УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ

Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована для зарядки аккумуляторов электромобилей.
Известны станции для зарядки быстрозаряжаемых аккумуляторов электромобилей от слаботочных источников электричества, например, солнечных батарей или слаботочных сетей, содержащие промежуточный электрохимический накопитель энергии, заряжаемый слабым током продолжительное время, а затем выделяющий электроэнергию в виде импульсов большой мощности для быстрой зарядки особых аккумуляторов электромашин (http://www.technologytell.com/in-car-tech/2013/07/OnStar-TimberRock.jpg)
Ограничениями этого устройства являются небольшие мощности, которые способны выделять электрохимические накопители, а также невысокий КПД цикла зарядки-разрядки таких накопителей, особенно при больших значениях выделяемой мощности.
Наиболее близким является устройство для зарядки аккумулятора электромобиля, содержащее источник тока малой мощности, накопитель кинетической энергии, с одной стороны соединенный с источником тока, а с другой - предназначенный для соединения с аккумулятором электромобиля (заявка №20120313568, А1, 2012).
В этом устройстве в качестве промежуточного накопителя энергии, воспринимающего малые мощности от источника тока малой мощности для зарядки и выделяющего большие мощности для передачи энергии аккумулятору электромобиля наряду с электрохимическими аккумуляторами, как оговорено в описании к заявке, могут использоваться накопители кинетической энергии.
Ограничением этого зарядного устройства является то, что само понятие «Накопитель кинетической энергии» является неопределенным. Таковыми может быть любое движущееся тело. Например, рельсовая транспортная машина. Она может медленно разгоняться слабым током, двигаясь по замкнутой траектории, а затем, быстро тормозясь тяговой электромашиной, выделять большую мощность для зарядки электромобиля. Или крупный маховик, изготовленный литьем из чугуна и вращающийся в воздушной среде. КПД упомянутых устройств очень мал, а опасность разрушения у чугунного накопителя достаточна велика.
Решаемая полезной моделью задача - повышение технико-эксплуатационных характеристик.
Достигаемый технический результат заключается в повышении КПД и надежности устройства.
Дополнительный технический результат достигаемый в вариантах усовершенствования конструкции - улучшение удобства эксплуатации.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для зарядки аккумулятора электромобиля, содержащем источник тока малой мощности, накопитель кинетической энергии, с одной стороны соединенный с источником тока, а с другой - предназначенный для соединения с аккумулятором электромобиля, согласно заявленной полезной модели введена электромашина, накопитель кинетической энергии выполнен в виде супермаховика, установленного с возможностью его вращения в вакуумированном корпусе, вал супермаховика кинематически соединен с валом электромашины, выход которой выполнен с возможностью периодического электрического соединения с аккумулятором электромобиля.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- супермаховик был выполнен из ленты, навитой на упругую ступицу со склейкой витков ленты;
- был введен электродвигатель, и накопитель кинетической энергии, с одной стороны соединен с источником тока посредством электродвигателя, а вал супермаховика кинематически соединен с валом электродвигателя;
- были введены преобразователь тока, преобразователь напряжения и выпрямитель, электродвигатель соединен источником тока через преобразователь тока, а выход электромашины выполнен с возможностью периодического электрического соединения с аккумулятором электромобиля через последовательно соединенные преобразователь напряжения и выпрямитель;
- были введены блок управления, муфта, токосъемник муфты, датчик частоты вращения супермаховика, вход питания блока управления соединен с источником тока, информационные входы блока управления соответственно соединены с выходом датчика частоты и с выходом токосъемника муфты, управляющие выходы блока управления соединены с управляющими входами электромашины, при этом муфта установлена между валом супермаховика и валом электромашины, а выход электромашины выполнен с возможностью периодического электрического соединения с аккумулятором электромобиля посредством муфты.
Указанные преимущества полезной модели, а также ее особенности поясняются с помощью лучшего варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.
Фиг. 1 изображает функциональную схему заявленной полезной модели.
На фигуре 1 показаны: источник 1 тока малой мощности (например, напряжение сети), преобразователь 2 тока, электродвигатель 3 малой мощности, супермаховик 4, вакуумированный корпус 5 супермаховика 4, опоры 6 вращения супермаховика 4, вал 7 супермаховика 4, электромашина 8, муфта 9 включения, электромагнит 10 муфты 9, блок 11 управления, токосъемник 12 муфты 9, датчик 13 частоты вращения супермаховика 4, аккумулятор 14 электромобиля 15, пульт 16, преобразователь 17 напряжения и выпрямитель 18.
