Система питания бортовой сети гибридного транспортного средства
HYBRID VEHICLE ON-BOARD NETWORK SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к автомобилестроению, а в частности к системам питания гибридных транспортных средств.
Основной областью применения системы питания гибридного транспортного средства является выработка электрической энергии для бортовой сети гибридных транспортных средств.
Повышение цен на углеводородные топлива и снижение допустимых норм по выбросам вредных веществ с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания приводит к повышению интереса к системам, работа которых направлена на повышение эффективности использования энергии углеводородных топлив. Снижение расхода топлива и увеличение общего КПД гибридной транспортной энергоустановки обеспечивается за счет снижения потерь на выработку электрической энергии за счет использования тепловой энергии отработавших газов теплового двигателя.
В состав системы питания гибридного транспортного средства иногда помимо системы топливоподачи для питания бортового зарядного устройства, в качестве которого может выступать двигатель внутреннего сгорания, топливный элемент или другие устройства, предназначенные для бортовой зарядки аккумуляторных батарей гибридного транспортного средства в процессе его движения, входит система питания бортовой электрической сети гибридного транспортного средства, в состав которой входят аккумуляторные батареи, а также все электрические агрегаты и компоненты, предназначенные и участвующие в процессе зарядки аккумуляторных батарей.
Из уровня техники известна электрическая архитектура гибридного автотранспортного средства (RU 2600959 С2, 27.10.2016). Электрическая архитектура гибридного автотранспортного средства содержит двигатель, генератор для зарядки бортовой батареи низкого напряжения, связанной со стартером двигателя и с бортовой сетью транспортного средства; тяговую электрическую машину, получающую питание от тяговой батареи высокого напряжения, и гибридную трансмиссию. Средства соединения гибридной трансмиссии занимают положение, в котором двигатель отсоединен от кинематической цепи, связывающей электрическую машину с колесами. Во втором положении двигатель внутреннего сгорания вращает колеса с участием или без участия электрической машины. В третьем положении двигатель и электрическая машина соединены так, чтобы объединить их крутящие моменты, передаваемые в направлении колес. Двигатель и генератор переменного тока образуют генераторный агрегат питания, обеспечивающий энергетические потребности тяговой электрической машины в электрическом режиме.
К недостаткам данной системы следует отнести наличие теплового двигателя с генератором для питания батареи и бортовой сети гибридного транспортного средства. Использование отдельного генератора для питания бортовой сети и низковольтной батареи снижает эффективность использования энергии сгорания топлива из-за низкого суммарного КПД теплового двигателя и генератора, а также увеличивает нагрузку на двигатель, что снижает полезную мощность для привода тяговой электрической машины.
Из уровня техники известно устройство управления гибридного транспортного средства (RU 2627238 С1, 04.08.2017). Устройство управления гибридного транспортного средства для приводной системы содержит двигатель, электромотором/генератором, первую и вторую муфту, средство управления запуском двигателя с использованием электромотора/генератора. Средство управления запуском двигателя расцепляет первую муфту и зацепляет вторую муфту во время режима движения по инерции/рекуперации с помощью электромотора/генератора при движении в режиме электрического транспортного средства, когда формируется запрос на запуск двигателя на основе увеличения требуемой движущей силы. Секция управления второй муфтой полностью расцепляет вторую муфту. Секция управления запуском двигателя дает сигнал первой муфте зацепляться или проскальзывать и управляет запуском двигателя посредством выполнения операции проворачивания двигателя, а также впрыска и зажигания воздуха и топлива. Подавляется рывок при запуске двигателя.
Недостатком данного устройства является неэффективное использование энергии сгорания топлива для выработки электрической энергии ввиду того, что для запуска двигателя и питания бортовой сети используется генератор, соединены с двигателем через ряд механических устройств и преобразователей, что увеличивает потери полезной мощности, а также использование преобразователя постоянного тока, для питания бортовой сети и зарядки низковольтной батареи, что так же снижает эффективность.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является турбогенератор (US 2009/0250933 А1, 08.10.2009), состоящий из турбины, работающей на отработавших газах двигателя внутреннего сгорания, электрического генератора, имеющего ротор, соединенный с турбиной и статор, имеющий обмотку без железа (ironlesscoil), расположенную концентрично с ротором. При подаче отработавших газов вырабатывается электрическая энергия. Полученная электрическая энергия подается на преобразователь, который может использоваться для изменения параметров напряжения для подачи на нагрузку.
