ТЯГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ЗАРЯДНЫМ УСТРОЙСТВОМ

Заявленная полезная модель относится к области электротехники, в частности к системе заряда тягового источника тока и электрического питания тяговых электрических машин электромобилей и гибридных транспортных средств.
Система тягового электрооборудования транспортных средств с электрическим приводом, как правило, включает комплекс отдельных преобразователей напряжения, в том числе тяговый инвертор для управления электрической машиной и бортовое устройство для заряда тягового источника тока. Данные компоненты имеют свое функциональное предназначение и являются автономными. В отличие от тягового преобразователя напряжения (инвертора), бортовое зарядное устройство в режимах движения и остановок транспортного средства при эксплуатации не используется и является узлом, фактически бесполезно загружающим транспортное средство. Кроме того, мощность таких зарядных устройств не обеспечивает быстрого заряда тяговых источников тока, что снижает эксплуатационные показатели электромобилей и затрудняет использование последних для поездок на значительные расстояния. Указанные обстоятельства обуславливают, с одной стороны, актуальность вопросов улучшения массогабаритных показателей системы тягового и энергетического электрооборудования, повышения энергетической эффективности и эксплуатационных показателей электрических транспортных средств, с другой - повышают требования к зарядной инфраструктуре, доступность и уровень которой ограничены. Решение указанных проблем может быть осуществлено за счет оптимизации системы тягового электрооборудования и реализации многофункциональных схемных решений.
Из существующего уровня техники известна электрическая тяговая цепь для автотранспортного средства, содержащая бортовой подзаряжаемый источник энергии, статический преобразователь, выполненный с возможностью создания системы трехфазных напряжений, соединенный на входе с указанным подзаряжаемым источником энергии, трехфазный электрический двигатель, при этом обмотка статора двигателя выполнена с возможностью подключения к внешнему источнику электрической энергии для обеспечения зарядки бортового источника энергии через статический преобразователь, причем двигатель является синхронным двигателем с раздельным возбуждением, в котором питание ротора прерывается во время фаз зарядки (см. патент РФ №2505428, МПК B60L 11/18, опубл. 2014 г.). Недостатком данного изобретения является ограничение его применения синхронными двигателями с раздельным электромагнитным возбуждением. Указанный тип электрических машин имеет ряд недостатков и не используется в современных и перспективных транспортных средствах с электрическим приводом в отличие от получивших наибольшее распространение синхронных электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов и асинхронных с короткозамкнутым ротором. Другим недостатком является использование электрической машины специального исполнения, в которой обеспечивается вывод всех концов фазных обмоток для внешних подключений.
Известно транспортное средство с электродвигателем, включающее в себя перезаряжаемый первый накопитель энергии и обеспечивающее зарядку первого накопителя энергии посредством внешнего источника энергии, устройство преобразования энергии для преобразования электроэнергии от внешнего источника энергии и для зарядки первого накопителя энергии, перезаряжаемый второй накопитель энергии, имеющий более низкое выходное напряжение, чем первый накопитель энергии, блок управления, оперирующий электроэнергией от второго накопителя энергии и управляющий процессом преобразования энергии устройства преобразования энергии, и устройство зарядки низкого напряжения для зарядки второго накопителя энергии независимо от режима работы блока управления, когда соединительный блок подсоединяется к участку приема соединительного устройства (см. патент РФ №2409483, МПК B60L 11/18, опубл. 2011 г.).
Также известно наиболее близкое к заявленному техническому решению устройство управления зарядкой для транспортного средства, включающее в себя систему зарядки для зарядки устройства накопления энергии электроэнергией, подаваемой из источника питания, внешнего по отношению к транспортному средству, через кабель для зарядки (см. патент РФ №2441776, МПК B60L 11/18, H02J 7/00, опубл. 2012 г.).
Недостатком указанных выше изобретений является реализованная схема заряда перезаряжаемого накопителя электроэнергии, требующая обязательного наличия в системе электрооборудования транспортного средства двух электрических машин специального исполнения и двух тяговых преобразователей напряжения (инверторов). При этом обмотки каждой из электрических машин должны быть включены исключительно звездой с выводом нулевой точки для последующего подключения внешнего источника переменного тока. Другим недостатком данных изобретений является сложность программной и аппаратной реализации алгоритма преобразования энергии для заряда тягового источника тока, обусловленная использованием значительного количества полупроводниковых элементов, вовлеченных в процесс преобразования. Последнее обстоятельство также определяет дополнительные потери электроэнергии при заряде источника тока.