Устройство для зарядки аккумулятора электромобиля (фиг. 1) содержит источник 1 тока малой мощности, накопитель кинетической энергии, с одной стороны соединенный с источником 1 тока, а с другой - предназначенный для соединения с аккумулятором 14 электромобиля 15. В устройство введена электромашина 8, накопитель кинетической энергии выполнен в виде супермаховика 4, установленного с возможностью его вращения в вакуумированном корпусе 5 в опорах 6. Вал 7 супермаховика 4 кинематически соединен с валом электромашины 8. Выход электромашины 8 выполнен с возможностью периодического электрического соединения с аккумулятором 14 электромобиля 15.
Супермаховик 4 может быть выполнен из ленты, навитой на упругую ступицу со склейкой витков ленты, что дополнительно повышает эксплуатационную надежность и КПД.
Может быть введен электродвигатель 3, и накопитель кинетической энергии, с одной стороны соединен с источником 1 тока посредством электродвигателя 3, а вал 7 супермаховика 4 кинематически соединен с валом электродвигателя 3.
В устройство могут быть введены преобразователь 2 тока, преобразователь 17 напряжения и выпрямитель 18. Электродвигатель 3 соединен источником 1 тока через преобразователь 2 тока, а выход электромашины 8 выполнен с возможностью периодического электрического соединения с аккумулятором 14 электромобиля 15 через последовательно соединенные преобразователь 17 напряжения и выпрямитель 18.
Кроме того, в устройство могут быть введены блок 11 управления, муфта 9, токосъемник 12 муфты 9, датчик 13 частоты вращения супермаховика 4. Вход питания блока 11 управления соединен с источником 1 тока. Информационные входы блока 11 управления соответственно соединены с выходом датчика 13 частоты и с выходом токосъемника 12 муфты 9. Управляющие выходы блока 11 управления соединены с управляющими входами электромашины 8. Муфта 9 установлена между валом 7 супермаховика 4 и валом электромашины 8. Выход электромашины 8 выполнен с возможностью периодического электрического соединения с аккумулятором 14 электромобиля 15 посредством муфты 9.
Устройство для зарядки аккумулятора электромобиля может быть выполнено в виде стационарной станции, предназначенной для обслуживания электромобилей с коротким сроком зарядки и большими мощностями, развиваемыми при этом зарядным устройством. (Например, электромобилей «Тесла», описанных, в частности, в http://itc.ua/news/avtomobili-tesla-budut-zaryazhatsya-byistrey/). Срок зарядки аккумуляторов этих электромобилей в десятки раз короче срока зарядки обычных, например, свинцово-кислотных аккумуляторов, а зарядные токи и мощности - во столько же раз больше.
Работает устройство (фиг. 1) следующим образом.
Оно имеет источник 1 тока малой мощности, (например, подающий напряжение по трехфазной или двухфазной сети). Ток поступает в преобразователь тока 2, согласующий параметры тока в сети с требуемыми для работы электродвигателя 3, разгоняющего супермаховик 4, зафиксированный в вакуумированном корпусе 5 с возможностью вращения в опорах 6. Электродвигатель 3 выполнен малой мощности, соответствующей параметрам сети 1 и преобразователя 2, необходимой для медленного разгона супермаховика 4 и накопления в нем энергии. Супермаховик 4 в сравнении с другими маховиками имеет повышенный КПД. Супермаховик 4 целесообразно выполнять ленточным, поскольку он безопасен в эксплуатации и его выход из строя не приводит к образованию осколков, и имеет высокие удельные энергетические показатели. С валом 7 супермаховика 4 кинематически связана также электромашина 8, работающая в режиме генератора, и выполненная с возможностью периодического, по необходимости, подключения ее вала к валу 7 с помощью муфты 9 включения, например электромагнитной, управляемой подсоединением электромагнита 10 к источнику 1 через систему управления 11 и, например, токосъемником 12. Включение электромашины 8, обычно неподвижной, производится, например, после выравнивания частоты ее вращения с частотой вращения супермаховика 4 с помощью датчика 13 частоты его вращения и блока 11 управления при его включении. Для разгона электромашины 8 в холостом режиме достаточно тока малой мощности источника 1. После включения муфты 9 можно начинать зарядку аккумулятора 14 электромобиля 15 включением, например пульта 16 и срабатыванием преобразователя напряжения 17 и выпрямителя 18, подающим ток нужных параметров электромашины 8 в режиме генератора к аккумулятору 14. Электродвигатель 3 и электромашина 8 показаны на фиг. 1. находящиеся в вакуумированном корпусе 5, но возможно и их нахождение вне корпуса 5 с выведением вращения вала 7 супермаховика 4 из вакуумированного корпуса 5 с помощью вакуумных уплотнений (на фиг.1 не показаны). Возможна также и работа устройства при наличии только одной электромашины 8, с раскруткой супермаховика 4 от нее с питанием от источника 1 тока малой мощности через блок управления 11, однако это будет несколько более энергоемко, чем при раскрутке супермаховика 4 от электродвигателя 3 малой мощности.
