БОРТОВОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК ГОРОДСКОГО ОБЩЕСТВЕННОГО ТРАНСПОРТА

Техническое решение относится к автомобилестроению, а в частности к бортовым зарядным устройствам (ЗУ) накопителей электрических силовых установок городского общественного транспорта.
Из уровня техники известны решения для мобильных зарядных устройств, которые могут использоваться для увеличения запаса хода электромобилей.
Например, изобретение, имеющее патент US 20100211242 (G60F 19/00, опубл. 19.08.2010), относится к мобильным зарядным устройствам (range extender) и состоит из двигателя внутреннего сгорания, генератора и системы управления. В патенте делается акцент на алгоритме включения и выключения генераторной установки, которая оценивает степень заряда аккумулятора по нескольким, выбираемым пользователем уровням.
Патент US 20050162106 (H02P 1/00, опубл. 28.07.2005) представляет подробное описание бортового ЗУ, содержащего двигатель внутреннего сгорания (ДВС), электрический генератор, соединенный с ДВС посредством вала, подключаемый к электрической цепи автомобиля, а также независимый контроллер, который управляет ДВС и электрическим генератором. Одной из особенностью данного патента является реализованный алгоритм оценки степени заряда аккумуляторов посредством мониторинга напряжения аккумуляторных батарей, а также алгоритм включения и выключения заряда аккумуляторов. Электрический генератор используется в качестве двигателя для запуска ДВС и далее переходит в генераторный режим. В патенте не указывается тип используемого генератора.
Патент US 20120253579 (B60W 20/00, опубл. 04.10.2012) подробно описывает способ управления бортовым ЗУ, которое содержит двигатель внутреннего сгорания, соединенный с ДВС посредством вала электрический генератор с постоянными магнитами, выпрямитель, систему управления. Механическая энергия, вырабатываемая ДВС, преобразуется в электрическую посредством генератора с постоянными магнитами. Полученный переменный ток преобразуется в постоянный в неуправляемом выпрямителе. Система управления регулирует выходное напряжение, воздействуя на частоту вращения вала ДВС и, как следствие, меняя ЭДС на обмотках генератора. Вероятно предполагается, что неуправляемый выпрямитель снижает габариты установки. Но из патента не ясно, каким образом производится запуск ДВС, так как генератор, подключенный через неуправляемый выпрямитель не способен работать в качестве двигателя. Вызывает сомнение и предложенный способ регулирования напряжения шины постоянного тока (заряда аккумуляторов), так как для зарядки батарей до высоких напряжений потребуется заметное увеличение частоты вращения вала ДВС. Таким образом, сильно ограничен диапазон напряжений заряда.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является патент US 7537070 (B60K 6/00, опубл. 26.05.2009), в котором предлагается устройство бортового ЗУ, включающее в себя ДВС, соединенный посредством вала с ним электрический генератор, инвертор, а также независимую систему управления. Электрический генератор подключается к силовой шине постоянного тока. При запуске ДВС генератор используется в качестве двигателя и раскручивает вал ДВС до необходимой частоты вращения. В качестве генератора предлагается использовать многополюсную электрическую машину на постоянных магнитах традиционного исполнения.
Предлагаемая в патенте система управления бортовым ЗУ эффективно управляет электрической машиной как в режиме запуска ДВС, так и в режиме генерации энергии. Как только достигнуты условия пуска ДВС, система включает электрическую машину в режиме двигателя и раскручивает вал до необходимой частоты вращения. При достижении нормальных условий эксплуатации ДВС, система управления включает режим генерации энергии, которая через управляемый инвертор-выпрямитель поступает в нагрузку - силовую шину постоянного тока автотранспортного средства. В таком исполнении отсутствует необходимость в дополнительном стартере для запуска ДВС.
Используемая в патенте электрическая машина является традиционной синхронной машиной с постоянными магнитами, управляемая инвертором. Ротор машины выполнен из магнитопроводящего материала с установленными на него постоянными магнитами. Статор состоит ярма и изолированных U-образных сердечников, содержащих катушки фаз. Сердечники равномерно распределены по окружности статора, создавая вращающееся магнитное поле.
Инвертор бортового ЗУ подключается к электрической силовой шине постоянного тока, создавая двунаправленный канал электрической энергии. Под управлением контроллера (системы управления), при пуске электрическая энергия забирается из шины постоянного тока и питает электрическую машину. В генераторном режиме получаемая электрическая энергия поступает через инвертор обратно в шину постоянного тока. При этом контролируется ток заряда аккумуляторов.
Можно выделить следующие недостатки данного изобретения:
- использование электрического генератора с постоянными магнитами традиционного исполнения, что не позволяет достаточно эффективно использовать пространство бортового ЗУ;
- общая система управления для ДВС и инвертора генератора, что не позволяет использовать неадаптированный ДВС сторонних производителей;
- определение степени заряда аккумуляторов только по напряжению шины постоянного тока.