Отдельно следует выделить тот недостаток заявленных схемных решений, который исключает возможность полноценного использования в качестве внешнего источника для заряда бортового накопителя электроэнергии наиболее доступных и мощных трехфазных сетей переменного тока без дополнительных преобразований напряжения. Быстрый заряд накопителей электроэнергии транспортных средств при использовании указанных изобретений может быть осуществлен преимущественно с использованием сети постоянного тока или однофазной сети переменного тока. Использование для заряда тягового источника тока трехфазной сети вместо аналогичной по мощности однофазной обеспечит снижение токовых нагрузок на внешний источник приблизительно в три раза, что является перспективной задачей в условиях возрастающего потребления электроэнергии с ростом числа эксплуатируемых электрических транспортных средств.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение быстрого заряда бортового накопителя электрической энергии транспортного средства при значениях мощности, эквивалентных мощности тягового инвертора при одновременном улучшении массогабаритных показателей системы тягового электрооборудования, повышении эксплуатационных показателей транспортного средства и снижении нагрузки на зарядную инфраструктуру.
Указанная задача решается за счет того, что тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством содержит инвертор для управления электрической машиной, который включает в себя ряд полупроводниковых ключей и полупроводниковых диодов, включенных антипараллельно упомянутым полупроводниковым ключам, емкостной накопитель, включенный во входной цепи инвертора между силовыми шинами постоянного тока; зарядный преобразователь, включающий полупроводниковый ключ, коммутируемый по алгоритму широтно-импульсного регулирования для обеспечения заданного режима заряда тягового накопителя электроэнергии, коллектор которого подключен к плюсовой шине постоянного тока инвертора, полупроводниковый диод, включенный антипараллельно упомянутому полупроводниковому ключу зарядного преобразователя, индуктивный накопитель электрической энергии, включенный между тяговым накопителем электрической энергии и эмиттером полупроводникового ключа зарядного преобразователя, полупроводниковый диод для разряда индуктивного накопителя электрической энергии, катод которого подключен к плюсовой шине постоянного тока и образует узел с выводом индуктивного накопителя электрической энергии и эмиттером полупроводникового ключа зарядного преобразователя, емкостной накопитель электрической энергии, включенный со стороны тягового накопителя электроэнергии между силовыми шинами постоянного тока; коммутационное переключающее устройство, выполненное с возможностью отключения электрической машины от выходной цепи инвертора и последующего подключения внешнего источника электрической энергии для заряда тягового накопителя электроэнергии; блок управления, управляющий коммутацией полупроводниковых элементов инвертора, зарядного преобразователя и коммутационного переключающего устройства.
Тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством может дополнительно содержать силовой вывод минусовой шины постоянного тока инвертора для подключения отрицательного полюса внешнего источника постоянного тока для заряда тягового накопителя электроэнергии.
Тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством может дополнительно содержать силовой вывод плюсовой шины постоянного тока инвертора для подключения положительного полюса внешнего источника постоянного тока для заряда тягового накопителя электроэнергии.
Тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством может содержать зарядный преобразователь, в котором эмиттер полупроводникового ключа зарядного преобразователя подключен к минусовой шине постоянного тока инвертора.
Тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством может содержать зарядный преобразователь, в котором индуктивный накопитель электрической энергии включен в цепи минусовой силовой шины постоянного тока.
Тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством может не содержать в составе зарядного преобразователя индуктивного накопителя электрической энергии и полупроводникового диода для разряда индуктивного накопителя электрической энергии.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является: увеличение мощности заряда бортового накопителя электрической энергии транспортного средства при одновременном снижении токовой нагрузки на подключаемый внешний источник электроэнергии, оптимизация схемного и конструктивного исполнения системы тягового электрооборудования за счет интеграции тягового инвертора и зарядного устройства в одном функционально законченном блоке, улучшение массогабаритных показателей и повышение экономической эффективности системы тягового электрооборудования транспортного средства за счет сокращения количества автономных функциональных блоков и входящих в состав преобразователей энергии элементов.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на:
Фиг. 1 изображена электрическая схема силовой цепи тягового преобразователя напряжения с интегрированным зарядным устройством согласно основному варианту;
Фиг. 2 изображена электрическая схема силовой цепи варианта тягового преобразователя напряжения с интегрированным зарядным устройством, в котором дополнительно содержится силовой вывод минусовой шины постоянного тока инвертора для подключения отрицательного полюса внешнего источника постоянного тока.
