СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ, ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
POWER SUPPLY SYSTEM, VEHICLE AND METHOD OF VEHICLE OPERATION

Изобретение относится к системе обеспечения электроэнергией, прежде всего, к тяговой системе транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства и/или дорожного автомобиля, причем система содержит приемное устройство, адаптированное для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического поля посредством электромагнитной индукции (то есть магнитной индукции, которая вызвана электромагнитным полем, и индукция вырабатывает электрическую энергию), инвертер, адаптированный для преобразования переменного тока в постоянный ток, электродвигатель, адаптированный для приведения в движение транспортного средства, и систему пассивных электрических цепей, адаптированную для соединения инвертера, электродвигателя и приемного устройства.
Кроме того, изобретение относится к транспортному средству, содержащему систему. Изобретение также относится к способу изготовления транспортного средства и способу эксплуатации транспортного средства.
WO 2010/031595 А2 раскрывает систему для обеспечения транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства электрической энергией, причем система содержит приемное устройство, адаптированное для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции. Приемное устройство содержит несколько обмоток и/или катушек из электропроводящего материала, причем каждая обмотка или катушка адаптирована для выработки отдельной фазы переменного электрического тока,
Настоящее изобретение может быть применено к любому сухопутному транспортному средству (включая, но не предпочтительно, любое транспортное средство, которое только временно находится на суше), прежде всего, к привязанным к полосе движения транспортным средствам, таким как рельсовые транспортные средства (например, трамвай), но также к дорожным автомобилям, таким как индивидуальные (частные) пассажирские автомобили или общественные транспортные средства (например, автобусы, включая троллейбусы, которые также являются привязанными к полосе движения транспортными средствами). Предпочтительно, проводниковая структура первичной стороны, которая создает переменное электромагнитное поле, встроена в полосу движения или дорогу транспортного средства так, что электрические линии проводниковой структуры первичной стороны распространяются в плоскости, которая приблизительно параллельна поверхности дороги или полосы движения, по которой может перемещаться транспортное средство. Как также описано в WO 2010/031595 А2, приемное устройство может быть расположено на нижней стороне транспортного средства и может быть закрыто ферромагнитным телом, таким как тело в форме плиты или пластины. Подходящим материалом является феррит. Тело связывает и перенаправляет силовые линии магнитного поля и поэтому уменьшает напряженность поля над телом почти до нуля. Однако возможны другие конфигурации, местоположения и/или ориентации проводниковой структуры первичной стороны. Например, проводниковая структура первичной стороны может быть расположена сбоку от транспортного средства.
В любом случае зазор между проводниковой структурой первичной стороны и по меньшей мере одной индуктивностью приемного устройства должен быть как можно меньше, поскольку эффективность беспроводной передачи энергии между первичной и вторичной сторонами меньше для больших зазоров. Одним путем управления изменяющимся напряжением на вторичной стороне системы является подача электрической энергии только к потребителям энергии, которые терпимо относятся к напряжению, то есть могут эксплуатироваться в широком диапазоне напряжений.
Другим примером, к которому может быть приложено настоящее изобретение, является система тяги рельсового транспортного средства, которая содержит сеть обеспечения электроэнергией, соединяющую приемное устройство с инвертером, который преобразует переменный выходной ток приемного устройства в постоянный ток для зарядки энергоаккумулирующего модуля, например тяговой батареи. Инвертер может также преобразовывать постоянный ток в переменный ток для приведения в действие по меньшей мере одного тягового двигателя транспортного средства. Следовательно, сеть обеспечения электроэнергией может также соединять инвертер с тяговым двигателем транспортного средства. В этом случае, однако, может существовать электрический ток от приемного устройства к тяговому двигателю через систему обеспечения электроэнергией, который может вызвать нежелательную работу тягового двигателя и, таким образом, нежелательное движение транспортного средства. Например, во время статической зарядки приемное устройство вырабатывает переменный выходной ток для зарядки тяговой батареи, когда транспортное средство остановлено.
US 6,879,889 В2 раскрывает электрическое транспортное средство с питанием от дороги, содержащее: раму транспортного средства, поддерживаемую передней и задней системой подвески, включая передние и задние колеса; бортовой приемный модуль, установленный на нижней стороне рамы транспортного средства, который принимает электрическую энергию от дорожного энергопередающего модуля, встроенного в дорогу, по которой движется электрическое транспортное средство; бортовые средства накопления энергии для накопления и отдачи электрической энергии, эти бортовые средства демонстрируют удельную мощность по меньшей мере 5 кВт/кг; тяговые электрические средства, связанные по меньшей мере с одной из передней или задней системой подвески для приведения в действие передних и задних колес; бортовые средства управления энергией для приема электрической энергии от бортового энергетического модуля и направления ее к средствам накопления энергии и для избирательной передачи электрической энергии от средств накопления энергии к тяговым электрическим средствам для обеспечения рабочей энергией электрического транспортного средства; и систему местоопределения для определения местоположения обеспечиваемого энергией от дороги электрического транспортного средства и для выработки в ответ на это сигнала местоположения. Электрический ток в тяговой системе направляется посредством активно управляемых переключателей. Переключатели могут быть электрическими реле, полупроводниковыми переключателями, тиристорами (SCR) и диодами. Недостатком предложенного решения является то, что управление потоком энергии или электрическим током в режиме зарядки или рабочем режиме транспортного средства является активным управлением, причем процессы переключения увеличивают сложность управления и создаются потери на переключение.
Целью настоящего изобретения является разработка системы обеспечения электроэнергией, прежде всего тяговой системы транспортного средства, которая уменьшает сложность управления потоком энергии или электрического тока в режиме зарядки и в рабочем режиме, в то же время уменьшая также потери энергии. Другими целями изобретения являются разработка транспортного средства, которое содержит систему, способа эксплуатации транспортного средства и способа изготовления транспортного средства.
