ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ELECTRIC CIRCUIT OF MOTOR VEHICLE

Область техники
Настоящее изобретение касается бортовых сетей для автотранспортных средств и, в частности, для бортовых сетей транспортных средств, оборудованных реверсивной электрической машиной типа стартер-генератора, которая во время запуска теплового двигателя является элементом, потребляющим электрическую энергию, а вне этого периода запуска может работать в режиме генератора тока. В частности, изобретение применяется для бортовых сетей, оборудованных относительно мощным стартер-генератором, что необходимо для функции STOP-AND-START и/или для запуска тепловых двигателей с относительно большим объемом цилиндров.
Предшествующий уровень техники
Некоторые автотранспортные средства оборудованы стартер-генераторами, то есть электрической машиной, которая может запускать тепловой двигатель, используя источник электрической энергии, такой как батарея, или генерировать электрический ток, накапливаемый в батарее, когда транспортное средство приводится в движение тепловым двигателем. Эти машины можно, в частности, использовать в транспортных средствах, оборудованных функцией "STOP & START", в которых тепловой двигатель отключается, как только транспортное средство останавливается, и опять запускается, как только водитель опять нажимает на педаль акселератора. В частности, в этих транспортных средствах функция STOP & START подразделяется на три фазы.
- Первоначальная фаза запуска теплового двигателя, будь то двигатель с принудительным зажиганием ("бензиновый" двигатель) или с зажиганием от сжатия ("дизельный" двигатель). Эту первоначальную фазу называют также фазой первого запуска.
- Фаза движения транспортного средства с работающим тепловым двигателем, генерирующим нулевое (поддержание постоянной скорости), положительное или отрицательное ускорение (замедление) транспортного средства. Во время ситуаций замедления система STOP & START может быть предусмотрена для преобразования части кинетической энергии транспортного средства в электрическую энергию, которую могут использовать все элементы-потребители бортовой сети транспортного средства или которую можно накапливать, например, при помощи батареи. Дополнительно система STOP & START отключает питание теплового двигателя, как только транспортное средство останавливается или даже непосредственно перед остановкой, например, как только скорость транспортного средства становится меньше определенного нижнего порогового значения скорости, что позволяет снизить расход топлива и, следовательно, сократить выбросы загрязняющих веществ.
- Фаза повторного запуска теплового двигателя, управляемая водителем, например, путем нажатия на педаль акселератора.
Электрические машины типа стартер-генератора, которые обеспечивают повторный запуск двигателя, отличаются повышенным потреблением энергии. При этом, если обычно во время первого запуска большинство электрических потребителей транспортного средства выключены, совсем другая ситуация наблюдается при повторном запуске, когда такие приборы, как кондиционер, система освещения, аудиовизуальная система транспортного средства и т.д., могут быть активными и должны оставаться таковыми для удобства и безопасности пользователей транспортного средства.
В то же время электрическая машина, предназначенная для повторного запуска, потребляет много тока, что может привести к падению высокого напряжения во всей бортовой сети и к ухудшению работы некоторых потребителей электрической энергии, что воспринимается пользователем как некачественная сборка транспортного средства с неисправностью, которая воспринимается как случайная, поскольку он не связывает повторный запуск двигателя транспортного средства с этой неисправностью (если только водитель не выключил двигатель намеренно).
Для устранения этой проблемы уже были предложены различные решения. Наиболее простым решением, уже применяемым на коммерческих транспортных средствах, оборудованных функцией STOP & START, является повышение доступной электрической мощности путем соединения второй батареи с главной батареей. Главная батарея служит для обеспечения необходимой электрической мощности во время фаз первого запуска и повторного запуска. Во время этого повторного запуска электрические функции, чувствительные к перепадам напряжения, получают питание от второй батареи, которая в этом случае является единственным источником энергии для этих функций во время этой фазы. Вне этой фазы повторного запуска (продолжительность которой обычно меньше 1 с), эти чувствительные функции получают питание от генератора транспортного средства (например, генератора переменного тока).
