СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ В ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, СНАБЖЕННОГО СУПЕРКОНДЕНСАТОРНОЙ ИЛИ ИОНИСТОРНОЙ БАТАРЕЕЙ
METHOD OF DRIVING AN ELECTRIC VEHICLE EQUIPPED WITH A SUPERCAPACITOR OR IONISTOR BATTERY

Изобретение относится к области электротехники и транспорта, а более конкретно - к способу приведения в движение электрического транспортного средства, снабженного суперконденсаторной или ионисторной батареей.
Настоящее изобретение может найти применение при создании и эксплуатации различных транспортных систем, снабженных электрическими двигателями постоянного тока.
В основу настоящего изобретения положена задача создания такого электрического транспортного средства, снабженных по меньшей мере одним движителем в виде электрической машины (электродвигателя) постоянного тока, когда для генерации тока в обмотках движителя используется как суперконденсаторная или ионисторная батарея, которая предварительно заряжена от внешнего и/или внутреннего источника тока электрического транспортного средства, так и аккумуляторная батарея и блок суперконденсаторов или ионисторов и аккумуляторная батарея подключены параллельно к обмоткам движителя, выполнено выравнивание напряжение на каждом элементе, входящем в батарею, а также обеспечена защита движителя от избыточного тока в его обмотках за счет параллельного подключения блока суперконденсаторов или ионисторов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению являются нижеследующие патенты корпорации Tesla Motors.
Система управления двухмоторным электроприводом электромобиля (20130241445) - Patent application title: Method of Operating a Dual Motor Drive and Control System for an Electric Vehicle, Inventors: Yifan Tang (Los Altos, С A, US) Yifan Tang (Los Altos, CA, US), Assignees: TESLA MOTORS, INC., IPC8 Class: AB60L1520FI, USPC Class: 318 52 Class name: Electricity: motive power systems plural, diverse or diversely controlled electric motors slipping and/or racing control for electric motors, Publication date: 2013-09-19, Patent application number: 20130241445.
Как известно, Tesla Model S выпускается в двух вариантах: с одним и двумя двигателями на задней оси. В данном патенте рассматриваются технические решения реализации второго варианта. Под двухмоторным электроприводом понимается система, состоящая из двух электродвигателей. Не следует путать данную систему с гибридной тяговой электроустановкой. В данном патенте предложен метод оптимизации крутящего момента, приложенного каждым из двух двигателей полностью электрического транспортного средства. Регулирование осуществляется с учетом пробуксовки колес. Данный способ в общем случае содержит в себе следующие этапы:
Вычисление скорости транспортного средства;
Расчет требуемого крутящего момента для обеспечения требуемой скорости (в целом для всего электропривода);
Разделение данного требования к крутящему моменту на требования для каждого из двух двигателей. На этом этапе рассчитывается оптимальный сигнал задания по моменту для каждого из двух приводов. При этом осуществляется контроль скорости каждого из колес и вычисляется «ошибка», обусловленная пробуксовкой;
Данная ошибка минимизируется путем корректировки сигнала задания по моменту на первый и второй двигатели.
Описанный способ может дополнительно включать в себя один или более этапов мониторинга, в том числе:
сигнала датчика рулевого управления;
сигнала датчика тормозной системы;
сигнала датчика температуры системы хранения энергии;
уровень напряжения;
уровень тока.
Кроме того, способ может включать в себя этап вычисления оптимального потока для первого и второго двигателей.
Итак, рассмотрим суть данного изобретения подробнее. Мощность от электродвигателей 601 и 603 передается на ось 605 посредством трансмиссии-дифференциала 607. В данном случае, несмотря на наличие двух двигателей 601 и 603, система не сконфигурирована для обеспечения независимых скоростей на колесах 609 и 611. Двигатели 601 и 603 могут работать с одной скоростью или разными скоростями, в зависимости от того, как они соединены с осью посредством трансмиссии-дифференциала (далее мы покажем, что наиболее эффективно выполнять данные соединения с разными передаточными соотношениями трансмиссии). Запитан привод от системы накопления энергии ESS 613 (по сути АКБ, с системой контроля электрических параметров).