Основной идеей изобретения является использование системы пассивных электрических цепей для соединения разных элементов системы обеспечения электроэнергией, прежде всего тяговой системы, транспортного средства, которая направляет поток энергии или электрический ток в режиме зарядки или рабочем режиме, в то же время, уменьшая потери энергии.
Предлагается система обеспечения электроэнергией, прежде всего тяговая система, транспортного средства. Система обеспечения электроэнергией может быть использована для передачи электрической энергии между энергоаккумулирующим модулем (например, электрохимическим аккумулятором), например тяговой батареей, и электродвигателем, например тяговым двигателем, который может быть использован для приведения в движение транспортного средства.
Прежде всего, система обеспечения электроэнергией содержит инвертер и электродвигатель. Электродвигатель используется, прежде всего, для приведения в движение транспортного средства. Например, электродвигатель может эксплуатироваться в режиме двигателя и в опциональном режиме генератора. В режиме двигателя электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию, используемую, прежде всего, для приведения в движение транспортного средства. В режиме генератора электродвигатель преобразует механическую энергию, обеспечиваемую движущимся транспортным средством, в электрическую энергию. Преобразование в режиме генератора может быть также названо рекуперацией. Поэтому можно заряжать энергоаккумулирующий модуль путем эксплуатации электродвигателя в режиме генератора. Электродвигатель может быть трехфазным двигателем, например асинхронным двигателем или синхронным двигателем.
Кроме того, система обеспечения электроэнергией содержит приемное устройство (обычно называемое pickup), адаптированное для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции. Приемное устройство обеспечивает вторичную сторону трансформатора, причем первичная сторона трансформатора обеспечена электрическими линиями, встроенными в полосу движения (например, дорогу), по которой движется транспортное средство. Приемное устройство используется для передачи электрической энергии от области рядом с полосой движения к транспортному средству посредством магнитной индукции. Электрическая энергия может быть передача из области рядом с полосой движения к транспортному средству, в то время как транспортное средство перемещается относительно полосы движения и/или в то время как транспортное средство неподвижно. Передача электрической энергии к накопителю, в то время как транспортное средство неподвижно, также называется статической зарядкой. Возможно, что энергоаккумулирующий модуль является заряжаемым исключительно электрической энергией, вырабатываемой приемным устройством. Это может иметь место, если электродвигатель не может эксплуатироваться в режиме генератора.
Инвертер может быть электрически подключен к энергоаккумулирующему модулю. В режиме зарядки транспортного средства инвертер преобразует переменный ток, который, например, вырабатывается приемным устройством, в постоянный ток, который используется для зарядки энергоаккумулирующего модуля. Рабочий режим транспортного средства может содержать режим двигателя и режим генератора. В режиме двигателя электрическая энергия передается от энергоаккумулирующего модуля к электродвигателю, и инвертер преобразует постоянный ток, поставляемый энергоаккумулирующим модулем, в переменный ток, который используется для приведения в действием электродвигателя. В режиме генератора электрическая энергия передается от электродвигателя к энергоаккумулирующему модулю, и инвертер преобразует переменный ток, поставляемый электродвигателем, в постоянный ток, который может быть использован для зарядки энергоаккумулирующего модуля. Инвертер может быть трехфазным инвертером, который вырабатывает трехфазный переменный ток.
Кроме того, система обеспечения энергией содержит систему пассивных электрических цепей, адаптированную для электрического соединения инвертера, электродвигателя и приемного устройства. Пассивная электрическая цепь содержит исключительно пассивные электрические элементы, такие как индуктивные элементы и/или емкостные элементы. Термин «пассивный электрический элемент» означает, что для приведения в действие пассивного элемента не используется внешняя электрическая энергия. В противовес этому активный электрический элемент, такой как полевой транзистор, для работы требует электрическую энергию. Система пассивных электрических цепей может быть также адаптирована для подключения инвертера к энергоаккумулирующему модулю. Например, энергоаккумулирующий модуль может быть электрически подключен к выходу (прежде всего, к стороне постоянного тока) инвертера. Вход (прежде всего, сторона переменного тока) инвертера может быть электрически подключен к выходу приемного устройства. Дополнительно вход инвертера может быть электрически подключен к входу электродвигателя. В такой системе выход приемного устройства может быть также электрически подключен к входу электродвигателя.
Система пассивных электрических цепей содержит первую передающую цепь для передачи электрической энергии между приемным устройством и электродвигателем. Кроме того, система пассивных электрических цепей содержит вторую передающую цепь для передачи электрической энергии между приемным устройством и инвертером. Кроме того, система пассивных электрических цепей содержит третью передающую цепь для передачи электрической энергии между инвертером и электродвигателем. Первая, вторая и третья передающие цепи являются частями системы пассивных электрических цепей. Возможно, что часть первой передающей цепи также является частью второй и/или третьей передающей цепи. Аналогично часть второй передающей цепи может быть частью первой и/или третьей передающей цепи. Также часть третьей передающей цепи может быть частью первой и/или второй передающей цепи. Альтернативно, передающие цепи могут быть названы «передающими путями», поскольку они обеспечивают путь для передачи энергии, хотя некоторые из путей могут блокировать передачу основной части энергии, по меньшей мере в особом режиме работы. Например, первая передающая цель может блокировать передачу основной части энергии, поставляемой приемным устройством напрямую к электродвигателю.
Электрические соединения, обеспечиваемые системой пассивных электрических цепей, могут быть прямыми электрическими соединениями, например, с дополнительными электрическими элементами, расположенными между инвертером и приемным устройством, или электрическими соединениями, содержащими один или более дополнительных электрических элементов, например индуктивных и/или емкостных элементов, таких как катушки индуктивности или конденсаторы.
