Устройство для зарядки аккумуляторов большой ёмкости

Полезная модель относится к сфере зарядных устройств постоянного напряжения большой мощности для быстрой зарядки аккумуляторов электротранспорта различного типа и аккумулирующих подстанций.
Существуют зарядные устройства в виде источника постоянного напряжения с ручным или автоматическим регулированием зарядного тока, взятые в качестве аналогов.
Известна «Мощная центральная станция для зарядки электромобилей постоянным и/или переменным током» (RO 131163, 2015.11.11). Изобретение относится к мощной центральной станции для зарядки электромобилей постоянным или переменным током. Согласно изобретению зарядная станция автомобиля состоит из конкретного корпуса (23), в котором размещен трансформатор (7) и связанная с ним защитная часть, и, в зависимости от желаемого уровня мощности и доступного пространства, этот корпус (23) продолжается трехфазным выпрямительным корпусом, управляемым или нет, состоящим из выпрямительных блоков (15), которые питаются на половину мощности трансформатора (7), снабжены промежуточным электромагнитным фильтром (8) и имеют выходы постоянного тока. Эти два корпуса с общим названием трансформаторно-выпрямительный блок содержат элементы для соединения с системой производства возобновляемой энергии с использованием фотоэлектрических панелей (2), где трансформаторно-выпрямительный блок оснащен n выходами переменного тока с доступной мощностью в диапазоне 7,2...43 кВт и n выходами постоянного тока с доступной мощностью не менее 20 кВт, в первом варианте осуществления в выпрямительном блоке установлен элемент управления напряжением, а во втором варианте осуществления указанный элемент управления напряжением установлен в каждой станции, зарядная станция также снабжена электронными блоками управления, контроля активации/оплаты и дистанционной передачи данных, где блок управления выполнен таким образом, чтобы соответствовать стандарту связи для зарядки переменным и постоянным током, блок контроля измеряет потребляемую энергию на каждой станции, вычисляет эффективность передачи энергии, показывает отчет о потреблении энергии фотоэлектрического источника, контролирует элементы преобразования и указывает возможные ошибки/отказы. В то время как передаточный блок собирает данные со всех электронных блоков и передает их в центральный диспетчерский блок.
Важнейшим недостатком такого устройства являются его большие вес, габариты, стоимость, потери энергии из-за того, что в нем используется трансформаторы промышленной частоты, через который проходит вся мощность, передаваемая в электромобиль при быстрой зарядке его аккумулятора.
Известно «Устройство зарядной станции постоянным током на базе тяговой подстанции электрического транспорта» (RU №203237, 14.10.2020). Устройство зарядной станции постоянным током на базе тяговой подстанции электрического транспорта включает высоковольтный тяговый трансформатор, выпрямитель, оборудование распределительного устройства тяговой сети, а также управляемый источник постоянного тока и датчик тока в составе зарядного терминала, датчик тока заряда подключен к управляемому источнику постоянного тока через два параллельно соединенных электрических аппарата, при этом один полюс замыкающего контакта каждого из двух электрических аппаратов присоединяется к выходу источника тока, а второй полюс замыкающего контакта первого электрического аппарата соединяется непосредственно с входом зарядного терминала, а второй полюс замыкающего контакта второго электрического аппарата соединяется с входом зарядного терминала через токоограничивающий резистор. Для реализации программной части защитных функций и функций управления устройством зарядной станции установлен промышленный контроллер, один входной канал которого представляет проводной интерфейс для связи с автономным транспортным средством, другой входной канал промышленного контроллера соединен с датчиком тока заряда, при этом один выходной канал промышленного контроллера соединен с управляющим входом управляемого источника постоянного тока, а другой - выходной канал с блоком электрических аппаратов.
Это устройство имеет те же самые недостатки, что и предыдущее. Дополнительным серьезным недостатком является то, что это устройство привязано к месту установки тяговой подстанции и не может быть использовано вдали от места расположения тяговой подстанции.
