ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к автономным системам электроснабжения, и может быть использована преимущественно на автомобилях для облегчения пуска ДВС в условиях низких температур, в системах СТАРТ-СТОП и на микрогибридах.
Известен источник питания (Источник питания / Соляник Д.В. И др. // Свидетельство на полезную модель РФ № 17579, 10.04.2001), который содержит электрический аккумулятор, связанный через клеммы и проводящую сеть с нагрузкой и параллельно подсоединенный к конденсатору большой емкости.
Конденсатор большой емкости (энергетический модуль), при существующем уровне техники может быть выполнен в виде батареи последовательно соединенных электрохимических конденсаторов (именуемых также суперконденсаторами). Выравнивание напряжения последовательно соединенных суперконденсаторов может осуществляться с помощью резисторов либо активных схем выравнивания. Суперконденсаторы, как и схемы выравнивания, обладают током утечки, который суммируется с током утечки электрического аккумулятора. В случае применения на транспортной машине это ведет к ускоренному разряду электрического аккумулятора во время стоянки.
Известно микрогибридное устройство для транспортной машины (Micro-hybrid device for motor vehicle / Masson et al. // U.S. Pat. № 7,952,223 B2,May 31, 2011), в котором используется энергетический модуль, содержащий конденсаторную батарею, обратимый преобразователь с управляющим входом, включенный между конденсаторной батареей и бортовой сетью транспортной машины и устройство управления с выходом, подключенным к управляющему входу обратимого преобразователя.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа к заявляемой полезной модели.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
- включение обратимого преобразователя может осуществляться по сигналу, поступающему в устройство управления энергетического модуля от информационно-управляющей сети транспортной машины, то есть, энергетический модуль в этом случае не может использоваться автономно, что сужает его функциональные возможности;
- обратимый преобразователь может быть включен постоянно, что обеспечивает возможность автономного использования энергетического модуля, однако ведет к дополнительному расходу электроэнергии во время стоянки транспортной машины и сокращению срока службы аккумулятора.
Задачей заявляемой полезной модели является уменьшение расхода электроэнергии во время длительной стоянки транспортной машины.
Техническим результатом, позволяющим решить поставленную задачу, является автоматическое включение и выключение обратимого преобразователя в автономном режиме работы энергетического модуля (без связи с информационно-управляющей сетью транспортной машины).
Поставленная задача достигается тем, что в энергетическом модуле транспортной машины, содержащем конденсаторную батарею, обратимый преобразователь с управляющим входом, включенный между конденсаторной батареей и бортовой сетью транспортной машины, и устройство управления с выходом, подключенным к управляющему входу обратимого преобразователя, согласно полезной модели устройство управления содержит усилитель переменного тока, пороговое устройство и микроконтроллер, причем вход усилителя переменного тока связан с бортовой сетью, а выход, через пороговое устройство, - со входом микроконтроллера, выход которого является выходом устройства управления.
Обратимый преобразователь может содержать драйвер со входом включения питания, который является управляющим входом обратимого преобразователя, дроссель и два полумоста с плюсовым, минусовым и коммутируемым выводами. Каждый полумост представляет собой два последовательно соединенных электронных ключа, выполненных на основе полевых транзисторов, затворы которых соединены с драйвером, причем первый полумост плюсовым и минусовым выводами соединен с конденсаторной батареей, минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, коммутируемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с коммутируемым выводом второго полумоста, плюсовой и минусовой выводы которого соединены с бортовой сетью.
Усилитель переменного тока может содержать стабилизированный источник питания, имеющий общий с бортовой сетью минусовой провод, первый биполярный n-p-n транзистор, четыре резистора и три конденсатора. Первый и второй резисторы образуют делитель напряжения, подключенный к выходу стабилизированного источника питания; выход делителя напряжения связан с базой первого n-p-n транзистора и, через первый конденсатор, - с плюсовым выводом бортовой сети. Эмиттер первого n-p-n транзистора связан через параллельно соединенные третий резистор и второй конденсатор с общим минусовым проводом. Коллектор первого n-p-n транзистора связан через четвертый резистор с выходом стабилизированного источника питания и, через третий конденсатор, - с выходом усилителя переменного тока.
