[2]Изобретение относится к транспортным средствам с электрическим или гибридным приводом.
[4]В последние годы все заметнее тенденция «электрификации» автомобилей - растет в процентном отношении количество выпускаемых «чистых» электромобилей и, как промежуточного решения, гибридных автомобилей.
[5]Существенной проблемой массового применения электротранспортных средств (ЭТС) является подзарядка аккумуляторной батареи (АБ), ее технические и экономические аспекты, тесно связанные с продолжительностью этого процесса. Общеизвестно, что повышение мощности применяемого для зарядки батарей электротока может многократно сократить ее продолжительность. Это особенно ярко проявляется при переходе от использования применяемой в домашних хозяйствах США электроэнергии (напряжение 110 вольт) к использованию мощных «промышленных» зарядных устройств. Возможен промежуточный вариант, предусматривающий установку в домашних гаражах подключаемого к имеющейся электросети специального устройства, позволяющего сократить время зарядки батарей (например, для гибридного автомобиля «Chevrolet Volt», с 6-8 ч при использовании стандартного напряжения в 110 В до 3-4 ч при увеличении напряжения до 240 В). Но приобретение и установка такого устройства требует определенных дополнительных затрат (Эткин Д.М. «Некоторые технико-экономические аспекты электрификации массовых автомобилей в США», ААИ №2(61) и №4(63), 2010).
[6]Идет работа над зарядными устройствами: со временем они должны стать столь же распространенными, как бензозаправки, и восстанавливать мощность батарей на 80% за 15-30 минут. Кроме того, возможной становится зарядка АБ от домашней розетки. (А.МИЛОВЗОРОВ «Заправляться из розетки становится модно» http://www.utro.ru/articles/2010/11/24/939328.shtml)
[7]Одним из возможных направлений решения задачи быстрого и экономичного восстановления мощности АБ является размещение зарядных устройств непосредственно на борту транспортного средства.
[8]Известно техническое решение (патент US 5418437), где в состав приводной системы ЭТС, содержащей электрическую моторную систему (двигатели и преобразователи), систему управления, органы управления и АБ введено зарядное устройство (ЗУ), имеющее вход для подключения к источнику переменного тока и выход, подключенный к выходу указанной АБ. Указанное ЗУ содержит также управляющее устройство, отслеживающее состояние и управляющее работой ЗУ.
[9]Недостатками известного устройства являются:
[10]- ограниченные функциональные возможности - оно создано для работы от одного напряжения питающей сети и обеспечивает один уровень тока заряда;
[11]- увеличение массы и стоимости электрооборудования ЭТС вследствие установки преобразователя и управляющего устройства ЗУ на борту ЭТС;
[12]- недостаточный уровень безопасности - отсутствует блокировка (запрет) движения ТС при подключенном к источнику переменного тока ЗУ.
[13]Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является решение, по заявке на патент US 2007/0068714 А1. Указанное устройство содержит двигатель внутреннего сгорания с мотор-генератором; два электродвигателя, связанные соответственно с колесами передней и задней оси и управляемые соответствующими преобразователями, аккумуляторную батарею и накопитель (суперконденсатор с двойным электрическим слоем и/или маховик), связанные с общими шинами через соответствующие преобразователи; модуль управления и зарядное устройство, вход которого через согласующий трансформатор может быть подключен к внешнему источнику переменного тока, а выходные зажимы подключены к вышеуказанным общим шинам (+) и (-).
[14]Недостатками этого устройства являются:
[15]- ограниченные функциональные возможности - ЗУ может работать только при переменном напряжении питающей сети, согласованном указанным трансформатором, большем по величине, чем напряжение на указанных силовых шинах;
[16]- увеличение массы и стоимости электрооборудования ЭТС вследствие установки трансформатора, преобразователя и управляющего устройства ЗУ на борту ЭТС;
[17]- недостаточный уровень безопасности - отсутствует блокировка (запрет) движения ТС при подключенном к источнику переменного тока ЗУ.
[18]Раскрытие изобретения
[19]Целью настоящего изобретения является устранение ряда отмеченных недостатков известных устройств - расширение функциональных возможностей ЭТС в части заряда от внешнего источника, снижение массогабаритных и стоимостных показателей ЭТС, и увеличение уровня безопасности при эксплуатации ЭТС.
[20]Указанные цели достигаются в предлагаемом электротранспортном средстве с зарядным устройством на борту. Оно содержит, по меньшей мере, один электродвигатель, связанный с колесами транспортного средства через механическую передачу или без нее, и систему управления, включающую в себя один или несколько обратимых преобразователей, обеспечивающих регулирование скорости и/или момента указанного электродвигателя, аккумуляторную батарею, конденсатор большой емкости (батарея суперконденсаторов (БСК)), реверсивный преобразователь постоянного тока в постоянный ток повышающего/понижающего типа (рекуператор (РЕ)) с системой управления рекуператором, два датчика тока, два датчика напряжения, причем один или несколько преобразователей подключены непосредственно к зажимам источника питания (АБ); конденсатор подключен к зажимам АБ через указанный реверсивный преобразователь; первый датчик тока определяет величину и направление тока АБ; второй датчик тока контролирует ток индуктивности, входящей в состав реверсивного преобразователя; первый датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах АБ; второй датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах батареи суперконденсаторов; выходы указанных датчиков подключены ко входам системы управления реверсивного преобразователя, выходы которой подключены к управляющим входам ключей реверсивного преобразователя и разрядного ключа.
[21]В ЭТС введены трехфазный выпрямитель, входы которого подключены к зажимам разъема подключения внешнего источника питания, а выходы через введенный соединитель (контактор, тиристор) подключены к зажимам БСК. Кроме того, к выходу выпрямителя подключен также датчик наличия напряжения с гальванически развязанным выходом (например, оптопара с гасящим резистором), выход которого подключен ко входу введенного блока управления зарядом, к другим входам которого подключены выходы селектора уровня заряда.