Прежде всего, система пассивных электрических цепей выполнена так, что при заданной частоте зарядки импеданс, обеспечиваемый первой передающей цепью, выше, чем заранее заданный первый блокирующий импеданс, и импеданс, обеспечиваемый второй передающей цепью ниже, чем заранее заданный пропускающий импеданс. Первый блокирующий импеданс обозначает импеданс первой цепи. В дальнейшем термин «первый блокирующий или пропускающий импеданс» относится к импедансу первой передающей цепи, тогда как термин «второй блокирующий или пропускающий импеданс» относится ко второй передающей цепи. Как более подробно описывается ниже, термин «третий блокирующий или пропускающий импеданс» относится к импедансу третьей передающей цепи.
Частота зарядки обозначает частоту переменного электрического тока, поставляемого приемным устройством во время передачи электрической энергии в процесс зарядки, прежде всего, во время статической зарядки. Прежде всего, частота зарядки задается электрическими свойствами приемного устройства и/или частотой электромагнитного поля, которое принимается приемным устройством. Прежде всего, если частота зарядки задается резонансной частотой приемного устройства, опционально включая другие компоненты системы, заданная частота загрузки может быть также названа «собственной частотой зарядки». Например, частота зарядки может быть равна 20 кГц. При этой частоте электрические элементы, расположенные между выходом приемного устройства и входом электродвигателя, обеспечивают определенный импеданс. Этот импеданс выше, чем заранее заданный первый блокирующий импеданс. Предпочтительно, первый блокирующий импеданс выбран так, что входной ток электродвигателя меньше, чем заранее заданный входной ток, прежде всего, насколько возможно малый, Предпочтительно, равный 0 или приблизительно равный 0.
Следовательно, первый блокирующий импеданс должен быть выбран как высокий импеданс. В то же время, однако, импеданс, обеспечиваемый электрическими элементами, расположенными между выходом приемного устройства и входом инвертера, например импеданс, обеспечиваемый электрическими компонентами, составляющими вторую передающую цепь, меньше, чем заранее заданный второй пропускающий импеданс. Предпочтительно, второй пропускающий импеданс должен быть выбран так, чтобы входной электрический ток инвертера был больше, чем заранее заданный входной ток, Предпочтительно, насколько возможно большим. Следовательно, пропускающий импеданс должен быть выбран как низкий импеданс. В любом случае, первый блокирующий импеданс выше, чем второй пропускающий импеданс, Предпочтительно, выше по меньшей мере в 100 раз или даже выше в 1000 раз. На практике, первый блокирующий импеданс и второй пропускающий импеданс (и любые другие заранее заданные импедансы, такие как третий пропускающий импеданс, см. ниже) определяются электрическими свойствами (прежде всего, емкостями, индуктивностями и/или омическими сопротивлениями) системы обеспечения электроэнергией, включая приемное устройство, инвертер, электродвигатель и систему пассивных электрических цепей.
Следовательно, система пассивных электрических цепей обеспечивает пассивную переключающую сеть между приемным устройством, инвертером и электродвигателем. Во время процесса статической зарядки система пассивных электрических цепей предотвращает протекание электрического тока от приемного устройства к электродвигателю, направляя электрический ток к инвертеру. Так, электрическая энергия, переданная во время статической зарядки, главным образом, Предпочтительно, исключительно, передается к инвертеру. Преимущественно для обеспечения требуемого течения электрического тока не требуются активные элементы, такие как активные переключатели, например полевые транзисторы, электрические реле или полупроводниковые переключатели. Система пассивных электрических цепей также не допускает нежелательное движение транспортного средства по время статической зарядки, так как электрический ток, текущий к электродвигателю, минимизирован.
В другом варианте осуществления система пассивных электрических цепей выполнена так, что при заданной рабочей частоте импеданс, обеспечиваемый третьей передающей цепью, ниже, чем заранее заданный третий пропускающий импеданс. Рабочая частота обозначает частоту переменного тока, поставляемого инвертером во время работы двигателя или частоту переменного тока, поставляемого электродвигателем во время работы в режиме генератора.
Возможно, что система пассивных электрических цепей выполнена так, что при каждой частоте в интервале рабочих частот импеданс, обеспечиваемый третьей передающей цепью, ниже, чем заранее заданный третий пропускающий импеданс. Рабочая частота/частоты обычно ниже, чем частота зарядки. Например, рабочая частота может находиться в диапазоне от 0 кГц до 10 кГц.
В этом варианте осуществления электрические элементы, расположенные между инвертером и электродвигателем (прежде всего, включая электрические свойства двигателя, например внутреннюю индуктивность двигателя) выбраны так, что импеданс, обеспечиваемый этими элементами, меньше, чем третий пропускающий импеданс при заданной рабочей частоте или заданных рабочих частотах. Это, предпочтительным образом, позволяет току течь от инвертера к электродвигателю в режиме двигателя и течь от электродвигателя к инвертеру в режиме генератора. Третий пропускающий импеданс может быть равен второму пропускающему импедансу. Альтернативно, отклонение между вторым пропускающим импедансом и третьим пропускающим импедансом может быть меньше чем 50% от меньшего из двух импедансов, Предпочтительно, меньше, чем 20% от меньшего из двух импедансов. В любом случае является предпочтительным, что первый блокирующий импеданс выше, чем третий пропускающий импеданс, Предпочтительно, выше по меньшей мере в 100 раз или даже выше в 1000 раз. Предпочтительно, третий пропускающий импеданс выбран так, что ток, текущий от инвертера к электродвигателю, и/или ток, текущий от электродвигателя к инвертеру, выше заранее заданного тока. Предпочтительно, третий пропускающий импеданс выбран как низкий импеданс.