Пороговое устройство может содержать второй биполярный n-p-n транзистор, пятый и шестой резисторы. Вход порогового устройства связан через пятый резистор с общим минусовым проводом и, через шестой резистор, - с базой второго n-p-n транзистора, эмиттер которого связан с общим минусовым проводом, а коллектор является выходом порогового устройства.
Заявляемый энергетический модуль может быть изготовлен на любом электротехническом предприятии, так как для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, то есть, соответствует критерию «промышленная применимость».
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что заявляемый энергетический модуль неизвестен из изученного уровня техники, то есть, соответствует критерию «новизна».
Существенные признаки предлагаемого решения влияют на достижение технического результата следующим образом:
- включение обратимого преобразователя между конденсаторной батареей и бортовой сетью и подключение выхода устройства управления к управляющему входу обратимого преобразователя позволяют прекращать работу обратимого преобразователя и отсоединять конденсаторную батарею от бортовой сети.
- выполнение устройства управления в виде усилителя переменного тока, порогового устройства и микроконтроллера, подключение входа усилителя переменного тока к бортовой сети, а выхода, через пороговое устройство, - ко входу микроконтроллера, выход которого является выходом устройства управления, позволяют осуществлять прекращение работы обратимого преобразователя и отсоединение конденсаторной батареи от бортовой сети автоматически, уменьшая расход электроэнергии во время длительной стоянки транспортной машины.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (Фиг.), на котором показаны:
- конденсаторная батарея 1;
- обратимый преобразователь 2 с управляющим входом 3;
- бортовая сеть 4;
- устройство управления, которое содержит усилитель 5 переменного тока, пороговое устройство 6 и микроконтроллер 7;
- обратимый преобразователь 2 включен между конденсаторной батареей 1 и бортовой сетью 4;
- вход усилителя 5 переменного тока связан с плюсовым проводом бортовой сети 4, а выход 8, через пороговое устройство 6, - со входом 9 микроконтроллера 7;
- выход микроконтроллера 7 является выходом устройства управления и подключен к управляющему входу 3 обратимого преобразователя 2.
Обратимый преобразователь 2 содержит:
- драйвер 10 со входом включения питания, который является управляющим входом 3 обратимого преобразователя 2;
- дроссель 11;
- первый полумост, который выполнен на основе полевых транзисторов 12, 13;
- второй полумост, который выполнен на основе полевых транзисторов 14, 15.
Каждый полумост представляет собой два последовательно соединенных электронных ключа и имеет плюсовой вывод (стоки транзисторов 12, 14), минусовой вывод (истоки транзисторов 13, 15) и коммутируемый выход (точка соединения истока транзистора 12 со стоком транзистора 13; точка соединения истока транзистора 14 со стоком транзистора 15).
Затворы транзисторов 12, 13, 14, 15 соединены с драйвером 10. Первый полумост на транзисторах 12, 13 плюсовым и минусовым выводами соединен с конденсаторной батареей 1. Минусовой вывод первого полумоста на транзисторах 12, 13 соединен с минусовым выводом второго полумоста на транзисторах 14, 15. Коммутируемый вывод первого полумоста на транзисторах 12, 13 через дроссель 11 соединен с коммутируемым выводом второго полумоста на транзисторах 14, 15. Плюсовой и минусовой выводы второго полумоста на транзисторах 14, 15 соединены с бортовой сетью 4.
Усилитель 5 переменного тока содержит:
- стабилизированный источник 16 питания, имеющий общий с бортовой сетью минусовой провод;
- первый биполярный n-p-n транзистор 17;
- резисторы 18, 19, 22, 24;
- конденсаторы 21, 23, 25.
Первый резистор 18 и второй резистор 19 образуют делитель напряжения, подключенный к выходу 20 стабилизированного источника 16 питания; выход указанного делителя напряжения связан с базой первого n-p-n транзистора 17 и, через первый конденсатор 21, - с плюсовым выводом бортовой сети 4. Эмиттер первого n-p-n транзистора 17 связан через параллельно соединенные третий резистор 22 и второй конденсатор 23 с общим минусовым проводом. Коллектор первого n-p-n транзистора 17 связан через четвертый резистор 24 с выходом 20 стабилизированного источника 16 питания и, через третий конденсатор 25, - с выходом 8 усилителя 5 переменного тока.