Задача полезной модели состоит в уменьшении массо-гарабитных показателей бортового ЗУ и в получении возможности использования обычных неадаптированных ДВС в бортовом ЗУ.
Технический результат - увеличение запаса хода электромобилей за счет мобильной и компактной зарядной установки, использующей типовой ДВС.
Технический результат достигается тем, что бортовое зарядное устройство использует центральный блок управления, который взаимодействует с ДВС и инвертором посредством CAN и может быть конфигурирован на работу с различными типами устройств, а в качестве генератора и стартера используется электрическая машина аксиального исполнения с постоянными магнитами.
Предложенная полезная модель иллюстрируется структурной схемой бортового ЗУ.
Бортовое ЗУ 1 включает в себя: ДВС 2, управляемый собственным блоком управления 3, соединенный посредством вала с электрическим генератором с постоянными магнитами 4, инвертор 5, имеющий собственный встроенный блок управления 6, центральный блок управления 9, который имеет информационную связь с другими устройствами бортового ЗУ посредством шины CAN 10, персональный компьютер 12 для конфигурирования бортового ЗУ, а также для управления процессом зарядки в ручном режиме. Бортовое ЗУ подключается к внешним аккумуляторным батареям 7 или бортовой шине автомобиля посредством шины постоянного тока 8. При этом если аккумуляторный блок поддерживает обмен информацией по шине CAN, то он может быть подключен соответствующим кабелем 11. Электрический генератор 4 представляет собой машину аксиального исполнения с постоянными магнитами, что позволяет ощутимо повысить удельную мощность установки, т.е. более построить более компактное устройство при сохранении мощностных показателей относительно аналогичных устройств с традиционным исполнением электрической машины.
Бортовое ЗУ работает следующим образом.
В автоматическом режиме настроенное бортовое ЗУ ожидает выполнение критерия для начала заряда и приступает к запуску ДВС. При запуске центральный блок управления дает команду блоку управления инвертором по шине CAN и, переведя электрический генератор в режим двигателя, раскручивает ДВС до необходимой скорости. При этом ДВС получает команду включения зажигания. Далее ДВС работает на холостых оборотах до достижения рабочей температуры, после чего центральный блок управления переводит электрический генератор в режим генерации энергии и начинается зарядка АКБ. По окончании зарядки, т.е. при достижении конечного уровня заряда АКБ, бортовое ЗУ переводится в режим ожидания.
Центральный блок управления бортового ЗУ выполняет следующие функции:
- измерение напряжения и тока шины постоянного тока;
- контроль степени заряда аккумуляторов по напряжению шины постоянного тока;
- контроль степени заряда аккумуляторов по CAN сообщений от аккумуляторных модулей, поддерживающих CAN;
- принятие решения о начале и завершении зарядки аккумуляторов;
- управления исполнительными устройствами через их встроенные блоки управления: ДВС и инвертор генератора;
- организация обмена данными по шине CAN;
- пользовательский интерфейс для конфигурирования системы;
- пользовательский интерфейс для ручного управления зарядом/разрядом аккумуляторов.
Использование CAN для внутренних связей между модулями позволяет уменьшить количество проводов в бортовом ЗУ, а гибкая настройка системы позволяет использовать стандартные компоненты при производстве бортового ЗУ.
В автоматическом режиме ожидания центральный блок управления производит оценку степени заряда аккумуляторов либо по напряжению шины постоянного тока, либо по показаниям самих аккумуляторов по шине CAN, если они поддерживают такую функцию, что задается конфигурацией системы. При оценке степени заряда по напряжению шины центральный блок управления измеряет среднее значение напряжения на интервале в несколько секунд (конфигурируемый параметр) и при уменьшении этого значения ниже указанного в конфигурации запускает бортовое ЗУ на генерацию. Прекращение генерации энергии происходит при достижении среднего значения напряжения уровня, соответственно указанного в конфигурации системы.
В случае получения информации о степени заряда от самих аккумуляторов, центральный блок управления использует соответствующие уровни заряда из конфигурации системы для запуска и останова процесса зарядки.
Центральный блок управления обеспечивает также подключение внешнего персонального компьютера 12 для конфигурирования бортового ЗУ, а также для «ручного» управления процессом зарядки. ПК подключается к МЗУ посредством стандартного Ethernet кабеля. Конфигурирование осуществляется с помощью визуального интерфейса, доступного из любого браузера. При настройке системы пользователь задает следующие параметры:
- режим работы системы: ручной/автоматический;
- режим измерения степени заряда аккумуляторов: CAN или напряжение;
- уровни напряжения для запуска и останова зарядки;
- уровни степени заряда аккумуляторов для запуска и останова зарядки;
- максимальный ток зарядки аккумуляторов;
- оптимальная частота вращения ДВС;
- параметры обмена информацией с АКБ по CAN.
При нормальной работе бортовое ЗУ функционирует автоматически и не требует каких-либо действий со стороны пользователя.