СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С ВОДОРОДНЫМИ ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Российский патент 2025 года по МПК B60L50/50 

Изобретение относится к области систем электроснабжения транспортных средств и может быть использовано в транспортных средствах, содержащих силовую установку с водородными топливными элементами.

Из уровня техники известна система электроснабжения транспортного средства, (МПК B60L 11/18, № RU 2475377 С2 от 20.02.2013, заявка №2008145980/11 от 21.11.2008), содержащая систему управления, первичный источник электрической энергии в виде силовой установки на базе топливных элементов, предназначенной для зарядки в буферном режиме накопителя электрической энергии, причем накопитель электрической энергии соединен с топливными элементами через согласующий преобразователь постоянного напряжения, который также имеет выход для питания вспомогательных потребителей транспортного средства. Накопитель энергии может быть выполнен в виде последовательно соединенных батарей. Выход накопителя электрической энергии соединен с входом инвертора напряжения, питающего асинхронный частотно-регулируемый тяговый электродвигатель. В режиме тяги инвертор напряжения потребляет электроэнергию от накопителя электроэнергии, а в режиме рекуперации выпрямленное инвертором напряжение используется для дополнительной зарядки накопителя энергии.

Данное техническое решение не обеспечивает выполнение требований по мощности, энергоемкости, надежности системы электроснабжения, предъявляемым к серийным рельсовым транспортных средствам, а соответственно не обеспечивает требуемого времени автономной работы рельсового транспортного средства с тяговыми двигателями большой мощности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту и выбранный в качестве прототипа является гибридный источник электроснабжения транспортного средства и способ управления им (МПК B60L 58/40, CN 113844338 А от 28.12.2021, первичный приоритет CN202111185281A от 12.10.2021.) Гибридный источник электроснабжения транспортного средства содержит блок управления, батарею водородных топливных элементов, накопитель электрической энергии, первый преобразователь постоянного напряжения, второй преобразователь постоянного напряжения, автономный инвертор напряжения питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей, автономный инвертор напряжения вспомогательных потребителей, причем вход первого преобразователя постоянного напряжения соединен с выходом блока водородных топливных элементов, а выход первого преобразователя постоянного напряжения соединен с катодами первых разделительных диодов, со входом автономного инвертора напряжения питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей, входом второго преобразователя постоянного напряжения и входом автономного инвертора напряжения вспомогательных потребителей, а выход второго преобразователя постоянного напряжения соединен с анодами вторых разделительных диодов, катоды которых соединены с накопителем электрической энергии и анодами первых разделительных диодов.

Использование одной батареи топливных элементов и одного накопителя энергии ограничивает мощность как тягового привода, так и вспомогательных потребителей, что является существенным недостатком данного технического решения. Наличие гальванической связи между всеми блоками снижает надежность устройства и требует соответствия выходного напряжения первого преобразователя напряжения и напряжения накопителя электрической энергии входному напряжению автономного инвертора питания частотно-регулируемого тягового асинхронного электродвигателя и автономного инвертора вспомогательных потребителей, тогда как цепи управления, накопители электрической энергии, вспомогательные потребители и тяговые электродвигатели, особенно на железнодорожном подвижном составе, работают в разных диапазонах напряжения, а также невозможность питания водородных топливных элементов от накопителя электрической энергии в режиме запуска.

Технической проблемой изобретения является создание системы электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами с расширенными функциональными возможностями, обладающей увеличенной мощностью, высокой надежностью, возможностью обеспечения различных диапазонов напряжения питания потребителей.

Техническим результатом изобретения является повышение энергоемкости и мощности системы электроснабжения, повышение надежности и расширение функциональных возможностей системы электроснабжения в целом при наличии участков электрических цепей с разным диапазоном напряжений.

