ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
ELECTRICALLY DRIVE TRANSPORT FACILITY

Область техники
Настоящее изобретение относится к области электротранспортных средств (ЭС) и может быть применено как на ЭС с автономным источником питания, так и на ЭС, связанных с внешним источником питания (в трамваях, троллейбусах, поездах метро).
Более конкретно, изобретение относится к техническим решениям по рекуперации (накоплению) электроэнергии при торможении транспортного средства.
Уровень техники
Уже известны различные решения, направленные на повышение эффективности использования рекуперационной энергии в процессе торможения электротранспортного средства.
Так, известен «Запитываемый от аккумулятора тяговый электродвигатель с конденсаторным усилением» (патент FR 2757806 А1, B60L 11/00, 03.07.1998). Устройство содержит мотор, связанный с колесами транспортного средства, с электронным управлением, питаемым от аккумуляторной батареи, конденсаторную батарею и логический блок. Выход логического блока подключен к катушке реле, контакты которого подключают конденсаторную батарею последовательно к аккумуляторной батарее. В основном, конденсаторная батарея подключена в течение рекуперативного торможения и в период ускорения транспортного средства. Если рекуперативное торможение не обеспечивает полной зарядки конденсаторной батареи, используется отдельное зарядное устройство от аккумуляторной батареи.
Недостатками известного устройства являются завышенная габаритная мощность силового блока, обусловленная повышенным напряжением силового источника питания при последовательном соединении аккумуляторной батареи и конденсаторной батареи, и повышенная сложность устройства вследствие применения дополнительного блока дозарядки конденсаторной батареи.
Кроме того, при рекуперативном торможении ток заряда конденсаторной батареи, равный току заряда аккумуляторной батареи, определяется только состоянием указанных батарей и интенсивностью торможения и может превышать допустимое (рекомендуемое) значение, что приводит к сокращению длительности жизненного цикла аккумуляторной батареи.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Электропривод колес автомобиля» по авторскому свидетельству СССР №74107. Известное устройство содержит источник энергии, предназначенный для зарядки аккумуляторной батареи, которая через разделительный диод подключена к блоку молекулярных конденсаторов, присоединенному параллельно входу управляемого преобразователя напряжения. Регулирование скорости вращения осуществляется путем изменения выходного напряжения указанного преобразователя, который обеспечивает передачу электроэнергии на приводной электродвигатель с понижающим коэффициентом преобразования напряжения и рекуперацию электроэнергии приводного электродвигателя при его торможении с повышающим коэффициентом преобразования напряжения. При торможении передача аккумуляторной энергии к электродвигателю прекращается, и он переходит в режим генератора, при этом на колеса передается тормозящий момент, пропорциональный току, отдаваемому генератором, а преобразователь функционирует в режиме повышения напряжения от генератора. При дальнейшем движении подача энергии на преобразователь осуществляется от блока конденсаторов, причем этот процесс будет длиться до момента равенства напряжений на аккумуляторной батарее и блоке конденсаторов, после чего питание электропривода реализуется от аккумуляторной батареи.
Недостатком известного устройства является наличие разделительного диода между основным источником энергии - аккумуляторной батареей и основным потребителем - преобразователем с приводным электродвигателем, что обуславливает дополнительные потери на диоде в основном - двигательном режиме, а наличие радиатора разделительного диода, стоящего в силовой цепи, ухудшает массогабаритные показатели электротранспортного средства. При торможении по мере накопления энергии в блоке конденсаторов повышается напряжение на зажимах преобразователя. Это налагает дополнительные требования при выборе элементов усилителя мощности преобразователя - силовых транзисторов, конденсаторов силового фильтра, драйверов и т.п., что, как правило, приводит к завышению габаритной мощности и стоимости преобразователя и усложняет логику (настройку) работы преобразователя, так как он должен работать с напряжением питания, меняющимся в широких пределах.
Недостатком известного решения является также то, что использование энергии, запасенной в блоке конденсаторов, т.е. их разряд начинается при трогании транспортного средства, когда скорость транспортного средства начинает изменяться от нуля (минимального значения) до нового (заданного) значения. При этом мощность, потребляемая преобразователем, и, соответственно, ток источника питания изменяется от нуля (минимального значения) до максимального значения, соответствующего максимальной скорости транспортного средства. В связи с изложенным представляется более целесообразным использование энергии конденсаторов при разгоне на среднее и выше значение скорости для того, чтобы уменьшить нагрузку на источник питания и уменьшить максимальный потребляемый ток источника питания.