[22]Краткое описание чертежей.
[23]На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого электротранспортного средства.
[24]На фиг.2 отображен алгоритм функционирования указанной электрической схемы. Подробное описание изобретения.
[25]Обратимся к фиг.1. Электрическая схема предлагаемой ЭТС содержит источник питания (АБ) с зажимами 1 и 2, напряжение на которых измеряется датчиком напряжения 1 ДН, а ток измеряется датчиком тока 1ДТ. К зажимам 1 и 2 подключены: последовательно соединенные балластный резистор R (шунтированный обратным диодом D) и разрядный ключ РК; и реверсивные преобразователи ПР1…HPi, обеспечивающие регулирование скорости и/или момента электродвигателей ЭД1…ЭД1, связанных с колесами ЭТС через механическую передачу или без нее (с использованием мотор-колес) - на схеме не показаны.
[26]Схема содержит также батарею суперконденсаторов (БСК), напряжение на которой измеряется датчиком 2ДН, БСК подключена к выходным зажимам реверсивного преобразователя (РЕ) 4 и 2, входные зажимы которого 3 и 2 подключены к зажимам 1 и 2 источника (АБ). РЕ реализован на базе четырех транзисторных ключей K1…K4, зашунтированных обратными диодами D1…D4 индуктивности L, ток которой измеряется датчиком 2ДТ. К системе управления РЕ (СУРЕ) подключены выходы вышеперечисленных датчиков. Выходы СУ подключены к управляющим входам РЕ и РК.
[27]Система управления верхнего уровня (СУВУ) ЭТС связывает сигналы датчика угла поворота руля, положения педалей газа (задания скорости и/или момента электродвигателя) и тормоза (задания момента торможения), ручного (стояночного) тормоза, переключателя режима (вперед, назад и т.п.) (на схеме не показаны) с ПР1…ITPi.
[28]В схему введены также трехфазный выпрямитель В, разъем Р подключения внешнего источника питания ВИП, контактор К, датчик наличия напряжения на выходе В ЗДН, а также блок управлением заряда БУЗ и селектор уровня заряда СУЗ, причем вход В подключен к разъему Р, положительный выход В через контактор К подключен к положительному выводу 4 СК, отрицательный выход В подключен к общей шине (зажим 2). Гальванически отвязанный выход ЗДН (в качестве которого может быть использована оптопара с гасящим резистором) связан со входом БУЗ, к другим входам которого подключены выходы СУЗ. Выходы БУЗ связаны с СУВУ и СУРЕ.
[29]Предлагаемое устройство работает в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.2 следующим образом.
[30]ВИП подключается к схеме электрооборудования ЭТС через разъем Р. В качестве ВИП может быть использована одно- или трехфазная сеть переменного тока; ветрогенератор или солнечная батарея; источник на водородных топливных элементах и т.п., с выходным напряжением 100-380 В постоянного или переменного тока (в зависимости от конкретного исполнения устройства). С помощью СУЗ задается режим заряда (предельный уровень тока заряда) - нормальный, ускоренный, форсированный (Н, У или Ф), в зависимости от текущей ситуации и мощности ВИП.
[31]Появление напряжения U3 на выходе выпрямителя через введенную схему контроля наличия из (3 ДН) запускает схему заряда АБ БУЗ, которая:
[32]1 - через СУВУ включает схему управления ЭТС (аналогично ключу зажигания);
[33]2 - блокирует электропривод ЭТС (запирает по управлению), исключая возможность движения ЭТС при подключенном шнуре ВИП;
[34]3 - дополнительной командой РЕ осуществляет заряд батареи суперконденсаторов (БСК) до максимального напряжения UБСКмакс;
[35]4 - по команде датчика напряжения 2ДН, контролирующего напряжение БСК, включается введенный в схему электрооборудования контактор К, подключающий (+) выход выпрямителя В к (+) зажиму БСК;
[36]5 - по команде указанного контактора РЕ начинается заряд АБ от БСК в режиме Н, У или Ф, задаваемом СУЗ, расположенном на пульте управления ЭТС и/или под крышкой отсека размещения разъема Р подключения ВИП;
[37]6 - при снижении напряжения UБСК до Uз уровня открываются диоды выпрямителя В и начинается заряд АБ от ВИП, при этом БСК играет роль фильтрующего конденсатора;
[38]7 - при достижении напряжения АБ заданного уровня, контролируемого датчиком напряжения АБ 1ДН или уменьшения тока заряда АБ, контролируемого датчиком тока АБ 1 ДТ, ниже заданного уровня, формируется команда окончания заряда АБ;
[39]8 - по указанной команде осуществляется заряд батареи (БСК) до максимального напряжения UБСКмакс от АБ;
[40]9 - по команде датчика напряжения, контролирующего напряжение БСК, отключается контактор, подключающий (+) выход выпрямителя к (+) зажиму БСК, и защелкивается триггер в БУЗ, фиксирующий окончание заряда АБ;
[41]10 - блокировка электроприводов ЭТС (п.2), исключающая возможность движения ЭТС при подключенном шнуре ВИП, не снимается.
[42]Для снятия блокировки и возможности движения ЭТС необходимо отключить от разъема шнур ВИП.
[43]Промышленная применимость
[44]Введение в электрическую схему транспортного средства указанных элементов и использование предложенного алгоритма позволяет создать зарядное устройство на борту ЭТС с широкими возможностями по параметрам ВИП на базе существующей силовой схемы электрооборудования ЭТС и обеспечить высокий уровень безопасности при эксплуатации ЭТС путем блокировки движения ЭТС при подключенном шнуре ВИП.