Это решение является относительно дорогим не только с учетом использования дополнительной батареи, которую, как и главную батарею, как правило, необходимо заменять каждые два-три года, но также, учитывая, что эту дополнительную батарею не всегда можно установить в отсеке двигателя и которую приходится располагать, например, на уровне багажника, что требует пересмотра всего электрического устройства транспортного средства и даже всей его конструкции. Кроме того, масса этой дополнительной батареи и предназначенных для нее электрических проводов утяжеляет транспортное средство, что идет в разрез с задачами этой системы, то есть со снижением потребления топлива и уменьшением загрязняющих выбросов. Наконец, как правило, эта дополнительная батарея предназначена только для элементов-потребителей, наиболее чувствительных к падению напряжения, то есть, не является полным решением проблемы ухудшения электрического обеспечения питания, и работа некоторых приборов, не получающих питание от этой дополнительной батареи, может ухудшиться. Эту проблему усугубляет наличие множества вспомогательных приборов, которые могут быть подключены к бортовой сети, например, игровых приставок, видеоплееров, холодильника, нагревателя для детских бутылок и т.д., поэтому размерные параметры приборов не всегда можно легко определить, если только изначально не выполнять их с большим запасом размерности.
Другая возможность состоит в дополнении батареи другим типом средства накопления энергии, например, конденсатором. В этом случае батарея обеспечивает электрическую мощность, необходимую для запуска теплового двигателя (фаза первого запуска) транспортного средства, и служит для питания всех подключенных к ней функций. Второе средство накопления в основном используют во время повторных запусков. Однако, поскольку опорное напряжение этого второго средства накопления является переменным, например, меняется от однократного до трехкратного значения опорного напряжения транспортного средства, это второе средство накопления можно подключить к бортовой сети, только если предусмотреть преобразователь типа постоянного тока в постоянный ток DC/DC или аналогичного средства. В данном случае это решение тоже приводит к повышению стоимости, к проблемам размещения (преобразователь может потребовать, например, объема порядка 5 л) и увеличения общей массы транспортного средства (например, на 5-10 кг).
С недавних пор некоторые транспортные средства оборудуют устройством поддержания напряжения, известным также под аббревиатурой DMT, соединенным последовательно с батареей. По сути дела DMT является преобразователем напряжения DC/DC, компенсирующим мгновенную мощность, через который приборы, чувствительные к падению напряжения, получают питание, по крайней мере, во время фаз повторного запуска, и в этом случае DMT отбирает свою энергию от батареи. Это решение создает, по существу, те же проблемы, что и решение, предусматривающее дублирование батареи, то есть, усложняет электрическое устройство транспортного средства, увеличивает его массу, сокращает полезный объем из-за габаритов DMT и приводит к снижению эффективности работы приборов, не получающих питания от этого преобразователя.
Кроме того, из патента FR2853154 известна система питания электрической энергией элементов-потребителей, установленных на автотранспортном средстве, содержащая средства, образующие генератор электрической энергии, выход которого соединен через электрическую сеть с первыми средствами накопления электрической энергии, например, такими как электрохимическая батарея, и с первым элементом-потребителем. Второй элемент-потребитель подключен к электрической сети через средства, образующие вспомогательный источник энергии, например, такие как конденсатор, и средства коммутации, работой которых управляют средства управления, для обеспечения зарядки вторых средств накопления от остальной части системы и их последовательного соединения со вторым элементом-потребителем для обеспечения его питания во время его активации. Такое устройство позволяет повышать напряжение и мощность на контактах второго потребителя во время его активации и, следовательно, ослабить влияние падения напряжения, связанное с запуском элементов основных потребителей энергии, не прибегая при этом к увеличению габаритов средств генерирования и накопления энергии. Вместе с тем, это устройство предназначено только для снабжения мгновенной мощностью на определенную функцию и не решает проблем во время фаз остановки двигателя.
Краткое изложение сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание устройства бортовой сети, содержащей стартер-генератор и конденсатор, позволяющего минимизировать падения напряжения, когда стартер-генератор работает в режиме стартера.