Фиг. 3 изображена электрическая схема силовой цепи варианта тягового преобразователя напряжения с интегрированным зарядным устройством, в котором эмиттер полупроводникового ключа зарядного преобразователя подключен к минусовой шине постоянного тока инвертора.
Тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством (фиг. 1) в качестве основных компонентов настоящей полезной модели содержит зарядный преобразователь 1, инвертор 2, коммутационное переключающее устройство 3, блок управления 4.
Зарядный преобразователь 1 состоит из индуктивного накопителя электрической энергии L1, емкостного накопителя электрической энергии С1, полупроводникового ключа Т7, полупроводниковых диодов D7 и D8. Коллектор полупроводникового ключа Т7 подключен к плюсовой шине постоянного тока DC1 инвертора 2. Полупроводниковый диод D7 включен антипараллельно полупроводниковому ключу Т7. Индуктивный накопитель электрической энергии L1 включен между тяговым накопителем электрической энергии с коммутационной аппаратурой 5 и эмиттером полупроводникового ключа Т7. Катод полупроводникового диода D8 подключен к плюсовой шине постоянного тока и образует узел с выводом индуктивного накопителя электрической энергии L1, а также эмиттером полупроводникового ключа Т7. Емкостной накопитель электрической энергии С1 включен со стороны тягового накопителя электрической энергии с коммутационной аппаратурой 5 между силовыми шинами постоянного тока. Выходная цепь зарядного преобразователя 1 соединена с силовыми шинами DC1 и DC2 инвертора 2.
Инвертор 2 состоит из ряда полупроводниковых ключей T1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6, в частности биполярных транзисторов с изолированным затвором, и диодов D1, D2, D3, D4, D5, D6, включенных антипараллельно упомянутым полупроводниковым ключам. Во входной цепи инвертора 2 между плюсовой силовой шиной постоянного тока DC1 и минусовой силовой шиной постоянного тока DC2 включен емкостной накопитель С2, а также разрядный резистор R1. Силовые фазные выводы U0, V0, W0 инвертора 2 соединены с коммутационным переключающим устройством 3.
Коммутационное переключающее устройство 3 содержит три силовых переключающих контакта S1, S2, S3. В зависимости от режима работы тягового преобразователя с интегрированным зарядным устройством силовые переключающие контакты S1, S2, S3 обеспечивают электрическое подключение фаз U1, V1, W1 тяговой электрической машины 6 или фаз U2, V2, W2 внешнего трехфазного источника переменного тока 7 к силовым фазным выводам U0, V0, W0 инвертора 2.
Блок управления 4 обеспечивает формирование и трансляцию команд управления зарядным преобразователем 1, инвертором 2, коммутационным переключающим устройством 3 по каналу связи 8.
В другом варианте исполнения настоящей полезной модели (фиг. 2) тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством может дополнительно содержать силовой вывод минусовой шины постоянного тока DC2 инвертора 2 для обеспечения быстрого заряда тягового накопителя электроэнергии от источника постоянного тока 9. В этом случае фазные выводы U2, V2, W2 коммутационного переключающего устройства 3 объединяются в одну общую точку и подключаются к положительному полюсу источника постоянного тока 9, при этом вывод минусовой шины постоянного тока DC2 инвертора 2 подключается к отрицательному полюсу источника постоянного тока 9.
Согласно следующему варианту исполнения настоящей полезной модели тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством может дополнительно содержать силовой вывод плюсовой шины постоянного тока DC1 инвертора 2 для обеспечения быстрого заряда тягового накопителя электроэнергии от источника постоянного тока 9. В этом случае фазные выводы U2, V2, W2 коммутационного переключающего устройства 3 объединяются в одну общую точку и подключаются к отрицательному полюсу источника постоянного тока 9, при этом вывод плюсовой шины постоянного тока DC1 инвертора 2 подключается к положительному полюсу источника постоянного тока 9.
Тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством в следующем варианте исполнения (фиг. 3) может содержать зарядный преобразователь 1, в котором эмиттер полупроводникового ключа Т7 подключен к минусовой шине постоянного тока DC2 инвертора 2.
В другом варианте исполнения настоящей полезной модели тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством может содержать зарядный преобразователь 1, в котором индуктивный накопитель электрической энергии L1 включен в цепи минусовой силовой шины постоянного тока DC2 инвертора 2.
Тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством функционирует следующим образом.