В предпочтительном варианте исполнения данного изобретения, оптимальные рабочие характеристики двигателей 601 и 603 различны, и это способствует увеличению производительности системы в целом. В предпочтительном варианте данного изобретения оба двигателя являются асинхронными двигателями переменного тока. Максимальное количество крутящего момента от одного из двигателей (например, 601), является по существу просто постоянным во всем диапазоне скоростей вращения двигателя. Как результат, мощность, обеспечиваемая вторым двигателем, возрастает в функции скорости. Данный вариант является предпочтительным как для двигательного, так и для генераторного режимов работы.
Одним из преимуществ такого подхода является то, что он может быть использован для компенсации падения крутящего момента на более высоких скоростях, характерного для двигателей с ограниченным рабочим напряжением. Таким образом достигается более высокая максимальная скорость автомобиля. Кроме того, в некоторых случаях масса двухмоторного электропривода получается меньше однодвигательного электропривода, обеспечивающего те же показатели.
Данные оптимальные режимы работы предусматривают применение именно асинхронных двигателей, для которых характерна ровная полка момента на низких скоростях и последующее падение крутящего момента на более высоких скоростях. Перечислим основные преимущества двухмоторного тягового электропривода, по сравнению с одномоторным.
Конфигурация с двумя двигателями позволяет получить большую производительность с точки зрения оптимизации кривой мощности в более широком диапазоне регулирования момента и скорости, характерном для электротранспортных средств;
За счет разделения нагрузок проще поддерживать двигатель в пределах требуемой рабочей температуры;
Использование двух небольших двигателей вместо одного большого улучшает распределение веса;
Система оптимизирована для множества различных условий эксплуатации. Например, если система с одним двигателем эффективна на крутом подъеме по бездорожью, то она будет неэффективна в городских условиях, так как в этом случае будет потребляться порядка 10% мощности относительно первого варианта. В двухдвигательной системе один из моторов работает постоянно, а второй подключается только для обеспечения большей скорости или крутящего момента;
Уменьшается нагрузка на трансмиссию, что способствует увеличению надежности.
Другими словами, система использует два двигателя для приведения в движение одной задней оси автомобиля (дифференциал подключается только при входе в поворот и т.п.). Использование первого двигателя с большим передаточным числом редуктора позволяет получить высокий момент, что эффективно при подъемах. Второй двигатель, подключенный к оси через трансмиссию с меньшим передаточным числом, включается в работу только когда нужно обеспечить высокую скорость. При этом каждый из двигателей работает в режиме, близком к номинальному, то есть с максимальным КПД.
Физически рассмотренные двигатели 601 и 603 подключаются к инверторам 903, 909, которые в свою очередь запитаны от системы накопления энергии ESS 1101. Контроль (ограничение) мощности, напряжения и тока на каждом из инверторов осуществляется посредством контроллеров 905, 911. Общий контроль, включающий в себя перераспределение мощности между приводами осуществляется блоком 913.
Рассмотренное техническое решение имеет следующие недостатки:
- необходимость преобразования постоянного тока в переменный и соответственно снижение мощности и КПД;
- необходимость использования сложных систем управления вместо автоматического повышения крутящего момента за счет нарастания тока в параллельном включении АКБ и суперконденсатора.
Вторым близким решением является система управления полноприводным электромобилем (20140257613) - Patent application title: CONTROL SYSTEM FOR AN ALL-WHEEL DRIVE ELECTRIC VEHICLE, Inventors: Yifan Tang (Los Altos, CA, US) Yifan Tang (Los Altos, CA, US), Assignees: TESLA MOTORS, INC., IPC8 Class: AB60L1520FI, USPC Class: 701 22, Class name: Data processing: vehicles, navigation, and relative location vehicle control, guidance, operation, or indication electric vehicle, Publication date: 2014-09-11, Patent application number: 20140257613.
Преимущества полного привода широко известны. Система полного привода улучшает тягу и тем самым безопасность вождения. Мощность при этом передается на все четыре колеса, а не только на два, таким образом, когда тяга теряется на одном или нескольких колесах, например, из-за мокрых дорожных условий, система электропривода может увеличить момент на оси с тягой, на которой сцепление с дорожным покрытием не потеряно. Сегодня разработаны различные системы обнаружения проскальзывания шин. Эти системы варьируются от простых механических или гидравлических до сложных электронных. Однако, данные системы, разработанные для традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, не удовлетворяют требованиям полностью электрических автомобилей из-за разницы в весе транспортного средства, разницы в его распределении, и что еще более важно, из-за различий в крутящем моменте используемых трансмиссий.
