Способ снабжения электрической энергией электрических нагрузок и аккумуляторной батареи транспортного средства
METHOD OF SUPPLYING ELECTRICAL POWER TO ELECTRICAL LOADS AND VEHICLE BATTERY

Изобретение относится к методам снабжения электрической энергией электрических нагрузок (далее ЭН) и аккумуляторной батареи (далее АКБ) транспортного средства (далее ТС), связанных посредством бортовой электрической распределительной сети (далее БС) с генератором электроэнергии (далее ГЭ) ТС. При этом, под электрическими нагрузками заявитель подразумевает любые, исключая АКБ, устройства из состава ТС, потребляющие электрическую энергию для исполнения возложенных на них функций.
Из книги «Теория конструкция и расчёт автотракторного электрооборудования», под ред. М.Н.Фесенко, М. «Машиностроение», 1979, стр. 320, рис. 219, известны схема токораспределения БС автомобиля ГАЗ-24 и реализуемый данной схемой способ, заключающийся в подаче в БС ТС электрической энергии АКБ при неработающем ГЭ или в подаче в БС ТС электрической энергии, производимой ГЭ. Из §11 главы 3 этой же книги известны токоскоростная (см. стр. 101, Рис.59) и внешняя (см. стр. 100, Рис.58) характеристики вентильного ГЭ, из которых видно, что началу токоотдачи генератора, при заданных уровне напряжения и токе возбуждения, соответствует некоторая ненулевая частота вращения его ротора, что уровень напряжения генератора, при заданных частоте вращения его ротора и токе возбуждения, уменьшается с ростом величины тока, потребляемого ЭН, при этом крутизна спада напряжения тем выше, чем выше частота вращения ротора генератора. Из указанных характеристик следует, что при относительно малой частоте вращения ротора генератора и относительно большой потребляемой ЭН мощности (ситуация может иметь место при эксплуатации ТС в сложных погодных условиях), генератор может не обеспечить подачу в БС электрического напряжения необходимого для заряда АКБ уровня, при этом повышение частоты вращения ротора ведёт к росту потерь в обмотках генератора.
Из патента на полезную модель RU87301, МПК Н02М 7/17, публ. 27.09.2009, известно устройство стабилизации напряжения БС пассажирского вагона (ТС) с электропитанием от подвагонного генератора (ГЭ) и реализуемый посредством данного устройства способ, заключающийся в подаче в БС ТС электрической энергии АКБ при неработающем ГЭ или в выработке энергии ГЭ, в поддержании напряжения ГЭ на заданном уровне, в формировании зарядного напряжения и в опосредованной БС подаче зарядного напряжения к ЭН и к АКБ ТС. Где, формирование зарядного напряжения осуществляют путем DC/DC преобразования развиваемого и поддерживаемого ГЭ. При этом величину зарядного напряжения устанавливают из условия обеспечения заряда АКБ.
Решение имеет ограниченную железнодорожным транспортом сферу применения.
Из ГОСТ Р 53165-2008 «Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия», в частности, известно:
ном
ном
- заряд открытых батарей при постоянном напряжении и постоянной величине тока до 5I выполняют, в зависимости от расхода воды (см. п.8.2.2), при постоянном напряжении 14,8, 15,2, 16,0 В. Затем производят заряд при постоянной величине тока Iв течение 4 час.
ном
ном
- заряд батарей с регулирующим клапаном при постоянной величине тока (см. п.8.2.3) выполняют при постоянной величине тока 2I до достижения напряжения 14,4 В, затем – при постоянной величине тока I в течение 4ч.
Из книги «Теория конструкция и расчёт автотракторного электрооборудования», под ред. М.Н.Фесенко, М. «Машиностроение», 1979, стр. 25 и 27 известны характерные для свинцово-кислотных батарей соотношения:
-3
Е=0,85+Y10,
з
з
а
U=E+IR, где
Е – ЭДС АКБ,
о
Y – плотность электролита при температуре 15С,
з
U – напряжение заряда,
з
I – величина тока заряда,
а
R – внутреннее сопротивление АКБ (зависит от конструктивных особенностей АКБ, от степени её заряженности и от температуры электролита).
При этом, согласно п.5.27.2 правила 48 ЕЭК ООН - «Соглашения о принятии единообразных технических предписаний для колесных транспортных средств, предметов оборудования и частей, которые могут быть установлены и/или использованы на колесных транспортных средствах, и об условиях взаимного признания официальных утверждений, выдаваемых на основе этих предписаний» «напряжение на клеммах устройства (устройств) или функционального(ых) компонента(ов) не должно превышать … 13,5 В (12-вольтовые системы) … более чем на 3%» (13,905 В).