К недостаткам данного устройства следует отнести:
- использование одного преобразователя для повышения или понижения напряжения перед нагрузкой, не позволяет отдавать полученную электрическую мощность и в бортовую сеть, и в сеть тягового электропривода, что снижает его технические возможности;
- использование представленного преобразователя не позволяет осуществлять перенос энергии из сети низкого напряжения (бортовая сеть) в сеть высокого напряжения (сеть тягового электропривода);
- недостаточная надежность теплового двигателя и привода электрического генератора, и недостаточная эффективность использования полученной электрической энергии.
Задача, решаемая изобретением, направлена на разработку системы питания гибридных транспортных средств, применяющих энергию отработавших газов теплового двигателя, которая будет снижать механические потери на привод отдельного электрического генератора, снижать расход топлива теплового двигателя и увеличивать запас хода гибридного транспортного средства, повышать эффективность использования полученной электрической энергии.
Технический результат заключается в повышении надежности теплового двигателя и привода электрического генератора, участвующих в работе системы питания гибридных транспортных средств, применяющих энергию отработавших газов теплового двигателя, повышении эффективности использования полученной электрической энергии, при сниженном расходе топлива теплового двигателя и увеличенном запасе хода гибридного транспортного средства.
Технический результат достигается тем, что система питания бортовой сети гибридного транспортного средства, применяющего энергию отработавших газов теплового двигателя, содержащая турбогенератор, подключенный к системе выпуска теплового двигателя гибридного транспортного средства так, что отработавшие газы попадают в турбину турбогенератора и после выхода из него идут в выхлопную систему, преобразователь переменного электрического тока в постоянный, соединенный с турбогенератором, преобразователь постоянного электрического тока в постоянный, который подключен к преобразователю переменного электрического тока в постоянный, причем преобразователь постоянного электрического тока в постоянный, состоящий из двух частей, низковольтной частью подключенный силовыми кабелями к аккумуляторной батарее, соединенной с бортовой сетью гибридного транспортного средства, а высоковольтной частью соединенный силовыми кабелями с блоком силовой электроники тягового привода, соединен с преобразователем переменного электрического тока в постоянный, силовыми кабелями через выравнивающий конденсатор, установленный параллельно цепи позволяя снизить пульсации электрического тока, причем преобразователь постоянного тока в постоянный позволяет отдавать электрическую энергию выработанную турбогенератором одновременно в бортовую сеть и сеть тягового электропривода и осуществлять управление потоками электрической энергии из бортовой сети гибридного транспортного средства в сеть тягового электропривода, а также питать низковольтную бортовую сеть гибридного транспортного средства и высоковольтную часть, питающую тяговый электропривод и накопительный буфер энергии.
Конструкция системы питания боровой сети гибридного транспортного средства также имеет следующие дополнительные отличия:
- преобразователь переменного электрического тока в постоянный и преобразователь постоянного электрического тока в постоянный получая постоянный ток низкого напряжения, используемый в бортовой сети транспортного средства могут заряжать аккумуляторную батарею, для снижения нагрузки на основной генератор гибридного транспортного средства,
- преобразователь переменного электрического тока в постоянный и преобразователь постоянного электрического тока в постоянный получая постоянный ток высокого напряжения, используемый в силовой сети гибридного транспортного средства для привода в движение могут заряжать буферный накопитель энергии для снижения нагрузки на основной генератор гибридного транспортного средства, а также повышения энерговооруженности транспортного средства,
- части преобразователя постоянного электрического тока в постоянный связывают две сети и позволяют перемещать энергопотоки между двумя сетями для эффективного использования электрической энергии, а также повышении надежности всей системы в целом,
- турбогенератор, как и тепловой двигатель гибридного транспортного средства, осуществляет работу на постоянном нагрузочном режиме для повышения эффективности, что повышает эффективность преобразования тепловой энергии сгорания углеводородного топлива.
На представленных чертежах:
на фиг. 1 показана схема системы питания гибридного транспортного средства;
на фиг. 2 показана схема подключения системы питания гибридного транспортного средства к гибридному транспортному средству.