В статье «Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы» (www.powerinfo.ru/accumulatortype.php) представлена зависимость срока службы свинцово-кислотной батареи от глубины разряда. Как видно из представленных кривых, уменьшение глубины разряда более, чем в два раза увеличивает количество циклов, т.е. срок службы батареи. Аналогичные зависимости имеют место для аккумуляторных батарей других типов.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является устранение ряда отмеченных недостатков известных устройств и повышение тем самым коэффициента использования рекуперируемой энергии при торможении, снижение массогабаритных и стоимостных показателей электротранспортного средства и увеличение срока службы автономного обратимого источника питания.
Указанные цели достигаются в предлагаемом электротранспортном средстве. Оно содержит, по меньшей мере, один электродвигатель, связанный с колесами транспортного средства через механическую передачу или без нее, и систему управления, включающую в себя один или несколько обратимых преобразователей, обеспечивающих регулирование скорости и/или момента указанного электродвигателя, конденсатор большой емкости и балластный резистор с разрядным ключом, отличающееся тем, что оно включает в себя, по меньшей мере, один реверсивный преобразователь постоянного тока в постоянный ток повышающего/понижающего типа с системой управления, два датчика тока, два датчика напряжения, датчик скорости электродвигателя, причем один или несколько преобразователей подключены непосредственно к зажимам источника питания; конденсатор подключен к зажимам источника питания через указанный реверсивный преобразователь; первый датчик тока определяет величину и направление тока обратимого источника питания; второй датчик тока контролирует ток индуктивности, входящий в состав реверсивного преобразователя; первый датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах источника питания; второй датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах конденсатора; выходы указанных датчиков подключены ко входам системы управления реверсивного преобразователя, выходы которой подключены к управляющим входам реверсивного преобразователя и разрядного ключа.
В случае использования автономного обратимого источника питания целесообразно применение в качестве его аккумуляторной батареи, возможно дополненной электрохимическим генератором на топливных батареях.
Реверсивный преобразователь может быть реализован на базе четырех транзисторных ключей, шунтированных четырьмя обратными диодами, и индуктивности дросселя, причем коллектор первого транзистора подключен к зажиму источника питания, эмиттер первого связан с коллектором второго транзистора и первым выходом дросселя; коллектор третьего транзистора связан с зажимом конденсатора; эмиттер третьего связан с коллектором четвертого и вторым выводом дросселя; эмиттер второго связан с эмиттером четвертого, вторым зажимом конденсатора и вторым зажимом источника питания.
Реверсивный преобразователь обеспечивает предварительный заряд конденсатора до максимального напряжения заданным током и дозаряд его при недостаточном уровне энергии рекуперации.
Система управления в предлагаемом транспортном средстве определяет величину статического тока при пуске транспортного средства по моменту трогания на основании информации датчика скорости.
Система управления также обеспечивает ограничение тока источника питания за счет запаса энергии в конденсаторе при разгоне транспортного средства, заряд конденсатора за счет энергии рекуперации электродвигателя при торможении транспортного средства при изменении полярности выходного сигнала первого датчика тока, и заряд конденсатора, ограничивая ток заряда источника питания на заданном уровне, а также подключение балластного резистора к зажимам источника питания при превышении напряжения на зажимах источника питания над заданным уровнем; плавное регулирование тока балластного резистора от нуля до максимального значения.
При промежуточных значениях скорости транспортного средства (между нулевым и максимальным значениями) система управления обеспечивает уровень напряжения в конденсаторе, достаточный для обеспечения пускового тока транспортного средства при разгоне от промежуточного значения до максимального значения скорости и поддерживает возможность накопления в конденсаторе энергии рекуперации при торможении транспортного средства от промежуточного значения до полной остановки.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого транспортного средства.
На фиг.2 изображен пример выполнения электрической схемы реверсивного преобразователя.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 представлена схема предлагаемого электротранспортного средства (ЭТО), содержащего автономный (расположенный на борту ЭТС) или связанный с внешним обратимым источник питания с зажимами 1 и 2, напряжение на которых измеряется датчиком напряжения, а ток измеряется датчиком тока. К зажимам 1 и 2 подключены: последовательно соединенные балластный резистор R (шунтированный обратным диодом D) и разрядный ключ РК; реверсивные преобразователи ПР1…ПРi, обеспечивающие регулирование скорости и/или момента электродвигателей ЭД1…ЭДi, связанных с колесами ЭТС через механическую передачу или без нее (мотор-колеса) - на схеме не показаны.
Схема содержит также суперконденсатор (СК), напряжение на котором измеряется датчиком 2ДН, СК подключен к выходным зажимам реверсивного преобразователя (РПР) 4 и 2, входные зажимы которого 3 и 2 подключены к зажимам 1 и 2 источника 1.
На фиг.2 приведен пример реализации РПР на базе четырех транзисторных ключей К1…К4, зашунтированных обратными диодами D1…D4 и индуктивности L, ток которой измеряется датчиком 2ДТ.