Патент на изобретение «Коробчатая подстанция для станции зарядки электромобиля» (CN 102163813, 30.01.2011). Изобретение относится к подстанции типа коробки, предназначенной для станции зарядки электрического транспортного средства, высоковольтный входной контур электрической энергии, соединенный с зарядной станцией, расположен на стороне высокого напряжения трансформатора; высоковольтный выключатель расположен на высоковольтном входном контуре электрической энергии; выходная электрическая цепь низкого напряжения, которая соединена с фильтрующим модулем, расположена на стороне низкого напряжения трансформатора, низковольтный выключатель расположен на основной цепи низкого напряжения электрической энергии и управляет главной схемой вывода электрической энергии низкого напряжения для инжекции низковольтного зарядного электроэнергии трансформатора в модуль фильтрации; низковольтная зарядная электрическая энергия проходит через фильтрующий модуль и впрыскивается в зарядное устройство через, по меньшей мере, один контур зарядки; и трансформатор, высоковольтный выключатель, низковольтный выключатель модуль фильтрации и контур зарядного ответвления интегрированы в одну и ту же коробку. Подстанция уменьшает гармонические волны в зарядном устройстве и гарантирует, что на качество электрической энергии энергосети не влияет; кроме того, занятая область зарядной станции уменьшается, время зарядки сокращается, и уровень защиты улучшается.
Преимуществом этого устройства является то, что оно обеспечивает фильтрацию гармоник напряжений и токов и, как результат повышение качества электроэнергии питающей сети. Однако появление в ее конструкции дополнительных трансформаторов промышленной частоты приводит к усугублению выше отмеченных недостатков: еще больше возрастает масса установки, ее габариты и стоимость при неизменной зарядной мощности.
Известна «Быстрая зарядная станция постоянного тока для электромобилей» (US 20190372465, 05.01.2017). Схема зарядки постоянного тока для электрического транспортного средства включает в себя конденсатор с нейтральной точкой (npc) и вольтовычитающий преобразователь dc/dc. Выпрямитель npc выполнен с возможностью преобразовывать трехфазную мощность переменного тока в первое напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя. Вольтовычитающий преобразователь dc/dc включает в себя первую ступень постоянного тока, соединенную с выходной ступенью выпрямителя, и вторую ступень постоянного тока, выполненную с возможностью соединения с электрическим транспортным средством. Вольтовычитающий преобразователь dc/dc выполнен с возможностью преобразовывать первое напряжение постоянного тока во второе напряжение постоянного тока, которое должно подаваться в электрическое транспортное средство.
Несомненным преимуществом этого устройства является то, что оно не содержит силовые трансформаторы промышленной частоты, из-за чего оно лишено отмеченных выше недостатков, т.к. применяемый в его составе трансформатор повышенной частоты, как известно, обладает малыми массой габаритами, стоимостью и потерями энергии. В этом патенте описано несколько схемотехнических решений.
Однако во всех случаях устройство не менее двух полупроводниковых преобразователей, через которые проходит общий поток зарядной мощности. В результате устройство содержит избыточное количество силовых электронных компонентов, выход из строя хотя бы одного из них означает прекращение работы устройства, т.е. снижается эксплуатационная надежность. Анализ этих схемотехнических решений позволяет сделать вывод, что силовые электронные компоненты работают в сложных условиях, т.к. возможно появление их перегрузки по току и напряжению. Усложняется алгоритм управления силовыми электронными компонентами. Применяемая в этом устройстве схема Виенна-выпрямителя трехфазного сетевого напряжения промышленной частоты (фиг. 1, 2) обычно используется при сравнительно невысокой передаваемой мощности - до 5 кВт. Невысокая единичная мощность такого устройства обусловлена также применением в его составе силовых полевых транзисторов и диодов Шоттки на основе SiC, имеющие сравнительно невысокие предельные параметры по току и напряжению. Такой мощности недостаточно для установок зарядки электромобилей. Поэтому для получения зарядной станции быстрой зарядки мощностью 100 кВт и более требуется объединение в ней порядка 20 шт. и более этих устройств.  Кроме этого, она требует сложного алгоритма управления и при большой мощности значительно снижается ее надежность, т.к. выход из строя хотя бы одного силового электронного компонента приводит к неисправности всей зарядной станции.