Пороговое устройство 6 содержит:
- второй биполярный n-p-n транзистор 26;
- пятый резистор 27;
- шестой резистор 28.
Вход порогового устройства 6 связан через пятый резистор 27 с общим минусовым проводом и, через шестой резистор 28, - с базой второго n-p-n транзистора 26. Эмиттер второго n-p-n транзистора 26 связан с общим минусовым проводом, а коллектор является выходом порогового устройства 6.
Бортовая сеть 4 содержит:
- аккумуляторную батарею 29;
- коммутируемые нагрузки, одной из которых является электромагнитный механизм 30 центрального замка автомобиля.
В исходном состоянии (во время длительной стоянки автомобиля) сигнал на управляющем входе 3 обратимого преобразователя 2 соответствует выключенному состоянию последнего. При этом питание драйвера 10 отключено, транзисторы 12, 13, 14, 15 находятся в закрытом состоянии - конденсаторная батарея 1 отключена от бортовой сети 4. Данному состоянию соответствует минимальное потребление тока от бортовой сети 4 - энергия расходуется на питание входящих в состав устройства управления усилителя 5 переменного тока и микроконтроллера 7, который при этом находится в «спящем» режиме. Принцип работы микроконтроллера в «спящем» режиме известен для специалистов в данной области техники (см. например: описание Atmega 16А на сайте http://www.atmel.com).
Собираясь в поездку, водитель дистанционно разблокирует центральный замок автомобиля; в этот момент происходит кратковременное включение электромагнитного механизма 30, которое приводит к ступенчатому потреблению тока от аккумуляторной батареи 29, и вызывает, в свою очередь, ступенчатый перепад напряжения в бортовой сети 4.
Перепад напряжения в бортовой сети 4, поступает на вход усилителя 5 переменного тока. Принцип работы усилителя переменного тока с использованием стабилизированного источника 16 питания, биполярного n-p-n транзистора 17, резисторов 18, 19, 22, 24 и конденсаторов 21, 23, 25 общеизвестен для специалистов в данной области техники.
В случае разблокирования центрального замка амплитуда усиленного сигнала на выходе 8 усилителя переменного тока 5 превышает величину порога срабатывания порогового устройства 6, и с его выхода на вход 9 микроконтроллера 7 поступает сигнал, который выводит микроконтроллер 7 из «спящего» режима.
После выхода из «спящего» режима микроконтроллер 7 подает на вход 3 сигнал включения питания драйвера 10 - обратимый преобразователь 2 начинает работать, осуществляя заряд конденсаторной батареи 1. Принцип работы обратимого преобразователя, построенного на основе драйвера 10, дросселя 11 и транзисторов 12, 13, 14, 15 известен для специалистов в данной области техники (см. например: Bidirectional buck-boost converter / Esser // U.S. Pat. №5,734,258 - Mar. 31, 1998). Для заряда конденсаторной батареи 1, используемой в системах зимнего пуска ДВС и системах СТАРТ-СТОП достаточно нескольких секунд. Таким образом, подготовка энергетического модуля к пуску ДВС происходит практически незаметно для водителя.
Микроконтроллер 7 запрограммирован таким образом, чтобы через несколько минут после выхода из «спящего» режима вновь вернуться в него. Если после возврата в «спящий» режим в ботовой сети 4 не будет происходить процессов, вызывающих кратковременные перепады напряжения (коммутация нагрузок, или работа автомобильного генератора при заведенном ДВС), то энергетический модуль будет находиться в исходном состоянии, которому соответствует минимальное потребление тока от бортовой сети 4.
Потребление тока заявляемого энергетического модуля во время длительной стоянки автомобиля не превышает 1 миллиампера, что существенно ниже собственной утечки аккумуляторной батареи и практически не влияет на срок ее службы.