В еще одном варианте осуществления система пассивных электрических цепей выполнена так, что при заданной рабочей частоте (прежде всего, заданной рабочей частоте или одной из заданных рабочих частот, упомянутых в предшествующих абзацах) импеданс, обеспечиваемый второй передающей цепью, выше, чем заранее заданный второй блокирующий импеданс. В этом случае электрические компоненты, расположенные между инвертером и выходом приемного устройства, выбраны так, что импеданс, обеспечиваемый этими элементами, выше, чем заранее заданный второй блокирующий импеданс.
Предпочтительно, второй блокирующий импеданс выбран так, что ток, текущий от инвертера к приемному устройству, мал, Предпочтительно, равен нулю или приблизительно равен нулю. Следовательно, второй блокирующий импеданс выбран как высокий импеданс. В любом случае является предпочтительным, что второй блокирующий импеданс выше второго пропускающего импеданса и/или третьего пропускающего импеданса, Предпочтительно, выше по меньшей мере в 100 раз или даже по меньшей мере в 1000 раз.
Альтернативно или дополнительно, импеданс, обеспечиваемый первой передающей цепью, при заданной рабочей частоте, выше, чем другой заранее заданный первый блокирующий импеданс. Вышеупомянутые элементы, расположенные между выходом приемного устройства и входом электродвигателя, дополнительно выполнены или выбраны так, что импеданс, обеспечиваемый этими элементами при рабочей частоте/частотах, выше, чем другой первый блокирующий импеданс. Другой первый блокирующий импеданс может быть равен вышеупомянутому первому блокирующему импедансу. Первый блокирующий импеданс обозначает импеданс первой передающей цепи при частоте зарядки и выбран так, что ток, текущий от приемного устройства к электродвигателю, мал в режиме зарядки. Другой первый блокирующий импеданс обозначает импеданс первой передающей цепи. Другой первый блокирующий импеданс, однако, является импедансом, обеспечиваемым первой передающей цепью при заданной рабочей частоте, и выбран так, что ток, текущий от электродвигателя к приемному устройству, мал в режиме генератора.
Это, предпочтительным образом, позволяет минимизировать электрический ток от инвертера к приемному устройству в режиме двигателя и, если применимо, минимизировать электрический ток от электродвигателя к приемному устройству в режиме генератора. Это, в свою очередь, обеспечивает оптимальный перенос электрической энергии в режиме двигателя и в режиме генератора.
В другом варианте осуществления вторая передающая цепь содержит индуктивный элемент цепи, причем индуктивность индуктивного элемента цепи выбрана так, что при частоте зарядки импеданс, обеспечиваемый второй передающей цепью, ниже, чем заранее заданный второй пропускающий импеданс и/или при заданной рабочей частоте импеданс, обеспечиваемый второй передающей цепью, выше, чем заранее заданный второй блокирующий импеданс. Индуктивный элемент цепи обеспечивает фильтрующую цепь для электрического тока, текущего от инвертера или текущего к инвертеру. Индуктивный элемент цепи может быть частью третьей передающей цепи. Индуктивный элемент цепи может быть использован в режиме двигателя для развязки прямоугольного напряжения высокочастотного переменного тока, поставляемого инвертером, от приемного устройства, поскольку спектр этого выходного напряжения переменного тока может содержать резонансную частоту приемного устройства и поэтому может генерировать высокий резонансный ток. Во время проектирования электродвигателя предлагаемой системы обеспечения электроэнергией следует принимать во внимание индуктивность индуктивного элемента цепи.
Это, предпочтительным образом, делает возможным использование пассивного индуктивного элемента для развязки инвертера от приемного устройства в режиме двигателя. Это также упрощает конструкцию второй передающей цепи и, в свою очередь, всю систему пассивных электрических цепей.
В другом варианте осуществления индуктивный элемент цепи второй передающей цепи является также частью третьей передающей цепи. Поэтому индуктивный элемент цепи, прежде всего, индуктивность индуктивного элемента, должен быть выбран так, чтобы выполнялись вышеупомянутые требования к третьей передающей цепи при частоте зарядки и/или рабочей частоте. Прежде всего, индуктивность индуктивного элемента цепи выбрана так, что при заданной рабочей частоте импеданс, обеспечиваемый третьей передающей цепью, ниже, чем заранее заданный третий пропускающий импеданс.
Одновременное использование индуктивного элемента цепи как части второй передающей цепи и третьей передающей цепи, предпочтительным образом, приводит к комплексности пассивной электрической системы и, следовательно, также снижает стоимость.
В другом варианте осуществления первая передающая цепь содержит емкостный элемент цепи, причем емкость емкостного элемента цепи выбрана так, что при частоте зарядки импеданс, обеспечиваемый первой передающей цепью, выше, чем заранее заданный первый блокирующий импеданс, и/или при рабочей частоте импеданс, обеспечиваемый первой передающей цепью, выше, чем другой заранее заданный первый блокирующий импеданс. Емкостный элемент цепи может быть частью первой передающей цепи и одновременно частью третьей передающее цепи. В этом случае емкость емкостного элемента цепи может быть выбрана так, что при рабочей частоте импеданс, обеспечиваемый третьей передающей цепью, ниже, чем заранее заданный третий пропускающий импеданс. Интеграция емкостного элемента цепи, предпочтительным образом, делает возможным создание предлагаемой системы пассивных электрических цепей с легкодоступными электрическими элементами.
