СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE ELECTRIC DRIVE COOLING PROCESS

Изобретение относится к электротранспортному машиностроению и может быть использовано, в частности, при изготовлении электромобилей.
Известен [1, 2] способ охлаждения электропривода транспортных средств, включающий осуществление теплопередачи жидким теплоносителем (водой или антифризом) избыточной тепловой энергии (тепла) от нагретых компонентов привода к воздуху в салоне (кабине) и/или во внешней среде. Для этого осуществляют с помощью насоса принудительное циркулирование теплоносителя в замкнутом контуре, объединяющем в систему охлаждения и теплопереноса ряд теплообменных устройств (радиаторов, контур охлаждения двигателя), расширительный бачок и термостат (аналог).
Не смотря на то, что с начала эры автомобилестроения способ считался достаточно универсальным и эффективным, применение его при эксплуатации электромобилей выявило недостатки - высокие с позиции энергоэффективности рабочие температуры компонентов привода и одновременно из-за низкой его теплоотдачи принципиальное ограничение возможности отбора необходимого количества теплоты для комфортного обогрева салона (кабины) в холодное время года.
Недостатками этого способа также являются не только низкая энергоэффективность, но и большие размеры радиаторов и объем антифриза, его пожароопасность, химическая агрессивность и быстрое «старение» (2-3 года), необходимость периодической доливки антифриза, замены его и патрубков гидравлического контура и невозможность достижения низких (удельных) энергозатрат на 1 километр пробега за счет снижения рабочей температуры компонентов электропривода, например, ниже температуры наружного воздуха в теплое время года. Последнее обусловлено тем, что с увеличением рабочей температуры падает КПД электродвигателя, например, из-за увеличения электросопротивления проводов обмотки статора двигателя и потерь в магнитопроводе, и, как следствие, энергоэффективность и эксплуатационные параметры привода при использовании указанного устройства остаются относительно низкими. Так, например, автомобиль «EL Lada» (ВАЗ) по сути вынужденно оснащен электрическим конвертором-отопителем салона, повышающим удельные энергозатраты в холодное время года.
Известен тепловой насос, который превращает низкотемпературную тепловую энергию в высокотемпературную тепловую энергию или, наоборот, работает как парокомпрессионная холодильная установка (ПХУ), которая включает в себя следующие основные компоненты: гидравлический контур, испаритель, компрессор, конденсатор и управляемый расширительный (дроссельный) клапан, делящий контур на две части: сторону высокого давления, создаваемого компрессором, и содержащую конденсатор, и сторону низкого давления, содержащую испаритель [3, http://euroclimate.org/teplovye_nasosy/]. Функционирование его происходит в циклическом процессе, близким к «циклу Карно», при непрерывной смене агрегатных состояний низкокипящей рабочей жидкости - хладагента (сжатие, конденсация, расширение, испарение). Таким образом, установленный в транспортное средство ПХУ позволяет практически при любых условиях окружающей среды отбирать избыточную тепловую энергию от электропривода и передавать ее в форме тепла в систему теплоотвода наружу и/или в конвертор-отопитель салона с помощью хладагента в качестве теплоносителя.
Современные ПХУ отличает экологичность, пожаробезопасность, надежность и экономичность. Так, низкое энергопотребление достигается за счет высокой эффективности (более 300%) и позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии до 2,5 кВт мощности по охлаждению. Использование ПХУ также позволяет стабилизировать температуру батареи аккумуляторов, повышая срок их службы и максимальные зарядные токи, охлаждать контроллер, повышая величины его рабочих токов, и поддерживать комфортную температуру в салоне (кабине). Последнее невозможно в должной мере осуществить с помощью аналога, особенно применительно к наиболее прогрессивному энергосберегающему электроприводу (Патент RU 107648, H02K 7/00, опубл. 20.08.2011, Бюл. №23) или приводу с малошумным двигателем (заявка на изобретение RU №2011151274, H02K 3/28, опубл. 27.06.2013, Бюл. №18) из-за сравнительно более низкой (на 30-50°C) рабочей температуры (без принудительного охлаждения) корпуса энергоэффективных высокомоментных тяговых асинхронных двигателей с так называемыми совмещенными обмотками типа «Славянка» (патент RU 109934, H02K 17/12, H02K 3/12, опубл. 27.10.2011, Бюл. №30, RU 11723 H02K 3/28, 17/14, опубл. 20.12.2011, Бюл. №35) по сравнению с рабочей температурой корпуса других известных электродвигателей.
Следует учитывать также, что чем ниже рабочие температуры контроллера электропривода и двигателя, тем, соответственно, больше допустимая величина токов контроллера и его удельная мощность, меньше тепловые потери в магнитопроводе, электросопротивление обмоток и величина рабочего зазора между статором и ротором. Как следствие, стабилизация указанных температур на сравнительно низком уровне (<10°C) позволяет увеличить удельную мощность двигателя, степень рекуперации энергии при рекуперативном торможении, улучшить ряд других эксплуатационных параметров привода и в итоге сократить удельные энергозатраты.