Технический результат достигается тем, что система электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами содержит блок управления, два блока водородных топливных элементов, два блока накопителей электрической энергии, два первых преобразователя постоянного напряжения, два вторых преобразователя постоянного напряжения, третий и четвертый преобразователь постоянного напряжения, автономный инвертор напряжения питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей, автономный инвертор напряжения вспомогательных потребителей, выход каждого блока водородных топливных элементов соединен с собственным первым преобразователем постоянного напряжения, который в свою очередь соединен с собственным вторым преобразователем постоянного напряжения и одним из двух накопителей электрической энергии, вторые преобразователи постоянного напряжения соединены, как минимум, с одним автономным инвертором напряжения питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей, каждый первый преобразователь постоянного напряжения соединен с третьим преобразователем постоянного напряжения, в котором каждая плюсовая цепь снабжена диодом, катод которого соединен с третьим преобразователем постоянного напряжения и контактором, замыкающим цепь между третьим преобразователем постоянного напряжения и одним из двух блоков накопителей энергии и одним из двух первых и вторых преобразователей постоянного напряжения, а третий преобразователь постоянного напряжения соединен, как минимум, с одним автономным инвертором напряжения вспомогательных потребителей, шиной постоянного тока и входом четвертого преобразователя постоянного напряжения питания цепей управления и заряда аккумуляторной батареи. Кроме того, вторые, третий и четвертый преобразователи постоянного напряжения выполнены с гальванической развязкой, а первые, вторые, третий и четвертый преобразователи постоянного напряжения и автономные инверторы напряжения выполнены двунаправленными.

В предпочтительном варианте исполнения система электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами содержит тормозной резистор, соединенный с автономным инвертором напряжения питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей посредством транзисторного ключа.

В предпочтительном варианте исполнения системы электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами выходная цепь автономного инвертора напряжения вспомогательных потребителей через контактор соединена с внешней сетью напряжением 3x380 В.

Для пояснения сущности изобретения прилагается чертеж «Схема системы электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами».

Система электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами содержит блок управления 1, два блока водородных топливных элементов 2, 3, два блока накопителей электрической энергии 4, 5, два первых преобразователя постоянного напряжения 1.1, 1.2, два вторых преобразователя постоянного напряжения 2.1, 2.2, третий преобразователь постоянного напряжения 6, четвертый преобразователь постоянного напряжения 12, автономный инвертор напряжения питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей 13, автономный инвертор напряжения вспомогательных потребителей 11.

Выход каждого блока водородных топливных элементов 2, 3, соединен с собственными первыми преобразователями постоянного напряжения 1.1 и 1.2, которые, в свою очередь, соединены с собственными вторыми преобразователями постоянного напряжения 2.1 и 2.2 и параллельно соединены с одним из двух блоков накопителей электрической энергии 4 и 5. Также каждый первый преобразователь постоянного напряжения 1.1 и 1.2 соединен с третьим преобразователем постоянного напряжения 6, причем каждая плюсовая цепь первых преобразователей постоянного напряжения 1.1 и 1.2 снабжена соответственно диодами 7 и 8, катоды которых соединены с третьим преобразователем постоянного напряжения 6 и соответственно с контактами контактора 9 и контактора 10, замыкающими цепь между третьим преобразователем постоянного напряжения 6, блоками накопителей электрической энергии 4 и 5, первыми преобразователями постоянного напряжения 1.1, 1.2 и вторыми преобразователями постоянного напряжения 2.1 и 2.2. Третий преобразователь постоянного напряжения 6 соединен, как минимум, с одним автономным инвертором напряжения вспомогательных потребителей 11, шиной постоянного тока и входом четвертого преобразователя постоянного напряжения 12 питания цепей управления и заряда аккумуляторной батареи.

Вторые преобразователи постоянного напряжения 2.1 и 2.2 соединены, как минимум, с одним, автономным инвертором напряжения 13 питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей 14. Автономный инвертор напряжения 13 питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей 14 посредством транзисторного ключа может быть соединен с тормозным резистором 15. Выходная цепь автономного инвертора напряжения вспомогательных потребителей 11 через контактор 16 может быть соединена с промышленной сетью напряжением 3x380 В и частотой тока 50 Гц. Преобразователи постоянного напряжения 2.1,2.2, 6 и 12 выполнены с гальванической развязкой и преобразовывают электрическое напряжение постоянного тока, поступающее на вход в электрическое напряжение постоянного тока с более высоким уровнем напряжения или в электрическое напряжение постоянного тока с более низким уровнем напряжения постоянного тока на выходе. Кроме того, преобразователи постоянного напряжения 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 6, 12, а также автономные инверторы 13 и 11 выполнены двунаправленными.

Блок управления 1 при помощи управляющих сигналов управляет блоками водородных топливных элементов 2, 3, зарядом/разрядом блоков накопителей электрической энергии 4, 5, первыми 1.1,1.2, вторыми 2.1, 2.2, третьим 6 и четвертым 12 преобразователями постоянного напряжения, автономным инвертором напряжения 13 питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей 14, автономным инвертором напряжения вспомогательных потребителей 11, контакторами 9, 10.

Система электроснабжения работает следующим образом.