В одном предпочтительном варианте осуществления первая передающая цепь содержит параллельный резонансный контур. Вышеупомянутый емкостный элемент цепи может быть частью параллельного резонансного контура. Кроме того, параллельный резонансный контур может содержать индуктивный элемент, который подключен параллельно емкостному элементу. Электрические элементы параллельного резонансного контура, например индуктивный элемент и/или емкостный элемент, могут быть выбраны так, что при частоте зарядки импеданс, обеспечиваемый первой передающей цепью, выше, чем заранее заданный первый блокирующий импеданс и, если параллельный резонансный контур является также частью третьей передающей цепи, при рабочей частоте импеданс, обеспечиваемый третьей передающей цепью ниже, чем заранее заданный третий пропускающий импеданс. Параллельный резонансный контур обеспечивает высокий импеданс в случае статической зарядки. Таким образом, во время статической зарядки отсутствует или имеется лишь минимальный электрический ток от приемного устройства к электродвигателю.
В другом варианте осуществления индуктивный элемент параллельного резонансного контура является индуктивностью двигателя электродвигателя. Электродвигатель, такой как синхронный двигатель или асинхронный двигатель, содержит индуктивность двигателя, прежде всего, одну индуктивность на фазу электродвигателя. Индуктивный элемент может быть подключен параллельно вышеупомянутому емкостному элементу. Это, предпочтительным образом, делает возможным создание системы пассивных электрических цепей с меньшим числом электрических элементов. В этом случае, особенно если индуктивность двигателя является постоянной или заранее заданной как результат требований к двигателю, емкость индуктивного элемента должна быть выбрана так, чтобы параллельный резонансный контур обеспечивал высокий импеданс во время статической зарядки.
В одном альтернативном варианте осуществления первая передающая цепь содержит параллельный RC-фильтр. Параллельный RC-фильтр содержит емкостный элемент и индуктивный элемент, который подключен параллельно индуктивному элементу. Однако параллельный RC-фильтр подключен последовательно с электродвигателем, прежде всего последовательно с элементами, обеспечивающими индуктивность электродвигателя. Интеграция RC-фильтра в первую передающую цепь, предпочтительным образом, позволяет дополнительно минимизировать электрический ток от приемного устройства к электродвигателю во время статической зарядки.
В другом варианте осуществления емкостный элемент является также частью третьей передающей цепи. Также возможно, что вышеупомянутый параллельный резонансный контур или вышеупомянутый параллельный RC-фильтр также является частью третьей передающей цепи. Это, предпочтительным образом, уменьшает число электрических компонентов, используемых для создания системы пассивных электрических цепей.
В другом варианте осуществления приемное устройство содержит по меньшей мере один индуктивный элемент, который образован электропроводящим материалом для выработки одной фазы переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции. Приемное устройство обеспечивает источник постоянного напряжения в системе пассивных электрических цепей по время статической зарядки. «Источник постоянного напряжения» означает, что эффективная величина среднеквадратичного значения переменного напряжения, обеспечиваемая приемным устройством, является постоянной.
Индуктивный элемент может быть использован для целей коррекции коэффициента мощности или коррекции реактивной мощности. В этом случае электрические элементы первой и/или второй и/или третьей передаточной цепи могут быть выбраны в зависимости от индуктивности индуктивного элемента приемного устройства. Также возможно, что индуктивный элемент приемного устройства является частью первой и/или второй передающей цепи. Интеграция индуктивного элемента приемного устройства в первую и/или вторую передающую цепь или учет индуктивного элемента приемного устройства во время проектирования системы пассивных электрических цепей, предпочтительным образом, делают возможным создание системы пассивных электрических цепей с меньшим числом электрических компонентов и дополнительно делают возможной минимизацию электрического тока от инвертера к электродвигателю во время статической зарядки.
В другом варианте осуществления приемное устройство содержит по меньшей мере один другой электрический элемент, который подключен к индуктивному элементу для выработки одной фазы переменного электрического тока. Дополнительным электрическим элементом может быть емкостный элемент, который также используется для коррекции коэффициента мощности или коррекции реактивной мощности. Это, предпочтительным образом, дополнительно улучшает качество выходного напряжения и/или тока приемного устройства во время статической зарядки. Также дополнительный электрический элемент может быть частью первой и/или второй передающей цепи. Это, предпочтительным образом, делает возможным создание предлагаемой системы пассивных электрических цепей с меньшим числом электрических элементов.
Кроме того, предлагается транспортное средство, содержащее одну из предложенных ранее сетей обеспечения электроэнергией. Транспортное средство может быть привязанным к полосе движения транспортным средством или дорожным автомобилем. Прежде всего, настоящее изобретение может быть применено к любому сухопутному транспортному средству, включая, но не предпочтительно, любое транспортное средство, которое только временно находится на суше, прежде всего, к привязанным к полосе движения транспортным средствам, таким как рельсовые транспортные средства (например, трамвай), но также к дорожным автомобилям, таким как индивидуальные (частные) пассажирские автомобили или общественные транспортные средства (например, автобусы, включая троллейбусы, которые также являются привязанными к полосе движения транспортными средствами).
Предпочтительно, проводниковая структура первичной стороны, которая создает переменное электромагнитное поле, встроена в полосу движения или дорогу транспортного средства так, что электрические линии проводниковой структуры первичной стороны распространяются в плоскости, которая приблизительно параллельна поверхности дороги или полосы движения, по которой может перемещаться транспортное средство. Приемное устройство может быть расположено на нижней стороне транспортного средства и может быть закрыто ферромагнитным телом, таким как тело в форме плиты или пластины. Подходящим материалом является феррит. Тело связывает и перенаправляет силовые линии магнитного поля и поэтому уменьшает напряженность поля над телом почти до нуля. Однако возможны другие конфигурации, местоположения и/или ориентации проводниковой структуры первичной стороны.