В режиме движения транспортного средства тяговый накопитель электроэнергии 5 подключен ко входной цепи зарядного преобразователя 1, при этом полупроводниковый диод D7 обеспечивает беспрепятственное протекание разрядного тока тягового источника в цепи инвертора 2, не оказывая влияния на работу последнего. Блок 4 управления формирует управляющие команды для коммутации полупроводниковых элементов Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6 инвертора 2 по определенному алгоритму, в частности алгоритму синусоидальной или векторной широтно-импульсной модуляции. Вследствие коммутации указанных полупроводниковых элементов осуществляется преобразование постоянного напряжения тягового источника тока 5 в регулируемое по величине и частоте переменное напряжение для электропитания и управления электрической машиной 6 в тяговом и тормозном режимах. При этом электропитание фаз U1, V1, W1 обмоток электрической машины 6 осуществляется через нормально-замкнутые силовые переключающие контакты S1, S2, S3 коммутационного переключающего устройства 3.
В режиме торможения транспортного средства электрическая энергия, генерируемая тяговой электрической машиной 6, обеспечивает заряд тягового накопителя электроэнергии 5, при этом зарядный преобразователь 1 может функционировать в двух режимах: режиме полностью открытого полупроводникового ключа Т7 или режиме широтно-импульсного регулирования заряда накопителя электроэнергии 5.
AC
Во время стоянки транспортного средства для восполнения заряда тягового накопителя электроэнергии 5 осуществляется подключение внешнего трехфазного источника переменного тока 7 к фазным выводам U2, V2, W2 коммутационного переключающего устройства 3. Данная операция может быть реализована с использованием специализированных силовых разъемов и кабелей, предусмотренных для электрических транспортных средств. В режиме заряда тяговый накопитель электроэнергии 5 оказывается подключенным ко входной цепи зарядного преобразователя 1. Блок 4 управления по каналу связи 8 подает команду на переключение силовых контактов S1, S2, S3 коммутационного переключающего устройства 3. В результате данной операции внешний источник трехфазного тока 7 оказывается подключенным к силовым фазным выводам U0, V0, W0 инвертора 2. С помощью полупроводниковых диодов D1, D2, D3, D4, D5, D6 инвертора 2 осуществляется выпрямление трехфазного переменного напряжения U внешнего источника 7. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения обеспечивает емкостной накопитель С2 инвертора 2. Блок 4 управления формирует и транслирует по каналу связи 8 управляющие импульсы для коммутации полупроводникового ключа Т7 по алгоритму широтно-импульсного регулирования. В результате обеспечивается преобразование выпрямленного напряжения внешнего источника 7 в постоянное напряжение для заряда тягового накопителя электроэнергии 5 заданной величины и регулировка зарядного тока. Емкостной накопитель С1 и индуктивный накопитель L1 зарядного преобразователя 1 обеспечивают фильтрацию постоянного напряжения в режиме заряда тягового накопителя электроэнергии 5. Полупроводниковый диод D8 обеспечивает необходимый путь току при разряде индуктивного накопителя L1 на тяговый источник электроэнергии 5. При выключении тягового преобразователя напряжения с интегрированным зарядным устройством накопленная в емкостных элементах С1 и С2 электрическая энергия рассеивается при разряде последних на резистор R1.
Схемное исполнение и принцип работы тягового преобразователя напряжения с интегрированным зарядным устройством не исключает режим регулирования заряда тягового накопителя электроэнергии 5 при помощи коммутации полупроводниковых ключей T1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6 инвертора 2.
В других вариантах исполнения настоящей полезной модели функционирование тягового преобразователя напряжения с интегрированным зарядным устройством аналогично описанному выше с тем уточнением, что при заряде от внешнего источника постоянного тока 9 (фиг. 2) полупроводниковые диоды D1, D3, D5 инвертора 2 являются проводниками зарядного тока при подключении минусовой шины постоянного тока DC2 инвертора 2 к отрицательному полюсу источника 9, а полупроводниковые диоды D2, D4, D6 - при подключении плюсовой шины постоянного тока DC 1 инвертора 2 к положительному полюсу источника 9.
Заявляемое техническое решение отличают: возможность работы с электрическими машинами переменного тока различного типа и исполнения, отсутствие необходимости наличия в системе тягового электрооборудования двух электрических машин и инверторов для обеспечения заряда тягового накопителя электроэнергии, относительная простота программной и аппаратной реализации алгоритма преобразования энергии, возможность использования для заряда тягового накопителя электроэнергии трехфазных сетей переменного тока без дополнительных преобразований напряжения, увеличение мощности и скорости заряда тягового накопителя электроэнергии транспортного средства при снижении нагрузки на используемые внешние источники тока, улучшенные массогабаритные показатели и экономическая эффективность системы тягового электрооборудования.