Основные элементы описанного в данном патенте двухмоторного электропривода полноприводного электромобиля следующие. Задняя ось 101 соединена с электродвигателем 103 посредством передачи 105, а передняя ось 107 соединена с электродвигателем 109 посредством трансмиссии-дифференциала 111. В предпочтительном варианте изобретения один двигатель, например, 103 является главным, а второй, например, 109 - вспомогательным. Желательно чтобы оба двигателя 103 и 109 были асинхронными машинами переменного тока. Кроме того, желательно, чтобы вспомогательный двигатель 109 имел относительно плоскую кривую крутящего момента в широком диапазоне скоростей, и следовательно, был способен повышать результирующий момент на высоких скоростях в диапазоне, где крутящий момент главного двигателя 103 падает. Это достигается выполнением редукторов главного и вспомогательного привода с различными передаточными числами.
Данное исполнение имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием только одного двигателя. Во-первых, такая конфигурация обеспечивает превосходное регулирование тягового усилия. Во-вторых, улучшается стабильность движения, так как тяга, подаваемая на одну ось по сравнению с тягой, подаваемой на другую ось, может варьироваться в зависимости от ситуации. Например, при выполнении поворота выгоднее постепенно увеличивать крутящий момент, прикладываемый к передней оси по сравнению с задней. Точно так же в условиях дорожного обледенения желательно увеличить тягу передней оси. В третьих, при использовании двух двигателей рекуперативное торможение может работать в отношении обоих колесных пар, тем самым обеспечивая повышенное торможение, а также улучшая возможности зарядки аккумулятора.
Система контроля крутящего момента способна быстро и эффективно разделить крутящий момент между двумя приводными системами. Как следствие, пробуксовка колес сведена к минимуму.
Основная конфигурация предпочтительного варианта реализации данного изобретения. Главный двигатель 103 соединен с источником питания 401 с помощью модуля 403, управляющего подачей мощности. Аналогично вспомогательный двигатель 109 соединен с 401 с помощью модуля управления мощностью 405. Силовая часть модулей 403 и 405 представляет собой инверторы - устройства преобразования постоянного тока в переменный. Они же контролируют амплитуду и частоту напряжения двигателей. Контроллер момента 407 управляет подачей нужного момента на каждый из двигателей. Для этого он получает сигналы с различных датчиков.
Данные с датчика педали тормоза 431, педали газа 433 поступают в блок создания команды управления крутящим моментом 601. Вычисленная скорость транспортного средства, названная «c_vspeed» также вводится в блок 601. Это вычисление производится в блоке формирования команд управления тягой 609.
Выходной сигнал блока 601 представляет собой общее требование к крутящему моменту, называемый здесь «C_torque». C_torque - это момент, требуемый от всего двухдвигательного привода в целом.
Блоки 603 и 605 рассчитывают ограничения по моменту для главного и вспомогательного двигателей. Данный расчет выполняется для главного двигателя на основании сигналов с датчика температуры двигателя 413, датчика скорости 415, датчика температуры инвертора 427. Аналогично расчет производится для вспомогательного двигателя.
Полученные сигналы (задание на момент для всей системы, максимально допустимые моменты для каждого из двигателей и вычисленная скорость) поступают на блок оптимального разделения момента 607. Блок 607 оптимизирует распределение крутящего момента между двумя приводами без учета проскальзывания колес.
Оптимальный поток для каждого из двигателей C_flux 1 и C_flux2 берется из заранее посчитанной таблицы для конкретного электродвигателя с учетом текущей скорости двигателя и ограничения по моменту.
_
Тяговый блок 609 обеспечивает несколько функций. Обрабатывая сигналы с датчиков каждого из четырех колес (409-412) и датчика частоты вращения главного двигателя 415 вычисляется скорость автомобиля Cvspeed. Блок 609 также использует данные о скорости вращения двигателя чтобы обеспечить проверку наличия ошибок.