Кроме того, предлагается способ эксплуатации транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства и/или дорожного автомобиля, с использованием электрической энергии. В режиме зарядки переменное электромагнитное поле принимается приемным устройством и используется для выработки переменного электрического тока посредством магнитной индукции. Режим зарядки является, прежде всего, режимом статической зарядки, причем транспортное средство находится на остановке или на отдыхе по время статической зарядки. Кроме того, электрическая энергия передается от приемного устройства к инвертеру через вторую передающую цепь. Инвертер преобразует переменный ток, выработанный приемным устройством во время (статической) зарядки, в постоянный ток, который может быть использован для зарядки энергоаккумулирующего модуля, например тяговой батареи транспортного средства.
Согласно изобретению передача электрической энергии от приемного устройства к электродвигателю через первую передающую цепь блокирована импедансом первой передающей цепи. Первая передающая цепь является частью системы пассивных электрических цепей, которая соединяет приемное устройство, инвертер и электродвигатель.
Частота переменного тока приемного устройства во время статической зарядки (частота зарядки) равна, например, 20 кГц, при которой импеданс первой передающей цепи выше, чем заранее заданный первый блокирующий импеданс при этой частоте зарядки. Как результат, во время статической зарядки отсутствует или имеется минимальный электрический ток от приемного устройства к электродвигателю. Прежде всего, система пассивных электрических цепей, которая содержит первую передающую цепь, выполнена так, что при заданной частоте зарядки импеданс, обеспечиваемый первой передающей цепью, выше, чем заранее заданный первый блокирующий импеданс, а импеданс, обеспечиваемый второй передающей цепью, которая также является частью системы пассивных электрических цепей, ниже, чем заранее заданный второй пропускающий импеданс.
В другом варианте осуществления электрическая энергия передается в рабочем режиме от инвертера к электродвигателю или от электродвигателя к инвертеру через третью передающую цепь. Третья передающая цепь также является частью системы пассивных электрических цепей. В режиме двигателя электрическая энергия передается от инвертера к электродвигателю. В этом случае передача энергии от инвертера к приемному устройству через вторую передающую цепь блокируется импедансом, обеспечиваемым второй передающей цепью при рабочей частоте. Прежде всего, импеданс, обеспечиваемый второй передающей цепью при рабочей частоте или частотах интервала рабочей частоты, может быть выше, чем второй блокирующий импеданс.
В режиме генератора электрическая энергия вырабатывается посредством рекуперации и передается от электродвигателя к инвертеру. В этом случае передача электрической энергии от электродвигателя к приемному устройству через первую передающую цепь блокирована импедансом, обеспечиваемым первой передающей цепью при рабочей частоте. Прежде всего, обеспечиваемый первой передающей цепью при рабочей частоте или при частотах интервала рабочей частоты импеданс может быть выше, чем другой заранее заданный первый блокирующий импеданс.
Этот способ, предпочтительным образом, позволяет минимизировать электрический ток от инвертера к приемному устройству в режиме двигателя или от электродвигателя к приемному устройству в режиме генератора.
Кроме того, предлагается способ изготовления транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства и/или дорожного автомобиля. Способ содержит следующие шаги:
- обеспечение приемного устройства, адаптированного для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- обеспечение энергоаккумулирующего модуля,
- обеспечение инвертера,
- обеспечение электродвигателя,
- обеспечение системы пассивных электрических цепей, так что при заданной частоте зарядки импеданс, обеспечиваемый первой передающей цепью системы пассивных электрических цепей, выше, чем заранее заданный первый блокирующий импеданс, а импеданс, обеспечиваемый второй передающей цепью системы пассивных электрических цепей, ниже, чем заранее заданный второй пропускающий импеданс.
Кроме того, способ содержит шаг электрического соединения приемного устройства, инвертера и электродвигателя посредством системы пассивных электрических цепей, причем система пассивных электрических цепей содержит первую передающую цепь для передачи электрической энергии между приемным устройством и электродвигателем, вторую передающую цепь для передачи электрической энергии между приемным устройством и инвертером, и третью передающую цепь для передачи электрической энергии между инвертером и электродвигателем.
В таком транспортном средстве поток энергии во время статической зарядки и/или во время работы, предпочтительным образом, направляется системой пассивных электрических цепей, которая выполнена так, что во время статической зарядки поток энергии от приемного устройства к электродвигателю равен нулю или минимизирован, в то время как по время работы транспортного средства, например во время работы в режиме двигателя или в режиме генератора, поток энергии к приемному устройстве равен нулю или минимален.
В другом варианте осуществления дополнительно выполняется следующий шаг:
- обеспечение системы пассивных электрических цепей таким образом, что при заданной рабочей частоте импеданс, обеспечиваемый третьей передающей цепью, ниже, чем заранее заданный третий пропускающий импеданс.
В другом варианте осуществления дополнительно выполняется следующий шаг:
- обеспечение системы пассивных электрических цепей таким образом, что при заданной рабочей частоте импеданс, обеспечиваемый второй передающей цепью, выше, чем заранее заданный второй блокирующий импеданс, и/или импеданс, обеспечиваемый первой передающей цепью, выше, чем заранее заданный другой первый блокирующий импеданс.
Примеры изобретения будут описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи ниже:
Фиг. 1 показывает принципиальную схему системы обеспечения электроэнергией согласно уровню техники,
Фиг. 2 показывает компоновку схемы системы обеспечения электроэнергией согласно первому варианту осуществления изобретения, и
Фиг. 3 показывает принципиальную схему системы обеспечения электроэнергией согласно второму варианту осуществления изобретения.