Система питания, а именно система питания бортовой сети гибридного транспортного средства 1 содержит турбогенератор 2, преобразователь переменного электрического тока в постоянный 3, преобразователь постоянного электрического тока в постоянный 4, выравнивающий конденсатор 5, аккумуляторную батарею 6. Система питания гибридного транспортного средства 1 подключена к системе выпуска (на чертеже не показано) теплового двигателя гибридного транспортного средства так, что отработавшие газы попадают в турбину турбогенератора 2 и после выхода из него идут в выхлопную систему (на чертеже не показано). Преобразователь переменного электрического тока в постоянный 3 соединенный с турбогенератором 2 силовыми кабелями 7. Преобразователь постоянного электрического тока в постоянный 4 подключен к преобразователю переменного электрического тока в постоянный 3 силовыми кабелями 7 через выравнивающий конденсатор 5.
Преобразователь постоянного электрического тока в постоянный 4 состоит из двух частей, низковольтной частью 8 подключен силовыми кабелями 7 к аккумуляторной батарее 6, соединенной с бортовой сетью гибридного транспортного средства (на чертеже не показано), а высоковольтной частью 9 соединен силовыми кабелями 7 с блоком силовой электроники тягового привода 10. Такое выполнение преобразователя 4 позволяет реализовать подачу электрической энергии в бортовую сеть, сеть тягового электропривода или же в обе сети сразу. Кроме того, эти части (8, 9) связывают две сети и позволяет перемещать энергопотоки между двумя сетями.
Преобразователь переменного электрического тока в постоянный 3 и преобразователь постоянного электрического тока в постоянный 4 выполнены таким образом, что позволяют получать постоянный ток низкого напряжения, используемый в бортовой сети транспортного средства для зарядки аккумуляторной батареи 6. Преобразователь переменного электрического тока в постоянный 3 и преобразователь постоянного электрического тока в постоянный 4 выполнены таким образом, что позволяют получать постоянный ток высокого напряжения, используемый в силовой сети гибридного транспортного средства для привода в движение и для зарядки буферного накопителя энергии 11.
Выравнивающий конденсатор 5 установлен параллельно цепи позволяя снизить пульсации электрического тока.
При запуске теплового двигателя 12 гибридного транспортного средства отработавшие газы двигателя 12 поступают в турбогенератор 2, который в процессе работы вырабатывает переменный электрический ток, поступающий по силовым кабелям 7 в преобразователь переменного электрического тока в постоянный 3, откуда по силовым кабелям 7 через выравнивающий конденсатор 5 поступает в преобразователь постоянного электрического тока в постоянный 4, низковольтная часть которого подключена силовыми кабелями 7 к аккумуляторной батарее 6, соединенной с бортовой сетью гибридного транспортного средства, а высоковольтная часть силовыми кабелями 7 к блоку силовой электроники тягового привода 10.
Если бортовая сеть транспортного средства потребляет меньше электрической энергии, чем вырабатывает система питания боровой сети гибридного транспортного средства 1, то избыток энергии поступает на зарядку буферного накопителя энергии 11 гибридного транспортного средства через блок силовой электроники тягового привода 10. Если аккумуляторная батарея 6 гибридного транспортного средства полностью заряжена, то избыток электрической энергии поступает на блок силовой электроники тягового привода 10, который в зависимости от режима работы гибридного транспортного средства направляет электрическую энергию на тяговый электропривод 13, тем самым обеспечивая дополнительную мощность или направляет электрическую энергию на зарядку буферного накопителя энергии 11. Если необходимо подать электрическую энергию в бортовую сеть гибридного транспортного средства, при разряженной аккумуляторной батарее 6, а запуск теплового двигателя невозможен или нецелесообразен, то электрическая энергия из буферного накопителя энергии 11 может передаваться через преобразователь постоянного тока в постоянный 4 в бортовую сеть гибридного транспортного средства для питания потребителей, а также для подзарядки аккумуляторной батареи 6.
Турбогенератор 2, как и тепловой двигатель 12 гибридного транспортного средства, может осуществлять работу на постоянном нагрузочном режиме, что повышает эффективность преобразования тепловой энергии сгорания углеводородного топлива.
Генератор 14 приводится в движение тепловым двигателем 12 и обеспечивает питание тягового привода 13 через блок силовой электроники 10.
Таким образом, достигается повышение надежности теплового двигателя и привода электрического генератора, участвующих в работе системы питания гибридных транспортных средств, применяющих энергию отработавших газов теплового двигателя, повышение эффективности использования полученной электрической энергии, при сниженном расходе топлива теплового двигателя и увеличенном запасе хода гибридного транспортного средства.