Согласно изобретению, эта задача решается путем реализации электрической схемы, содержащей линию массы, бортовую сеть с батареей, соединенной с бортовой сетью и с линией массы через первую ветвь, содержащую первый переключатель, и через вторую ветвь, содержащую второй переключатель, генератор переменного тока, подключенный к батарее, стартер и элементы-потребители, соединенные с бортовой сетью и с линией массы, при этом схема дополнительно содержит устройство поддержания напряжения, образованное мостом, соединяющим точку первой ветви между батареей и первым переключателем с точкой второй ветви между вторым переключателем и линией массы, и конденсатором, соединенным с мостом в точке между третьим переключателем и второй ветвью, и внутреннее устройство питания, обеспечивающее протекание тока во вторую ветвь только во время повторной зарядки конденсатора.
Настоящее изобретение применяется, в частности, для электрических схем, содержащих стартер-генератор.
В устройстве сети, согласно изобретению, напряжение может поддерживаться, в частности, во время запуска, то есть, когда стартер-генератор работает в режиме стартера и представляет собой существенную нагрузку для сети, поэтому другие потребители электрической энергии не ощущают влияния падения напряжения, обычно происходящего при активации функции запуска.
Эта задача решается за счет простого использования переключателей и внутреннего устройства питания, которое, разумеется, может быть преобразователем типа DC/DC, но при этом затраты (как с точки зрения финансов, так и габаритов) не сравнимы с использованием преобразователей, предлагаемых известными решениями.
Схему в соответствии с настоящим изобретением можно реализовать на основании обычной схемы, в которую добавляют некоторое число элементов (на практике вторую ветвь, мост, блок внутреннего питания, конденсатор и несколько переключателей), но не меняя при этом всей остальной части электрического устройства транспортного средства, иначе говоря, изобретение является очень простым в осуществлении в случае, когда функция STOP-AND-START предусмотрена в качестве опции, так как обычная схема транспортного средства не пересматривается.
В предпочтительном варианте изобретения схему выполняют таким образом, чтобы первая ветвь соединяла отрицательный полюс батареи с линией массы.
В варианте изобретения внутреннее устройство питания содержит диод и катушку индуктивности. Речь может также идти о другом типе преобразователя DC/DC (характеристиках), в частности, о преобразователе типа понижающего трансформатора.
По существу, преобразователь может представлять собой последовательное соединение нескольких конденсаторов. Предпочтительно этим конденсатором или этими конденсаторами могут быть суперконденсаторы, известные также под названием ультра-конденсаторов или UCAP, при этом технология накопления энергии суперконденсаторами основана на принципе работы классических конденсаторов и обеспечивает более низкие характеристики плотности энергии, чем электрохимическая батарея, но более высокую способность накопления/разрядки большой мощности. Суперконденсаторы выдерживают намного большее число циклов зарядки и разрядки, чем обычные батареи, что позволяет их использовать в качестве источников большой мощности в короткие промежутки времени. Выпускаемые в продажу в настоящее время суперконденсаторы, как правило, выполнены в виде цилиндрического элемента, образованного наматыванием на него листа, состоящего из одного листа алюминиевой фольги, образующего анод, бумажного разделителя и другого листа алюминиевой фольги, образующего катод. Листы фольги, образующие анод и катод, обычно подвергают поверхностной обработке для формирования тонкого слоя алюминия и особенно для приклеивания активного слоя, например, такого как слой пористого углерода. Полученный таким образом элемент пропитывают затем электролитом, весь комплекс заключают в герметичный корпус, чтобы исключить испарение электролита, предусматривая, разумеется, средства для соединения анода и катода с электрической цепью.
В варианте выполнения изобретения предпочтительно переключателями управляет блок управления, управляющий переключениями в зависимости от режима работы стартер-генератора. Предпочтительно это управление учитывает также внешние параметры, такие как скорость транспортного средства, режим теплового двигателя, уровень заряда конденсатора, уровень заряда батареи и уровень нагрузки бортовой сети.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схему, иллюстрирующую падение напряжения бортовой сети во время запуска без применения какого-либо способа компенсации;
фиг.2 изображает упрощенную электрическую схему автотранспортного средства, оборудованного централизованным устройством поддержания напряжения в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 изображает изменение напряжения бортовой сети и конденсатора во время повторного запуска для электрической схемы, показанной на фиг.2.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг.1 показана модель изменения напряжения бортовой сети во время повторного запуска транспортного средства, оборудованного функцией повторного запуска типа STOP-AND-START. Как можно отметить, во время периода, примерно равного 500 мс, напряжение бортовой сети, которое обычно составляет порядка 12,5 вольт (если транспортное средство оборудовано обычной батареей такого же напряжения), практически мгновенно падает примерно до 8 вольт.