Супермаховик 4 разгоняется от источника 1 тока малой мощности с помощью электродвигателя 3 с преобразователем тока 2 (в экономичном случае), или от того же источника 1, системы управления 11 и электромашины 8 (с несколько меньшей экономичностью). Затем, при достижении супермаховиком 4 требуемой частоты вращения, соответствующей полному запасу энергии, электродвигателем 3 или электромашиной 8 поддерживается эта частота вращения. Для экономичности работы электромашина 8 может при холостом вращении супермаховика 4 отключаться и отсоединяться от вала 7 с помощью муфты включения 9. При необходимости зарядки аккумулятора 14 электромобиля 15, электромашина 8 с помощью датчика 13 частоты вращения супермаховика 4, системы управления 11 и источника 1 тока получает необходимую частоту вращения, равную частоте вращения вала 7 супермаховика 4, и включением муфты 9 с помощью, например, электромагнита 10 через блок 11 управления, она соединяется с валом 7. После этого можно включать пульт 16, и от электромашины 8 в режиме генератора через преобразователь 17 напряжения и выпрямитель 18 быстро, большой мощностью, доступной супермаховику 4, как накопителю энергии, электромашина 8 зарядит аккумулятор 14. Естественно, число электромобилей 15, требующей экстренной зарядки большой мощностью, должно соответствовать энергетическим возможностям источника 1 тока (сети), так как супермаховик 4 может увеличить только мощность тока зарядки, но не энергетические показатели сети. Зарядка супермаховика 4 от источника 1 тока малой мощности займет время примерно во столько же раз большее, чем время зарядки аккумулятора 14, во сколько раз мощность зарядки этого аккумулятора 14 будет больше доступной мощности источника 1 тока.
Преимуществом заявленного устройства является то, что на саму зарядку аккумулятора 14 электромобиля 15 будет уходить малое время, которое электромобиль 15 потратит на нее, но промежутки между этими экстренными зарядками будут тем большими, чем меньше мощность сети 1. Это удобно, например, при экстренной зарядке электромобиля 15 от солнечной или ветровой электростанции, или квартирной электросети, малых мощностей. Если электромобиль 15 приходит на объект, где производится посадка пассажиров или загрузка груза, он имеет возможность заряжаться заявленным устройством экстренно для быстрого отъезда, после чего следующий приезд другого электромобиля (или этого же) будет происходить довольно не скоро. Поэтому за время отсутствия электромобилей 15 супермаховик 4 успевает накопить энергию для зарядки следующего электромобиля 15.
Таким образом, за счет того, что в устройство введена электромашина 8, а накопитель кинетической энергии выполнен в виде супермаховика 4, установленного с возможностью его вращения в вакуумированном корпусе 5 в опорах 6, и вал 7 супермаховика 4 кинематически соединен с валом электромашины 8, а выход электромашины 8 выполнен с возможностью периодического электрического соединения с аккумулятором электромобиля, то удается повысить КПД и надежность устройства. В соответствии с описанными выше вариантами выполнения устройства удается или дополнительно повысить общую величину КПД и надежность, или обеспечить дополнительные эксплуатационные удобства.
Наиболее успешно заявленное «Устройство для зарядки аккумулятора электромобиля» промышленно применимо на стационарных станциях зарядки электромобилей.