гармоник высокого порядка, несколько полупроводниковых схем с полным силовым мостом для каждого порта и контроллер, выполненный с возможностью независимого управления потоком питания от любого порта к любому другому порту. Метод управления основан на расширенном управлении dq-фреймом с использованием преобразования Фурье.

В отличии от известных из уровня техники решений, которые имеют более сложные системы со множеством дополнительных элементов (например, набором преобразователей постоянного тока и инверторов), предлагаемое зарядное устройство является более простым по конструкции и более функциональным, содержит в себе встроенный аккумулятор и обеспечивает возможность подключения солнечных элементов и сети для зарядки основного аккумулятора автомобиля, имеет только один инвертор и один полностью изолированный преобразователь постоянного тока с несколькими портами, который позволяет распределять мощность между портами (точками подключения элементов) постоянного тока с использованием одного трансформатора для передачи мощности во всех направлениях с высокой эффективностью и независимо. Это позволяет подключать четыре или более портов постоянного тока к зарядному устройству электромобиля, включая фотоэлектрические панели, внутренние батареи, аккумуляторы транспортных средств, а также через инверторы подключаться к системам переменного тока. Минимальное количество портов – четыре. Максимальное количество портов ограничено только геометрией трансформатора и может быть более десяти портов. Каждый дополнительный порт может использоваться для подключения дополнительного электротранспортного средства или дополнительной внешней батареи или дополнительной солнечной панели, если в этом есть необходимость.

Устройство двунаправленное, поэтому солнечные элементы могут подавать энергию в сеть или к аккумулятору электромобиля. Сеть может подавать энергию к внутренней батарее или поглощать энергию от солнечных элементов, а также имеется возможность передавать энергию от аккумулятора электромобиля в сеть и от внутренней батареи (батареи зарядного устройства, а не аккумулятора электромобиля) в сеть или в транспортное средство.

Предлагаемое решение может работать в нескольких режимах, в том числе;

1. Режим зарядки автомобиля:

Порт двунаправленного многопортового преобразователя постоянного тока (3) подает питание на электромобиль (7), используя энергию фотоэлектрических панелей (6), внутренней батареи (4) и сети (5) через инвертор (2). Доля мощности каждого устройства может быть выбрана в зависимости от уровня заряда аккумулятора, количества доступной возобновляемой энергии от фотоэлектрических панелей и ограничений сети.

2. Режим внутренней зарядки:

В этом случае целью является зарядка блока внутренней батареи (4) с помощью блока фотоэлектрических панелей (6) и сети (5) с использованием многопортового преобразователя (3) для точного управления потоком мощности от каждого источника.

3. Транспортное средство или фотоэлектрическая панель для передачи энергии в сеть:

Этот режим актуален в случае наличия «свободной» энергии от фотоэлектрических панелей или необходимости использования технологии «автомобиль-сеть». Зарядное устройство (1) позволяет направить энергию из транспортного средства (7) или фотоэлектрических панелей (6) в сеть (5) с помощью многопортового преобразователя (3) и инвертора (2). Преобразователь (3) является основным элементом выбора потока мощности и его ограничения.

Как уже упоминалось, изобретение содержит многопортовый преобразователь (3), который основан на топологии многопортового преобразователя с активным мостом. Основным преимуществом преобразователя является полная изоляция каждого порта: сети, транспортного средства, фотоэлектрических панелей и аккумулятора. Это значительно повышает безопасность устройства. Преобразователь передает питание на порты через высокочастотный трансформатор, который имеет небольшие размеры. В этом же узле реализована дополнительная защита по переменному току, что упрощает систему защиты.

Из-за связанного потока мощности между портами постоянного тока осуществление управления указанным преобразователем происходит посредством разложения сигналов тока и напряжения внутри преобразователя с помощью преобразования Фурье на частотные составляющие и фокусирования на основных компонентах (частотных составляющих), от которых зависит управление мощностью. Разложение включает в себя «действительную» и «мнимую» части гармоник тока и напряжения, также называемое разложением по dq-фрейму. Для этого в методе управления используется специальный метод модуляции, который состоит из многократной широтно-импульсной модуляции, которая помогает минимизировать потери. Также это позволяет получать достоверные измерения для контуров управления, не используя дополнительных элементов, например, датчиков переменного тока, что позволяет избежать слишком большого количества элементов и усложнения устройства в целом.

Применяя такой способ управления, можно точно контролировать фазу и амплитуду сигналов, что позволяет минимизировать потери передаваемой мощности и потери мощности на переключение силовых ключей преобразователя.

Таким образом, изобретение обеспечивает высокий КПД и обеспечивает множество точек подключения (многопортовое решение) с использованием только двух основных устройств: инвертора и многопортового преобразователя постоянного тока в постоянный. Кроме того, одну и ту же топологию можно расширить более чем на четыре порта. Технология управления не имеет ограничения по количеству портов.