К системе управления (СУ) подключены выходы вышеперечисленных датчиков, в том числе и выход датчика скорости, связанного с одним из электродвигателей.
Выходы СУ подключены к управляющим входам РПР и РК.
Система управления ЭТС, связывающая сигналы датчика угла поворота руля, положения педалей газа (задания скорости и/или момента электродвигателя) и тормоза (задания момента торможения), ручного (стояночного) тормоза, переключателя режима (вперед, назад и т.п.) с ПР1…ПРi на схеме не показана.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
По команде оператора (водителя) при повороте ключа зажигания СУ осуществляет заряд СК от источника 1 посредством РПР. Вначале изменением от нуля до единицы скважности (длительности подключения) транзистора К1 СК заряжается до напряжения источника 1. Затем при постоянно включенном транзисторе К1 изменением от нуля до максимального значения скважности ключа К4 СК заряжается до напряжения Uскмакс.
При пуске ЭТС СУ контролирует ток обратимого источника 1 посредством датчика тока 1ДТ и при трогании ЭТС (момент которого определяется по сигналу датчика скорости) фиксирует уровень источника 1, который соответствует статическому моменту ЭТС. Начиная с этого момента (трогания) СУ начинает разряжать СК на ПР1…ПРi, поддерживая ток источника 1 на фиксированном уровне. Тем самым обеспечивается ограничение пускового тока источника 1.
При торможении ЭТС и рекуперации энергии на выходе датчика тока 1ДТ меняется полярность выходного сигнала. При превышении указанным сигналом заданного значения, соответствующего номинальному (допустимому) зарядному току обратимого источника питания (АБ), СУ начинает заряжать СК, поддерживая зарядный ток источника 1 на заданном уровне.
Величина напряжения на СК измеряется датчиком напряжения 2ДН. Величина емкости СК выбирается из условия поглощения запаса кинетической энергии ЭТС, соответствующей максимальной скорости и максимальной загрузке ЭТС, т.е. максимального значения. При достижении допустимой величины напряжения на СК (Uскмакс) СУ прекращает зарядку СК. Если при этом процесс рекуперации не прекратился (т.е. процесс торможения не закончился) - например, затяжной спуск ЭТС с горы, то при этом начинает расти напряжение на зажимах 1 и 2. СУ на основании сигнала 2ДН подает управляющие сигналы на разрядный ключ РК. При этом СУ осуществляет плавное изменение тока РК через балластный резистор R, который шунтирует источник (зажимы 1 и 2) и обеспечивает плавное ограничение напряжения на зажимах 1 и 2.
При недостаточном уровне напряжения на зажимах СК после окончания торможения СУ посредством РПР дозаряжает СК из источника 1.
Таким образом, в предлагаемом ЭТС обеспечивается предварительный заряд и, при необходимости, дозаряд СК до требуемого уровня напряжения при стоянке, разряд СК на нагрузку при разгоне ЭТС, при этом обеспечивается ограничение тока источника питания на уровне статического тока (момента) ЭТС. Благодаря РПР СК (при необходимости) разряжается до Uскмин, ниже напряжения источника питания 1. При движении с промежуточной скоростью (меньше максимальной скорости ЭТС) в СК хранится запас энергии, достаточный для обеспечения пускового тока источника при необходимости разгона до максимальной скорости, и в СК сохраняется возможность приема (накопления) электроэнергии, рекуперируемой при торможении с промежуточной скорости до остановки.
Часть рекуперируемой энергии закачивается в обратимый источник энергии при соблюдении требований режима заряда источника энергии.
Предлагаемое устройство обеспечивает снижение потерь регулирования за счет повышения коэффициента использования рекуперируемой энергии, увеличение срока службы автономного обратимого источника питания (стоимость которого составляет значительную часть в стоимости всего ЭТС) и снижение массогабаритных и стоимостных показателей СК за счет расширения диапазона изменения напряжения на зажимах СК и возврата части рекуперируемой энергии в обратимый источник питания при соблюдении условий режима заряда источника.
Предлагаемое устройство может быть использовано как в электромобилях с автономным источником питания, так и с горэлектротранспорте (трамвай, троллейбус, метро) с внешним (связанным) источником питания. В последнем случае свойство обратимости может быть реализовано посредством установки конденсаторной батареи на входе ЭТС (зажимах 1 и 2).
Исполнительные электродвигатели могут быть любого типа - постоянного или переменного тока.
Преобразователи должны обеспечивать работу электропривода во всех четырех квадрантах электромеханической характеристики и обладать свойством обратимости, т.е. осуществлять рекуперацию энергии при торможении.