Фиг. 1 показывает систему 1 обеспечения электроэнергией транспортного средства (не показано) согласно уровню техники. Система 1 обеспечения электроэнергией содержит тяговую батарею 2, инвертер 3, электродвигатель 4, который содержит индуктивные элементы двигателя LM1, LM2, LM3, представляющие собой индуктивности двигателей. Кроме того, система 1 обеспечения электроэнергией содержит приемное устройство 5. Приемное устройство 5 (которое также может обозначаться как «pickup» транспортного средства) адаптировано для приема переменного электромагнитного поля и вырабатывает выходное напряжение переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции. На фиг. 1 также показаны выходные выводы T1, Т2, Т3 приемного устройства 5. Приемное устройство содержит источники V1, V2, V3 напряжения, вырабатывающие или генерирующие напряжение переменного тока посредством электромагнитной индукции. Кроме того, приемное устройство 5 содержит емкостные элементы C1, С2, С3 и индуктивные элементы L1, L2, L3, которые включены соответственно последовательно.
Фиг. 1 показывает трехфазную сеть, имеющую три фазы. Например, первый источник V1 напряжения, первый емкостный элемент С1 и первый индуктивный элемент L1 приемного устройства 5 вырабатывают выходное напряжение переменного тока первой фазы. Система 1 обеспечения электроэнергией дополнительно содержит систему 6 активных электрических цепей. Система 6 активных электрических цепей адаптирована для соединения инвертера 3, электродвигателя 4 и приемного устройства 5. Система 6 активных электрических цепей содержит три переключателя 7, по одному переключателю на фазу. Эти переключатели 7 являются активными элементами, это означает, что для приведения в действие этих переключателей 7 используется внешняя энергия. В первом положении переключателей 7 обеспечено электрическое соединение между инвертером 3 и электродвигателем 4. Во втором положении переключателей 7 обеспечено электрическое соединение между инвертером 3 и приемным устройством 5 (на фиг. 1 не показано). Переключателя могут быть, например, полевыми транзисторами, такими как MOSFET. В этом случае переключатели 7 могут приводиться в действие путем регулирования управляющего напряжения, например напряжения затвор-исток MOSFET. Также показан управляющий сигнал S переключателей 7. Управляющий сигнал S может быть зависящим от частоты управляющим сигналом S. При частоте зарядки, например, 20 кГц, управляющий сигнал S управляет переключателями 7 так, что переключатели 7 находятся во втором положении (статическая зарядка). При рабочей частоте до 10 кГц управляющий сигнал S управляет переключателями 7 так, что переключатели 7 находятся в первом положении (рабочий режим).
Фиг. 2 показывает принципиальную схему трехфазной системы 1 обеспечения электроэнергией согласно первому варианту осуществления изобретения. В отношении электрических элементов, таких как тяговая батарея 2, инвертер 3, электродвигатель 4 и приемное устройство 5, можно обратиться к описанию фиг. 1. Что касается приемного устройства 5, то последовательные соединения емкостных элементов C1, С2, С3 и индуктивных элементов L1, L2, L3 используются для коррекции коэффициента мощности или коррекции реактивной мощности. Также приемное устройство 5 обеспечивает выходное напряжение переменного тока с постоянным эффективным значением или среднеквадратичным значением.
В отличие от системы 1 обеспечения электроэнергией, показанной на фиг.1, система 1 обеспечения электроэнергией на фиг. 2 содержит систему 8 пассивных электрических цепей.
Система 8 пассивных электрических цепей содержит индуктивные элементы L4, L5, L6 цепи, прежде всего по одному индуктивному элементу L4, L5, L6 цепи на фазу. Индуктивные элементы L4, L5, L6 цепи электрически расположены между выходными выводами T1, Т2, Т3 приемного устройства 5 и инвертером. Кроме того, система 8 пассивных электрических цепей содержит емкостные элементы С4, С5, С6 цепи. Одни выводы емкостных элементов С4, С5, С6 цепи электрически соединены с выходными выводами T1, Т2, Т3 приемного устройства. Другие выводы емкостных элементов С4, С5, С6 цепи соединены в нейтральной точке ST звезды. Один емкостный элемент С4, С5, С6 цепи предназначен для каждой фазы трехфазной системы. Прежде всего, емкостные элементы С4, С5, С6 цепи расположены параллельно входным выводам ТМ1, ТМ2, ТМ3 электродвигателя 4. Индуктивные элементы LM1, LM2, LM3 двигателя и емкостные элементы С4, С5, С6 цепи образуют параллельный резонансный контур.
Относительно выходных выводов T1, Т2, Т3, первая передающая цепь, которая является частью системы 8 пассивных электрических цепей, содержит параллельный резонансный контур, образованный емкостными элементами С4, С5, С6 цепи и индуктивными элементами LM1, LM2, LM3 двигателя. Снова относительно выходных выводов T1, Т2, Т3, вторая передающая цепь, которая также является частью системы 8 пассивных электрических цепей, содержит индуктивные элементы L4, L5, L6 цепи [в оригинале - «двигателя» - прим. переводчика] и вышеупомянутый параллельный резонансный контур, образованный емкостными элементами С4, С5, С6 цепи и индуктивными элементами LM1, LM2, LM3 двигателя.
Согласно изобретению емкости емкостных элементов С4, С5, С6 цепи и индуктивности индуктивных элементов LM1, LM2, LM3 двигателя выбраны так, что при частоте зарядки в 20 кГц импеданс, обеспечиваемый первой передающей цепью, выше, чем первый блокирующий импеданс. Одновременно индуктивности индуктивных элементов L4, L5, L6 цепи выбраны так, что при частоте зарядки импеданс, обеспечиваемый второй передающей цепью, ниже, чем заранее заданный второй пропускающий импеданс. В дополнение, индуктивности индуктивных элементов L4, L5, L6 цепи, емкости емкостных элементов С4, С5, С6 цепи и индуктивности индуктивных элементов LM1, LM2, LM3 двигателя выбраны так, что при рабочей частоте с диапазоном от 8 кГц до 10 кГц импеданс, обеспечиваемый третьей передающей цепью, ниже, чем третий пропускающий импеданс. Индуктивности индуктивных элементов должны выбираться так, что импеданс второй передающей цепи выше, чем третий пропускающий импеданс. Также емкости емкостных элементов С4, С5, С6 цепи и индуктивности индуктивных элементов LM1, LM2, LM3 двигателя должны выбираться так, что импеданс первой передающей цепи выше, чем другой первый блокирующий импеданс при рабочей частоте.