Чтобы избежать такого падения напряжения, настоящим изобретением предлагается изменить электрическую схему транспортного средства, добавив в нее устройство поддержания напряжения, называемое централизованным в том смысле, что оно не предназначено только для одного или нескольких конкретных элементов-потребителей. Это устройство показано на фиг.2. Следует подчеркнуть, что это устройство будет расположено вблизи батареи, и что его внедрение потребует лишь относительно простых изменений электрической схемы транспортного средства.
На этой фиг.2 показаны элементы обычной электрической схемы, а именно: бортовая сеть R с основным источником питания, представляющим собой батарею 1, например, электрохимическую батарею, или, в целом, любое эквивалентное средство аккумулирования напряжения.
Батарея получает питание от стартер-генератора 3, соединенного с батареей через ветвь 12 и соединенного также с массой М. Этот стартер-генератор является реверсивной электрической машиной, которая выполняет роль генератора переменного тока, то есть генератора электрической энергии (не во время запусков), и которая во время запусков (например, во время первого запуска и повторных запусков) вращает вал теплового двигателя. В варианте выполнения (не показан) стартер-генератор заменен генератором переменного тока, при этом запуск и повторные запуски обеспечивает стартер, который в этом случае представляет собой электрическую нагрузку.
Все эти элементы, а также стартер-генератор соединены, с одной стороны, с напряжением Ur бортовой сети (например, 12,5 вольт) и, с другой стороны, с потенциалом массы М. Батарея тоже соединена с этим потенциалом массы через ветвь b1 сети, соединенную с отрицательным полюсом батареи, а другая ветвь b2 соединена с положительным полюсом.
Устройство поддержания напряжения в соответствии с настоящим изобретением в основном выполнено путем установки моста b3, соединяющего две ветви b1 и b2, при этом на линии b4, соединяющей этот мост b3 с ветвью b1, установлен конденсатор 2. Два управляемых переключателя К1 и К3 установлены соответственно на ветви b1 и на мосту b3, точнее, К1 установлен на части ветви b1 между мостом b3 и ветвью b4, а К3 - на части моста b3 между ветвью b1 и ветвью b4, содержащей конденсатор. Переключатели К1 и К3 управляются при помощи контроллера, в данном случае условно показанного позицией 5, и управляемого, например, системой управления двигателем, или, в частности, модулем, предназначенным для запуска и повторного запуска транспортного средства.
Когда переключатель К3 находится в положении пропускания, тогда как переключатель К1 находится в разомкнутом положении, конденсатор соединен последовательно с батареей транспортного средства. Эта конфигурация соответствует фазе запуска или повторного запуска теплового двигателя.
Кроме того, на ветви b2 присутствует узел 8, образующий внутреннее устройство питания, содержащее диод 10 и катушку 11 индуктивности, связанные с переключателем К2, тоже управляемым, например, устройством 5 или устройством, специально предназначенным для этого переключателя. В варианте диод 10 можно заменить прерывателем, который преобразует структуру типа BUCK (компенсации) в структуру типа BUCK-BOOST (компенсации с повышением). Таким образом, с точки зрения электрики узел 8 можно рассматривать как преобразователь DC/DC, в случае необходимости, являющийся реверсивным.
Для подзарядки конденсатора через узел 8 подается команда на переключатель К2 (в случае необходимости, по частоте), К3 размыкается и К1 переходит в положение пропускания.
В частности, напряжение зарядки конденсатора получают от внутреннего устройства 8 питания. Предпочтительно это напряжение зарядки можно регулировать в зависимости от электрических характеристик стартер-генератора, от потребностей электрических функций/элементов транспортного средства и от состояния батареи (напряжение без нагрузки, внутреннее полное сопротивление и температура).