Известно «Устройство для трансформатора зарядной станции автомобильного зарядного устройства не менее двух зарядных точек» (CN109927588, 17.12.2018). Трансформаторное устройство (10) для зарядной станции (100) для электрифицированных транспортных средств, станция зарядки включает в себя, по меньшей мере, две точки (110) зарядки. Трансформаторное устройство включает в себя входное соединение (20) для электрического соединения с источником электрической энергии трансформаторное устройство дополнительно включает в себя, по меньшей мере, одну первичную обмотку (30) и последовательно соединенные последовательно, по меньшей мере, три электрически параллельных вторичных обмотки (40), которые изолированы по постоянному току друг от друга. Вторичные обмотки (40) выполнены с возможностью соединения, по меньшей мере, с двумя выходными соединениями (60), по меньшей мере, двух точек (110) зарядки посредством логики (50) переключения. Коммутационная логика (50) соединяет, по меньшей мере, две вторичные обмотки (40) электрически параллельно с соответствующим выходным соединением (60) соответствующей точки зарядки.
Особенностью этого устройства является то, что одно устройство позволяет осуществлять зарядку двух и более электромобилей одновременно. Однако оно сохраняет недостатки, связанные с наличием трансформаторов промышленной частоты, через которые передается вся зарядная мощность: большие масса, габариты, стоимость, потери энергии. Кроме этого, возможно неблагоприятные взаимные влияния на процесс зарядки нескольких подключенных потребителей (электромобилей).
Известна «Электрозарядная станция» (RU №188167, 14.06.2018). Электрозарядная станция включает корпус, а также установленные внутри него программируемый логический контроллер, а также устройство управления процессом заряда электромобиля, устройство защитного отключения с приводом дистанционного автовзвода, датчик угла наклона, модуль связи, внутренний датчик температуры воздуха, датчик относительной влажности воздуха, датчик горючих газов, герконовый датчик, реле напряжения, трансформатор тока и напряжения, модуль измерения параметров электрической сети, реле контроля сопротивления изоляции цепей переменного тока, реле контроля электрических величин и устройство защиты от импульсных перенапряжений и помех, соединенные с контроллером, при этом снаружи корпуса расположен зарядный разъем, бесконтактный терминал оплаты, модуль внешней индикации и внешний датчик температуры воздуха, соединенные с контроллером. Техническим результатом является повышение эффективности предупреждения аварийных ситуаций на электрозарядных станциях.
Преимуществом этого устройства является наличие эффективной системы предупреждения аварийных ситуаций. Однако наличие такой системы не устраняет недостатки, обусловленные использованием в составе устройства трансформатора промышленной частоты, через который передается вся зарядная мощность.
1
3
1
6
1
6
7
10
11
14
1
3,
7
10
11
14
Существует зарядное устройство, принятое за прототип, электрическая схема которого представлена на https://russianelectronics.ru/bev/. Устройство получает питание от трехфазной питающей сети переменного напряжения, например 220/380 В. Это напряжение выпрямляется с помощью двухполупериодного (биполярного) трехфазного выпрямителя, собранного по схеме Виенна-выпрямителя (L÷L, D ÷ D, Q ÷ Q) с получением биполярного постоянного напряжения относительно нулевого провода трехфазной сети. Устройство содержит два мостовых транзисторных преобразователей напряжения (Q÷ Q) и (Q ÷ Q), собранные с использованием силовых полевых транзисторов на основе SiC (карбид кремния) и подключенные к выходам биполярного трехфазного выпрямителя.  Индуктивности L÷L выполненные в виде дросселей, вместе с конденсаторами, включенными параллельно входу каждого мостового преобразователя, образуют фильтр высших гармоник для тока, потребляемого из питающей сети. Напряжение повышенной частоты, снимаемое с выхода каждого преобразователя через корректирующие индуктивно-ёмкостные LC цепочки, подано на отдельный согласующий силовой трансформатор повышенной частоты, который, как правило, является понижающим. Переменное напряжение повышенной частоты, снимаемое со вторичной обмотки силовых трансформаторов повышенной частоты, выпрямляется выпрямителями напряжения повышенной частоты (D ÷ D) и (D ÷ D), которые выполнены с использованием диодов Шоттки на основе SiC. Напряжение с выхода этих выпрямителей подано на аккумуляторную батарею электромобиля.