Например, система с зарядным устройством для электромобиля мощностью 50 кВт будет иметь полностью двунаправленный инвертор мощностью 50 кВА (2), MAB (многоактивный мостовой преобразователь) (3), батарею мощностью до 50 кВт, блок фотоэлектрических панелей (6) и разъем к электромобилю (7). Рекомендуемые уровни напряжения постоянного тока составляют около 700В на стороне инвертора для сети переменного тока 400В. При этом это напряжение (700В постоянного тока) поддерживается на постоянном уровне из-за простоты работы инвертора. Что касается уровней напряжения фотоэлектрических панелей, это будет зависеть от количества фотоэлектрических панелей, но не создаст дополнительных сложностей, поскольку трансформатор с несколькими активными мостовыми преобразователями (3) может быть спроектирован в соответствии с напряжениями портов. То же самое относится к порту электромобиля и порту внутренней батареи.

Предлагаемое зарядное устройство, выполненное вышеописанным образом, за счет, в том числе, более простой и надежной конструкции, имеющей именно такие указанные элементы и именно такое их соединение, а также за счет обеспечения двунаправленного потока электроэнергии и возможности двунаправленного подключения нескольких источников постоянного тока к одному устройству, с возможностью независимого управления потоком передачи энергии между портами, имеет повышенную эффективность и надежность работы, обеспечивает его универсальность и многофункциональность, позволяет снизить нагрузку на сеть, а также повысить защищенность его элементов и безопасность работы устройства в целом.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для быстрого заряда аккумуляторных батарей транспортных средств. Зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии включает установленные в корпусе сетевой инвертор, выполненный с возможностью двунаправленного подключения к электрической сети, блок аккумуляторных батарей и многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока, имеющий двунаправленное соединение с упомянутыми сетевым инвертором и блоком аккумуляторных батарей, причем многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока выполнен с возможностью двунаправленного подключения по меньшей мере к одному электромобилю и по меньшей мере к одному блоку фотоэлектрических панелей. Технический результат заключается в повышении эффективности работы зарядного устройства, обеспечении двунаправленного потока электроэнергии и двунаправленного подключения нескольких источников постоянного тока к одному устройству, снижении перегрузки сети, повышении безопасности, а также в его упрощении и повышении надежности. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии, характеризующееся тем, что включает установленные в корпусе сетевой инвертор, выполненный с возможностью двунаправленного подключения к электрической сети, блок аккумуляторных батарей и многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока, имеющий двунаправленное соединение с упомянутыми сетевым инвертором и блоком аккумуляторных батарей, причем многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока выполнен с возможностью двунаправленного подключения по меньшей мере к одному электромобилю и по меньшей мере к одному блоку фотоэлектрических панелей, при этом многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока состоит из многообмоточного трансформатора, резонансных фильтров и полупроводниковых топологий с полным мостом для каждого порта, и контроллера, выполненного с возможностью независимого управления потоком питания от любого порта к любому другому порту.

2. Зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии по п. 1, характеризующееся тем, что независимое управление контроллера потоком питания от любого порта к любому другому порту основано на управлении dq-фреймом с использованием преобразования Фурье.

3. Зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии по п. 1, характеризующееся тем, что многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока включает по меньшей мере четыре порта, из которых по меньшей мере один выполнен для двунаправленного подключения к блоку аккумуляторных батарей, установленному в корпусе, по меньшей мере один выполнен для двунаправленного подключения к электромобилю, по меньшей мере один выполнен для двунаправленного подключения к блоку фотоэлектрических панелей и по меньшей мене один выполнен для подключения к трехфазной сети через двунаправленный инвертор.

4. Зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии по п. 1, характеризующееся тем, что многопортовый двунаправленный преобразователь постоянного тока выполнен с возможностью дополнительного подключения по меньшей мере одного внешнего блока аккумуляторных батарей.

5. Зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии по п. 1, характеризующееся тем, что все порты выполнены универсальными с возможностью переподключения с одного любого упомянутого источника питания на другой упомянутый источник питания.

6. Зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии по п.5, характеризующееся тем, что все порты выполнены универсальными с возможностью переподключения с одного любого упомянутого источника питания на другой упомянутый источник питания, при условии, что значение напряжения другого подключаемого источника не превышает номинальное напряжение и не ниже половины номинального напряжения.

7. Зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии по п.6, характеризующееся тем, что значение номинального напряжения составляет 700 В.

8. Зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии по п.1, характеризующееся тем, что блок фотоэлектрических панелей содержит по меньшей мере одну фотоэлектрическую панель.

9. Зарядное устройство для электромобилей с несколькими источниками энергии по п.1, характеризующееся тем, что блок аккумуляторных батарей содержит по меньшей мере одну аккумуляторную батарею.