Управление системой электроснабжения обеспечивается блоком управления 1 с помощью встроенных в преобразователи постоянного напряжения 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 6, 12 датчиков, в том числе датчиков тока и напряжения. В режиме стоянки транспортного средства заряд аккумуляторной батареи происходит под контролем блока управления 1 от внешней электрической цепи напряжением 3x380 и частотой тока 50 Гц через замкнутый контактор 16, автономный инвертор напряжения вспомогательных потребителей 11 и четвертый преобразователь постоянного тока 12, заряд блоков накопителей электрической энергии 4 и 5 происходит под контролем блока управления 1 от внешней электрической цепи напряжением 3x380 В и частотой тока 50 Гц через замкнутый контактор 16, автономный инвертор напряжения вспомогательных потребителей 11, третий преобразователь 6 постоянного напряжения и соответственно замкнутые контакторы 9 и 10. Также от внешней электрической цепи может производиться запуск водородных топливных элементов в работу.

При отсутствии подключения системы электроснабжения к промышленной сети энергоснабжение блока водородных топливных элементов 2, 3 в момент его пуска происходит от блока накопителя электрической энергии 4, 5 через первые преобразователи постоянного напряжения 1.1, 1.2 под контролем блока управления 1.

Блок управления 1 включает в работу блоки водородных топливных элементов 2, 3 и регулирует выходное напряжение каждого из двух первых преобразователей постоянного напряжения 1.1, 1.2 до требуемой величины заряда накопителя энергии и обеспечивает, при необходимости, заряд блоков накопителей электрической энергии 4, 5. Параллельно через диоды 7, 8 энергия от первых преобразователей 1.1, 1.2 постоянного напряжения поступает на третий преобразователь 6 постоянного напряжения, и через четвертый преобразователь 12 постоянного напряжения происходит заряд аккумуляторной батареи, питание цепей управления постоянным током, и через, как минимум один, автономный инвертор напряжения вспомогательных потребителей 11 переменное трехфазное напряжение поступает на вспомогательное электрооборудование.

Устройство также допускает одновременный заряд обоих блоков накопителей электрической энергии 4,5 от одного блока водородных топливных элементов 2, 3 при выходе из строя, или отключении второго. При отключении блока водородных топливных элементов 2 или 3 заряд блока накопителя электрической энергии 4 происходит от преобразователя постоянного напряжения 1.2 через диод 8 и замкнутые контакты контактора 9. При этом заряд блока накопителя электрической энергии 5 происходит непосредственно от преобразователя 1.2. При отключении блока водородных топливных элементов 3 заряд блока накопителя электрической энергии 5 происходит от преобразователя постоянного напряжения 1.1. через диод 7 и замкнутые контакты контактора 10. При этом заряд блока накопителя электрической энергии 4 происходит непосредственно от преобразователя постоянного напряжения 1.1.

Устройство допускает заряд аккумуляторной батареи, питание цепей управления и электроснабжение вспомогательных потребителей от любого блока накопителя электрической энергии 4, 5 через контактор 9, 10, через третий преобразователь постоянного напряжения 6 на шину постоянного тока и автономный инвертор напряжения вспомогательных потребителей 11, через четвертый преобразователь постоянного напряжения 12 на цепи управления и аккумуляторную батарею.

В режиме движения транспортного средства под тягой электроэнергия на вторые преобразователи постоянного напряжения 2.1 и 2.2, в зависимости от требуемой мощности, может поступать одновременно от обоих блоков водородных топливных элементов 2 и 3 и обоих блоков накопителей электрической энергии 4 и 5, либо только от блоков водородных топливных элементов 2 и 3, либо только от блоков накопителей электрической энергии 4 и 5, либо от одного блока водородных топливных элементов 2 или 3 и двух блоков накопителей электрической энергии 4 и 5, либо от двух блоков водородных топливных элементов 2 и 3 и одного блока накопителя электрической энергии 4 или 5, либо от одного блока водородных топливных элементов 2 или 3, и одного блока накопителя электрической энергии 4 или 5 и параллельно через диоды 7 и 8, третий преобразователь постоянного напряжения 6 на шину постоянного тока и далее на четвертый преобразователь постоянного напряжения 12 для питания цепей управления и заряда аккумуляторной батареи, и на автономный инвертор напряжения вспомогательных потребителей 12 для питания вспомогательных потребителей.