Показанная система 1 обеспечения электроэнергией, предпочтительным образом, позволяет контролировать или направлять поток энергии электрического тока между инвертером 2, приемным устройством 5 и электродвигателем 4 пассивно, например без использования дополнительных активных элементов, таких как переключатели 7 (см. фиг. 1) или переключатели мощности. Управление потоком энергии или электрического тока контролируется дизайном и электрическими элементами системы 8 пассивных электрических цепей. В режиме двигателя электрическая энергия передается от тяговой батареи 2 к электродвигателю 4 через инвертер 3. Инвертер 3 вырабатывает выходное напряжение переменного тока с рабочей частотой до 10 кГц, который может быть напряжением прямоугольной формы. Из-за последовательного соединения индуктивных элементов L4, L5, L6 цепи и индуктивных элементов LM1, LM2, LM3 двигателя это напряжение прямоугольной формы и получающиеся токи прямоугольной формы преобразуются в почти синусоидальный ток. Индуктивные элементы L4, L5, L6 цепи также используются для развязки выходного напряжения инвертера в рабочем режиме, то есть напряжения прямоугольной формы, от приемного устройства 5.
В случае индуктивной зарядки с неподвижным транспортным средством (статическая зарядка), электрическая энергия передается от приемного устройства 5 к инвертеру 3. Приемной устройство 5 содержит вышеупомянутые индуктивные элементы LI, L2, L3 и емкостные элементы C1, С2, С3, которые могут также называться компенсирующими конденсаторами. Эти электрические элементы и индуктивные элементы L4, L5, L6 цепи образуют последовательный резонансный контур с заранее заданной частотой пропускания. Во время статической зарядки часть выходного напряжения приемного устройства 5 падает на входных выводах ТМ1, ТМ2, ТМ3 электродвигателя 4. Параллельный резонансный контур, образованный емкостными элементами С4, С5, С6 цепи и индуктивными элементами LM1, LM2, LM3 двигателя, обеспечивает высокий импеданс для напряжений в частотном диапазоне частоты зарядки. Таким образом, отсутствует или имеется лишь минимальный ток к электродвигателю 4.
Если во время работы транспортного средства в режиме двигателя электрическая энергия передается от инвертера 3 к электродвигателю 4, то электрический ток может свободно течь от инвертера 2 к электродвигателю 4, поскольку параллельный резонансный контур не работает на его резонансной частоте. Одновременно отсутствует или имеется только минимальный перенос электрической энергии от инвертера к приемному устройству 5 из-за вышеупомянутого последовательного резонансного контура.
Некоторые частоты выходного напряжения инвертера 3, работающего в режиме двигателя, которые, прежде всего, находятся в диапазоне резонансной частоты последовательного резонансного соединения, могут генерировать резонансный ток в приемной устройстве 5. Индуктивные элементы L4, L5, L6 сети минимизируют этот эффект. Во время торможения транспортного средства, например по время рекуперации, транспортное средство может работать в режиме генератора. Выходное напряжение, вырабатываемое электродвигателем 4 в режиме генератора, является синусоидальным выходным напряжением и имеет более низкую частоту, чем резонансная частота приемного устройства 5. Поэтому будет отсутствовать или иметься только минимальный электрический ток от электродвигателя 4 к приемному устройству 5. Однако одновременно будет свободным от помех поток энергии от электродвигателя 4 к инвертеру 3.
Ясно, что для правильного функционирования предлагаемого изобретения должен быть обеспечен достаточный разнос резонансных частот соответствующих передающих цепей.
На фиг. 3 показан альтернативный вариант осуществления системы 1 обеспечения электроэнергией. Вместо параллельного резонансного контура, содержащего емкостные элементы С4, С5, С6 (см. фиг. 2) и индуктивные элементы LM1, LM2, LM3 двигателя, система 8 пассивных электрических цепей содержит параллельные RC-фильтры RC1, RC2, RC3, которые электрически расположены между выходными выводами T1, Т2, Т3 приемного устройства 5 и входными выводами ТМ1, ТМ2, ТМ3 электродвигателя 4. Одновременно параллельные RC-фильтры RC1, RC2, RC3 расположены между инвертером 3 и электродвигателем 4 последовательно с индуктивными элементами L4, L5, L6 цепи. Параллельные RC-фильтры RC1, RC2, RC3 являются частью первой передающей цепи и третьей передающей цепи системы 8 пассивных электрических цепей. Каждый параллельный RC-фильтр RC1, RC2, RC3 содержит емкостный элемент и индуктивный элемент, который подключен параллельно емкостному элементу.
Показано, что параллельные RC-фильтры RC1, RC2, RC3 являются исключительно частью системы 8 пассивных электрических цепей, а не элементом электродвигателя 4. Также имеется один параллельный RC-фильтр RC1, RC2, RC3 на фазу трехфазной системы. Предлагаемый дизайн системы 8 пассивных электрических цепей выгодным образом делает возможной дополнительную минимизацию электрического ток от приемного устройства к электродвигателю во время статической зарядки, в то же время делая возможным протекание электрического тока между инвертером 3 и электродвигателем 4 во время рабочего режима, например, работу в режиме двигателя или режиме генератора.