Благодаря применению транзисторных преобразователей напряжения и трансформаторов повышенной частоты устройство имеет малые массу и габариты. Однако из-за использования в составе устройства Виенна-выпрямителя и силовых электронных компонентов (полевые транзисторы и диоды Шоттки) на основе SiC единичная мощность его не превышает 5 кВт. Для получения зарядной станции большой мощности (≥100 кВт) требуется объединение 20 и более таких устройств. В итоге повышается стоимость зарядной станции, значительно усложняется система управления и снижается надежность.
Технический результат заключается в повышении мощности устройства при использовании минимального количества силовых полупроводниковых приборов в его составе, что, в свою очередь, приведет к снижению стоимости устройства и повышению его эксплуатационную надежность. Также достигается снижение массы и габаритов устройства, повышение КПД, а также упрощение системы управления устройством. Кроме этого, в составе предлагаемого устройства нет необходимости применять Виенна-выпрямитель со всеми его недостатками (невысокий предел мощности, сложная система управления, сильное влияние не симметрии напряжений и токов трехфазной питающей сети на режимы работы установки).
Технический результат достигается предлагаемым устройством постоянного напряжения для зарядки аккумуляторов электротранспорта, содержащим трехфазный двухполупериодный биполярный выпрямитель переменного напряжения промышленной частоты, получающий питание от трехфазной сети с получением биполярного постоянного напряжения относительно нулевого провода трехфазной сети, транзисторные мостовые преобразователи напряжения повышенной частоты, подключенные к выходам постоянного биполярного напряжения, силовые трансформаторы повышенной частоты, первичные обмотки которых подключены к выходу преобразователей напряжения через корректирующие индуктивно-емкостные цепочки. К выводам вторичных обмоток подключены выпрямители напряжения повышенной частоты, выход выпрямителей для осуществления зарядки подключается к аккумуляторной батарее электромобиля, систему управления устройством, причем между выходами биполярного постоянного напряжения трехфазного выпрямителя и входами транзисторных мостовых преобразователей напряжения повышенной частоты последовательно включены дроссели. Параллельно входу каждого транзисторного преобразователя подключен конденсатор, а первичные обмотки силовых трансформаторов повышенной частоты выполнены слоевыми, в свою очередь, вторичные обмотки выполнены катушечными с установкой нескольких катушек поверх первичной обмотки и распределением катушек по длине первичной обмотки. К выводам каждой катушки подключен отдельный выпрямитель напряжения повышенной частоты, а выводы всех выпрямителей соединены последовательно и параллельно с получением двух выходных зажимов, к которым подключен один из выводов дросселей. Между вторыми выводами дросселей включены конденсаторы, в свою очередь, выводы от конденсаторов при осуществлении зарядки подключены к аккумуляторной батарее электротранспорта.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого устройства, на фиг. 2 - пример выполнения силовых трансформаторов повышенной частоты.