В режиме рекуперативного торможения автономный инвертор напряжения 13 питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей 14 работает в режиме выпрямителя, и рекуперируемая энергия через двунаправленные преобразователи постоянного напряжения 2.1 и 2.2 дополнительно заряжают блоки накопителей электрической энергии 4 и 5 в зависимости от их степени разряда, а также через преобразователи постоянного напряжения 6 и 12 могут заряжать аккумуляторную батарею. Если накопители электрической энергии не могут принять всю или часть рекуперируемой энергии, она полностью или частично гасится на тормозном резисторе 15 с регулированием тока транзисторным ключом.

Таким образом, предлагаемая система электроснабжения обеспечивает увеличение запасаемой энергии и мощности, что позволяет увеличить маршрутную скорость движения за счет увеличения ускорения и скорости движения на подъемах, а также дальность пробега транспортного средства в автономном режиме, повышение надежности за счет возможных схемных соединений источников энергии и использования преобразователей напряжения с гальванической развязкой электрических цепей с различными диапазонами напряжений.

Предложенное техническое решение реализовано в системе электроснабжения транспортного средства «Рельсовый автобус на водородных топливных элементах» с конструкционной скоростью 120 км/ч. Рассчитанная на два тяговых двигателя с номинальной мощностью по 380 кВт система электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами с суммарной мощностью 440 кВт (тип водородных топливных элементов: с протонно-обменными мембранными топливными элементами; тип топлива: сжатый газообразный водород с чистотой не хуже 99,97%) и двумя накопителями электрической энергии мощностью по 250 кВт конструктивно размещена в кузове бустерной секции, обеспечивающей тяговое усилие для всего поезда, и позволяет обеспечить наличие электрических цепей с различными диапазонами напряжений:

- в электрической цепи между блоком водородных топливных элементов и первым преобразователем постоянного напряжения, достигнуто напряжение в диапазоне 450-750 В (при номинальном напряжении 550 В),

- в электрической цепи на выходе первого преобразователя постоянного напряжения напряжение находится в диапазоне 760-1020 В (при номинальном напряжении 900 В),

- в электрической цепи на выходе третьего преобразователя постоянного напряжения напряжение находится в диапазоне 550-750 В (при номинальном напряжении 650 В),

- в электрической цепи на выходе четвертого преобразователя постоянного напряжения напряжение находится в диапазоне 77-140 В (при номинальном напряжении 110 В),

- в электрической цепи на выводе автономного инвертора напряжение питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей находится в диапазоне 2200-3900 В (при номинальном напряжении 3000 В).

Рабочая мощность системы электроснабжения составляет не менее 800 кВт. Получены значения показателей надежности системы:

- средний параметр потока отказов первого рода, не более 0,5 отк./1 млн км;

- средний параметр потока отказов второго рода, не более 1,5 отк./1 млн км;

- средний параметр потока отказов третьего рода, не более 8,0 отк./1 млн км;

К отказам первого рода относят отказы поезда, вызвавшие его вынужденную остановку на перегоне или промежуточной станции с высадкой пассажиров, если дальнейшее его движение могло быть продолжено только с помощью вспомогательного локомотива. К отказам второго рода относят нарушения работоспособного состояния поезда, вызвавшее его задержку на перегоне или промежуточной станции сверх времени, установленного графиком, на не менее чем 1 ч. К отказам третьего рода относят повреждения поезда, устранение которых (неплановый ремонт) должно быть выполнено в период между плановыми видами ремонта.

Расширение функциональности системы электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами обеспечивается многорежимностью работы:

- в режиме стоянки транспортного средства заряд аккумуляторной батареи, заряд блоков накопителей электрической энергии осуществляется от внешней электрической цепи, также от внешней электрической цепи может производиться запуск водородных топливных элементов в работу.

- допускается заряд аккумуляторной батареи, питание цепей управления и электроснабжение вспомогательных потребителей от любого блока накопителя электрической энергии;

- допускается одновременный заряд обоих блоков накопителей электрической энергии от одного блока водородных топливных элементов при выходе из строя, или отключении второго. При отключении блока водородных топливных элементов 2 или 3 (см. чертеж) заряд блока накопителя электрической энергии 4 происходит от преобразователя постоянного напряжения 1.2 через диод 8 и замкнутые контакты контактора 9. При этом заряд блока накопителя электрической энергии 5 происходит непосредственно от преобразователя 1.2. При отключении блока водородных топливных элементов 3 заряд блока накопителя электрической энергии 5 происходит от преобразователя постоянного напряжения 1.1. через диод 7 и замкнутые контакты контактора 10. При этом заряд блока накопителя электрической энергии 4 происходит непосредственно от преобразователя постоянного напряжения;