Основная же функция блока 609 заключается в расчете коэффициентов скольжения для каждого колеса. На основании вычисленного коэффициента скольжения колес и в зависимости от скорости транспортного средства вычисляется коэффициент проскальзывания колеса для каждой оси.
Полученные данные поступают на блок контроля устойчивости автомобиля 611, где посредством САУ, в частности с использованием ПИД-регулятора минимизируется ошибка соотношения пробуксовки колес. В итоге в случае проскальзывания колес, приводящего к падению момента на одной из осей, увеличивается крутящий момент на другой оси, колеса которой имеют лучшее сцепление с дорогой.
Задача преобразователей 403 и 405 обеспечить момент и поток двигателей 103 и 109 в строгом соответствии с сигналами задания, поступающими из 611 и 607.
Рассмотренное техническое решение также имеет аналогичные недостатки:
- существенная сложность реализации, обязательность применения двух электродвигателей переменного тока,
- необходимость преобразования постоянного тока в переменный и соответственно снижение мощности и КПД;
- необходимость использования сложных систем управления вместо автоматического повышения крутящего момента за счет нарастания тока в параллельном включении АКБ и суперконденсатора.
Задачи изобретения решены и недостатки прототипа устранены в реализованном согласно настоящему изобретению способе приведения в движение электрического транспортного средства, снабженного по меньшей мере одним движетелем в виде электрической машины (электродвигателя) постоянного тока, при этом для генерации тока в обмотках движителя используется как суперконденсаторная или ионисторная батарея, которая предварительно заряжена от внешнего и/или внутреннего источника тока электрического транспортного средства, так и аккумуляторная батарея и отличающийся тем, что блок суперконденсаторов или ионисторов и аккумуляторная батарея подключены параллельно к обмоткам движителя, выполнено выравнивание напряжение на каждом элементе, входящем в батарею, а также обеспечена защита движителя от избыточного тока в его обмотках за счет параллельного подключения блока суперконденсаторов или ионисторов.
Технически целесообразно, применять описанный способ для приведения в движение следующих транспортных средств без ограничений - автомобиль, тягач, трактор, танк, судно, самолет, железнодорожный локомотив.
За счет реализации заявленного способа достигаются следующие технические результаты:
- существенно упрощается реализация и конструкция транспортного средства, необязательно применения двух электродвигателей переменного тока, - отпадает необходимость преобразования постоянного тока в переменный и, соответственно, возрастает мощность и КПД двигателей и вырастает запас хода электрического транспортного средства,
- нет необходимости использования сложных систем управления вместо автоматического повышения крутящего момента за счет нарастания тока в параллельном включении АКБ и суперконденсатора.
Настоящее изобретение будет раскрыто в нижеследующем примере реализации бытового электромобиля постоянного тока.
Бытовой электромобиль снабжен одним двигателем в виде электрической машины (электродвигателя) постоянного тока, при этом для генерации тока в обмотках движителя используется как суперконденсаторная или ионисторная батарея, которая предварительно заряжена от внешнего источника тока бытовой электросети, так и аккумуляторная батарея (АКБ), также предварительно заряженная от электросети. При этом блок суперконденсаторов или ионисторов и аккумуляторная батарея подключены параллельно к обмоткам двигателя постоянного тока, приводящего в движение бытовой электромоиль, выполнено выравнивание напряжение на каждом элементе, входящем в батарею, а также обеспечена защита двигателя от избыточного тока в его обмотках за счет параллельного подключения блока суперконденсаторов или ионисторов, а также есть возможность возвращения энергии в суперконденсаторную или ионисторную батарею при движении по инерции или на спуске (торможении двигателем). Регулирование тока в двигателе обеспечивается реостатом, соединенным с педалью газа, а плавное нарастание тока для трогания с места и разгона обеспечивается параллельным включением суперконденсатороной или инонистроной батареи и АКБ.
По сравнению со всеми способами, известными авторам, данный способ позволяет существенно упростить реализацию и конструкцию транспортного средства, необязательно применять два электродвигателей переменного тока, возможно исключить необходимость преобразования постоянного тока в переменный и, соответственно, возрастает мощность и КПД двигателей и вырастает запас хода электрического транспортного средства, а также нет необходимости использования сложных систем управления вместо автоматического повышения крутящего момента за счет нарастания тока в параллельном включении АКБ и суперконденсатора.