Таким образом, повторной зарядкой конденсатора можно управлять во время торможений транспортного средства или двигателя, соответствующих фазе рекуперации кинетической энергии в электрическую энергию. Эту повторную зарядку можно также осуществлять при таких условиях движения, когда скорость транспортного средства стабилизирована, или при ускорении транспортного средства или двигателя, если это позволяют условия нагрузки бортовой сети.
Кроме того, повторную зарядку конденсатора можно осуществлять, только если напряжение конденсатора меньше заранее определенного заданного порогового значения в (8), что позволяет обеспечивать номинальные характеристики всех функций/элементов во время повторного запуска или первого запуска.
Управляемые переключатели К1 и К3 должны быть выполнены с возможностью пропускания токов порядка 700 А и более (ток стартера), причем в течение периода порядка 0,5 с, показанного на фиг.1. Для этого наиболее предпочтительно использовать переключатели, выполненные по технологии, называемой Power Mos (МОП-структура).
Разумеется, блок управления коммутаторами К1, К3 и предпочтительно также К2 должен быть выполнен с возможностью управления переключениями в зависимости от информации о рабочем состоянии стартер-генератора, а также предпочтительно от внешней информации, такой как скорость транспортного средства или двигателя, напряжение (уровень заряда) конденсатора и/или батареи и/или бортовой сети, сравниваемых с опорными уровнями.
С учетом присутствия диода 10, отмечено, что конденсатор может разряжаться только на батарею, иначе говоря ток постоянно циркулирует в одном направлении. Предпочтительно внутренний блок питания выполнен с возможностью повторной зарядки конденсатора средним током порядка 40 А в течение периода порядка 10 с, причем для конденсатора, например, емкостью 300 Ф, содержащего, по меньшей мере, один UCAP на 2,5 вольт. Даже если внутренний блок питания является преобразователем типа DC/DC, его параметры не предусмотрены для продолжительного питания бортовой сети, поэтому он является "микро-преобразователем", имеющим очень небольшие габариты и небольшую массу.
Емкостное сопротивление конденсатора, а также его максимальное напряжение можно регулировать в зависимости от условий характеристик работы: износ батареи, мощность запуска, или условий одной или нескольких питаемых функций/элементов, требующих более высокого напряжения в фазе запуска. В фазе торможения транспортного средства часть кинетической энергии может служить для повторной зарядки конденсатора через генератор переменного тока.
На фиг.3 показано изменение напряжения ботовой сети во время запуска, аналогичное фиг.1, но при схеме, оборудованной устройством поддержания напряжения в соответствии с настоящим изобретением. Отмечается появление небольших пиков напряжения при замыкании и размыкании переключателей К1 и К3, но практически мгновенных, поэтому они обычно не мешают работе различных потребителей электрической энергии сети, адаптированных к таким пикам. Такое незначительное падение напряжения бортовой сети может происходить также по мере протекания фазы запуска и достигать порядка 1 вольта в конце периода, но и в данном случае оно имеет величину, совместимую с номинальной работой потребителей.
Следует отметить, что, если нагрузка стартер-генератора не является постоянной во время фазы запуска или повторного запуска теплового двигателя, могут происходить большие перепады напряжения, которые можно минимизировать (ограничивать сверху) за счет регулирования переключателя К3.
Кроме этого, на фиг.3 показано напряжение конденсатора, и можно отметить, что запуск представляет собой падение заряда, эквивалентное падению напряжения всего порядка на 1 вольт. Поскольку это изменение напряжения намного ниже напряжения батареи, повторная зарядка конденсатора происходит менее затруднительно, чем если бы конденсатор повторно заряжался через параллельное соединение с батареей.
Устройство поддержания напряжения в соответствии с настоящим изобретением позволяет также частично компенсировать ухудшение работы батареи в холодное время (поскольку отрицательная температура практически не сказывается на характеристиках конденсатора). Оно является особенно предпочтительным для применения с двигателями, объем цилиндров которых превышает, например, 1,6 л, для запуска и повторного запуска которых необходима большая мощность.