- при движении транспортного средства под тягой электроэнергия может подаваться одновременно от обоих блоков водородных топливных элементов и обоих блоков накопителей электрической энергии;

- при движении транспортного средства под тягой электроэнергия может подаваться от блоков водородных топливных элементов;

- при движении транспортного средства под тягой электроэнергия может подаваться от блоков накопителей электрической энергии;

- при движении транспортного средства под тягой электроэнергия может подаваться от одного блока водородных топливных элементов и двух блоков накопителей электрической энергии;

- при движении транспортного средства под тягой электроэнергия может подаваться от двух блоков водородных топливных элементов и одного блока накопителя электрической энергии;

- при движении транспортного средства под тягой электроэнергия может подаваться от одного блока водородных топливных элементов и одного блока накопителя электрической энергии.

режим рекуперации энергии (режим рекуперативного торможения). Рекуперируемая энергия заряжает блоки накопителей электрической энергии, а также может заряжать аккумуляторную батарею. Если накопители электрической энергии не могут принять всю или часть рекуперируемой энергии, она полностью или частично гасится на тормозном резисторе.

Система электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами обеспечивает:

- среднее ускорение на прямом горизонтальном участке пути в диапазоне скоростей от 0 до 60 км/ч для трехвагонной модификации поезда «Рельсовый автобус на водородных топливных элементах» не менее 0,27 м/с2, для двухвагонной модификации поезда «Рельсовый автобус на водородных топливных элементах» не менее 0,38 м/с2.

- запас хода в автономном режиме для двухвагонной модификации поезда «Рельсовый автобус на водородных топливных элементах» не менее 725 км, для трехвагонной модификации поезда «Рельсовый автобус на водородных топливных элементах» не менее 487 км. Заявленный технический результат изобретения достигается.

Изобретение относится к транспортным средствам. Система электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами содержит блок управления, блоки водородных топливных элементов, блоки накопителей электроэнергии, преобразователи постоянного напряжения, автономный инвертор напряжения питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей, автономный инвертор напряжения вспомогательных потребителей. Повышается энергоемкость и мощность системы электроснабжения, а также надежность. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами, содержащая блок управления, блок водородных топливных элементов, блок накопителя электрической энергии, первый преобразователь постоянного напряжения, второй преобразователь постоянного напряжения, автономный инвертор напряжения питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей, автономный инвертор напряжения вспомогательных потребителей, причем блок водородных топливных элементов соединен с первым преобразователем постоянного напряжения, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок водородных топливных элементов, блок накопителей электрической энергии, первый преобразователь постоянного напряжения, второй преобразователь постоянного напряжения, третий преобразователь постоянного напряжения, четвертый преобразователь постоянного напряжения, причем выход каждого блока водородных топливных элементов соединен с собственным первым преобразователем постоянного напряжения, который в свою очередь соединен с собственным вторым преобразователем постоянного напряжения и одним из двух блоков накопителей электрической энергии, причем вторые преобразователи постоянного напряжения соединены, как минимум, с одним автономным инвертором напряжения питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей, также каждый первый преобразователь постоянного напряжения соединен с третьим преобразователем постоянного напряжения, в котором каждая плюсовая цепь снабжена диодом, катод которого соединен с третьим преобразователем постоянного напряжения и контактором, замыкающим цепь между третьим преобразователем постоянного напряжения и одним из двух блоков накопителей энергии и одним из двух первых и вторых преобразователей постоянного напряжения, а третий преобразователь постоянного напряжения соединен, как минимум, с одним автономным инвертором напряжения вспомогательных потребителей, шиной постоянного тока и входом четвертого преобразователя постоянного напряжения питания цепей управления и заряда аккумуляторной батареи, кроме того, вторые, третий и четвертый преобразователи постоянного напряжения выполнены с гальванической развязкой, а первые, вторые, третий и четвертый преобразователи постоянного напряжения и автономные инверторы напряжения выполнены двунаправленными.

2. Система электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами по п. 1, отличающаяся тем, что содержит тормозной резистор, соединенный с автономным инвертором напряжения питания частотно-регулируемых асинхронных тяговых электродвигателей посредством транзисторного ключа.

3. Система электроснабжения транспортного средства с водородными топливными элементами по п. 1, отличающаяся тем, что выходная цепь автономного инвертора напряжения вспомогательных потребителей через контактор соединена с внешней сетью напряжением 3x380 В.