Применение низкокипящей негорючей жидкости (хладагента) в качестве средства комплексного снижения удельного расхода электроэнергии, при одновременном повышении удельных мощностей контроллера и тягового двигателя транспортного средства с электроприводом и осуществлении в холодное время года отопления салона (кабины) избыточным теплом, передаваемом электроприводом непосредственно хладагенту, неизвестно. Основной целью изобретения является разработка комплексного снижения удельных эксплуатационных энергозатрат транспортного средства с управляемым электроприводом. Способ ориентирован прежде всего на энергосберегающий электропривод и его версии (RU 2012115010, H02K 17/00, опубл. 10.12.2012, патент RU 109055 B60L 11/00, опубл. 10.10.2011, Бюл. №28). Техническим результатом является снижение удельных затрат электроэнергии путем применения хладагента для отопления салона (кабины) в холодное время года за счет тепловыделения привода, увеличения максимальных токов зарядки (при одновременном уменьшении времени зарядки) и продление срока службы аккумуляторных батарей, повышения удельной мощности силового контроллера и тягового двигателя, а также упрощение обслуживания, пожаробезопасноть, экологичность, уменьшение размеров радиаторов за счет большего градиента температур и меньшего объема теплоносителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе снижения удельных энергозатрат транспортного средства с электроприводом, включающим понижение и стабилизацию с помощью термодатчиков и регулирующего устройства рабочих температур компонентов привода и обогрев салона (кабины), осуществляют принудительное циркулирование теплоносителя по замкнутому гидравлическому контуру, объединяющему в систему теплопереноса теплообменные устройства, отдающие теплоносителю выделяемое приводом избыточное тепло и включающие контур (рубашку) охлаждения двигателя, и радиаторы, передающие тепло воздуху в салоне (кабине) и/или во внешнюю среду. Дополнительно в состав оборудования транспортного средства включают парокомпрессионную холодильную установку при ее отсутствии. В качестве теплоносителя используют негорючий низкокипящий хладагент, который подают с обеспечением понижения давления, как минимум, в один (или более) испаритель(-и), конструктивно совмещенный(-ые) с тяговым(-и) двигателем(-лями) и силовым контроллером, обеспечивающим частотное регулирование, для осуществления теплопередачи от них в испаритель(-и), далее компрессором повышают давление хладагента, подают его в конденсаторы, которые используют в качестве радиаторов, и регулируют теплообмен в системе, обеспечивая заданные диапазоны рабочих температур указанных компонентов привода и воздушной среды в салоне (кабине).
Существует вариант способа снижения удельного расхода электроэнергии транспортного средства с электроприводом, при котором дополнительно термостабилизируют батарею аккумуляторов.
Существует также вариант способа снижения удельного расхода электроэнергии транспортного средства с электроприводом, при котором охлаждают батарею аккумуляторов в процессе ее зарядки.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в устройстве, включающем ПХУ, функционирование которого осуществляется по известному принципу [3].
4
Это устройство было установлено на модернизированной электрической версии серийного автомобиля «Таврия», которая была оснащена трехсотвольтовой батареей LiFePO-аккумуляторов, емкостью 20 кВт*ч, промышленным частотным регулятором (контроллером) со скалярным режимом управления и асинхронным двигателем.
Изобретение может быть осуществлено в устройстве, включающем ПХУ, функционирование которого осуществляется по известному принципу [3].
4
Это устройство было установлено на модернизированной электрической версии серийного автомобиля «Таврия», которая была оснащена трехсотвольтовой батареей LiFePO-аккумуляторов, емкостью 20 кВт*ч, промышленным частотным регулятором (контроллером) со скалярным режимом управления и асинхронным двигателем общепромышленного исполнения сотого габарита с совмещенными обмотками типа «Славянка».
Дополнительно, в соответствии с изобретением, в указанном опытном электромобиле установили компоненты ПХУ: объединенные замкнутым гидравлическим контуром с негорючим хладагентом R134a испаритель-теплообменник контроллера и контур охлаждения асинхронного двигателя, также выполняющий функцию испарителя, конструктивно совмещенные с указанными компонентами привода с обеспечением теплопередачи, компрессор, конденсатор-отопитель салона, конденсатор-радиатор, отводящий избыток тепла во внешнюю среду, расширительный клапан и, кроме того, устройство управления в виде электронного блока управления системой термостабилизации (БУСТ) и термодатчики.
При подаче питания на силовой привод или бортовое зарядное устройство электромобиля питание подают и на БУСТ. От датчиков, контролирующих температуру окружающей среды, салона, компонентов привода и бортового зарядного устройства, сигналы подают в БУСТ и сравнивают с оптимальными значениями рабочих температур перечисленных выше объектов (салона, компонентов привода и бортового зарядного устройства) и с температурой окружающей среды. Если один или несколько параметров не соответствуют оптимальному значению, БУСТ выдает на соответствующие терморегулирующие клапаны команды на их включение или отключение, а также включает или выключает компрессор.
Достигнутые при реализации способа сравнительно низкие рабочие (5-10°C) температуры контроллера и двигателя позволили уменьшить удельные энергозатраты в установившемся режиме при движении по городу в общем потоке с 110 Вт*ч/км до 80 Вт*ч/км. Рекуперация энергии увеличилась на 10%.
Источники информации
1. US 2012/0153718 A1, Jun. 21, 2012, Sheet 9 of 9.
2. RU 2422969 C1, 27.06.2011.
3. Холодильная машина. МСЭ, т.10, 3-е издание, с. 115. Изд-во «Советская энциклопедия» - М., 1960.