вых
Питание установки производится от трехфазной сети переменного тока 220/380 В промышленной частоты 1, 2. Переменное напряжение промышленной частоты выпрямляется с помощью двух трехфазных однополупериодных выпрямителей 3 с получением биполярного выпрямленного напряжения относительно нулевого провода 2 (нейтрали трехфазной сети). Выпрямители выполнены с использованием силовых тиристоров, что дает дополнительные возможности в управлении установкой. При наличии такой возможности тиристоры могут быть заменены силовыми диодами, что упростит конструкцию, снизит ее стоимость и уменьшит потери энергии. Цепочки, состоящие из дросселей 4, а также емкостей 5, обеспечивают сглаживание выпрямленных напряжений каждой полярности. Постоянные напряжения с выхода этих цепочек поданы на два мостовых преобразователя напряжения 6 и 7 соответственно, выполненные с использованием современных мощных IGBT транзисторов. Напряжение повышенной частоты с выхода каждого преобразователя напряжения через корректирующие индуктивно-ёмкостные цепочки 8 подано на первичные обмотки отдельных силовых трансформаторов повышенной частоты 9 и 10. Эти обмотки выполнены слоевыми (фиг. 2). Несколько шт. вторичных обмоток 11 выполняются катушечными, расположенными поверх первичной обмотки и равномерно распределены по высоте первичной обмотки. К выводам вторичных обмоток подключены диоды Шоттки 12, образующие двухполупериодные выпрямители напряжения повышенной частоты каждой вторичной обмотки. Конденсаторы 13 служат для сглаживания пульсаций выпрямленных напряжений повышенной частоты. Все эти выпрямители напряжения повышенной частоты соединены последовательно, а выходные напряжения всех выпрямителей суммируются, достигая требуемой величины на выходе установки U. Дроссель 14 и конденсатор 15 служат для дополнительного снижения пульсаций выходного напряжения. Выходные контакты 16 при осуществлении зарядки электротранспорта подключены к выводам его аккумуляторной батареи.
Преимущества устройства обусловлены применением минимального количества силовых полупроводниковых элементов, в качестве которых используются мощные IGBT, тиристоры большой мощности и мощные силовые диоды Шоттки. В настоящее время уже широко производятся и применяются высоковольтные IGBT, рассчитанные на токи в сотни ампер, а также диоды Шоттки на ток до 300 А. Это означает, что единичное устройство, выполненное по схеме фиг. 1, может иметь мощность 100 кВт и более, чего вполне достаточно для быстрой зарядки практически всех видов электротранспорта. Сравнительно небольшое количество силовых электронных приборов в составе устройства по сравнению с прототипом приводит к повышению его эксплуатационной надежности. Кроме этого, предварительные оценки показывают, что заявляемое устройство будет иметь и меньшую стоимость. Заявляемое устройство (фиг. 1) обеспечивает значительное повышение мощности по сравнению с прототипом. Например, при использовании в ее составе IGBT, например, типа  FF450R12KT4HOSA1, а также диодов Шоттки 12 типа DSA300/200NA мощность единичного устройства составляет 100 кВт.
Пример выполнения силовых трансформаторов повышенной частоты 9, 10 (фиг. 1) представлен (фиг. 2) при мощности 40-60 кВт и при частоте рабочего напряжения 13-15 кГц. Преимущества заявляемого устройства обусловлены также особенностями этих трансформаторов, имеющих магнитопроводы 17 из аморфного материала. Первичная обмотка 18 выполнена слоевой с использованием провода прямоугольного сечения. Выполнение вторичной обмотки в виде нескольких катушек 19, которые также удобно изготавливать с использованием обмоточных проводов прямоугольного сечения (шин), позволяет существенно снизить емкость этой обмотки относительно земли и ее известное отрицательное влияние на режимы работы транзисторных преобразователей напряжения. На фиг. 2 для примера показан трансформатор не с тремя вторичными обмотками (фиг. 1), а пятью.  Такая конструкция вторичной обмотки, например, необходима для получения напряжения на выходе установки (фиг. 1) порядка 600-800 В, что требуется для некоторых видов электротранспорта.
Кроме этого, применение представленной конструкции вторичной обмотки 19 позволяет обеспечить согласование выходного напряжения обмоток и допустимых параметров диодов Шоттки 12 (фиг. 1) по напряжению.
В составе установки (фиг. 1) используется всего два силовых трансформатора повышенной частоты (фиг. 2), что также выгодно отличает заявляемое устройство от прототипа. Причем эти силовые трансформаторы повышенной частоты имеют сравнительно небольшие размеры, которые могут быть еще снижены посредством дальнейшей оптимизации.