Задачей изобретения было создание способа снабжения электрической энергией электрических нагрузок и аккумуляторной батареи транспортных средств, обеспечивающего высокую долговечность применяемых в составе транспортных средств электрических нагрузок, генератора электроэнергии и аккумуляторной батареи, а также возможность использования в составе ТС достаточно широкой номенклатуры аккумуляторных батарей при возможности организации бортового контроля за состоянием их заряда.
Задача решается в способе снабжения электрической энергией ЭН и АКБ ТС, связанных посредством БС с ГЭ транспортного средства, заключающемся в подаче в БС ТС электрической энергии АКБ при неработающем ГЭ или в подаче в БС ТС электрической энергии, производимой ГЭ.
Задача решается тем, что:
- при работе ГЭ уровень постоянного напряжения в БС поддерживают стабильным и, преимущественно, меньшим величин, регламентированных производителем АКБ для ее заряда,
- заряд АКБ выполняют подачей на батарею зарядного напряжения, уровень которого выбирают в соответствии с условиями, регламентированными производителем АКБ.
Задача также решается тем, что:
- Формирование зарядного напряжения, подаваемого на АКБ, осуществляют посредством вольт-добавки к величине уровня напряжения в БС ТС.
- Демпфирование скачков напряжения в БС ТС, возникающих в процессе включения и выключения ЭН, осуществляют подключением АКБ к БС посредством диодной развязки.
- Подачу к АКБ зарядного напряжения выполняют широтно-импульсным методом.
- Величину уровня зарядного напряжения устанавливают с учётом степени заряженности АКБ, а также с учётом температуры АКБ и/или температуры окружающей среды.
Примечание: - под термином «зарядное напряжение» заявитель подразумевает уровень напряжения, обеспечивающий восстановление металлического свинца на отрицательных электродах АКБ и преобразование сульфата свинца активной массы положительных электродов АКБ в двуокись свинца.
Изобретение иллюстрируется чертежом Фиг. 1, где показана структурная схема БС ТС, посредством которой может быть реализован заявляемый способ.
Способ может быть реализован в любом ТС, содержащем в своём составе ЭН (условно показана одна нагрузка), вентильный ГЭ с интегральным регулятором напряжения, оснащенным шиной LIN, (широко применяемый в настоящее время в составе автотракторной техники тип регуляторов напряжения (Int.reg)), имеющий возможность задания напряжения ГЭ, преимущественно, на уровне 13 В -5%, АКБ, электрический стартер (соединён с АКБ проводом большого сечения), а также БС, посредством которой ЭН связаны с ГЭ. Для реализации заявляемого способа ТС должно быть выполнено снабжённым бортовым зарядным устройством (БЗУ), электромагнитным реле (К1), импульсным ограничительным диодом (VD1), и датчиком (Т) температуры АКБ или окружающей АКБ среды. Датчик (Т) температуры может быть выполнен или содержащимся в составе АКБ, или содержащимся в составе клеммы АКБ, входящей в состав реализующих БС проводов, или в виде отдельного компонента, установленного рядом с АКБ. Вентильное устройство ГЭ (не показано) выполнено электрически соединёнными с БС и с массой ТС; интегральный регулятор ГЭ, соответственно, с шиной LIN ТС, которая, в свою очередь, выполнена электрически соединённой с контроллером системы управления двигателем (КСУД) и БЗУ.
БЗУ выполнено содержащим:
- клеммы мониторинга температуры АКБ (А_Темп),
- клемму соединения БЗУ с корпусом ТС (Gnd),
- клемму питания и мониторинга состояния цепи замка зажигания ДВС (К15),
- клемму силового питания БЗУ от ГЭ (+Пит),
- клемму подключения к шине LIN ТС (LIN),
- клемму мониторинга уровня напряжения в БС ТС (А_UБС),
- клемму мониторинга величины напряжения на АКБ (А_Uзар),
- клемму подачи на АКБ зарядного напряжения (Вых1), которая может быть объединена с клеммой А_Uзар.
- клемму управления реле К1 -управление режимами работы БЗУ (Вых2).
Примечание: - наличие в составе БЗУ клемм того или иного назначения априори подразумевает наличие соответствующей функции, реализуемой БЗУ.
Реле (К1) выполнено содержащим электромагнитную обмотку (клеммы 85 и 86), переключающий контакт (клемма 30), нормально замкнутый контакт (клемма 88) и нормально разомкнутый контакт (клемма 87). Клемма 86 реле выполнена электрически соединённой с клеммой «Вых2» БЗУ. Клемма «А_UБС» БЗУ, клеммы 85 и 30 реле, анод импульсного диода VD1, выполнены соединёнными с положительной шиной (+) БС ТС. Клемма 88 реле выполнена соединённой с клеммой «Вых1» БЗУ, с катодом импульсного диода VD1 и с положительной клеммой АКБ. Клемма 87 реле выполнена соединённой с клеммой «+Пит» БЗУ. Клемма «А_Uзар» БЗУ выполнена соединённой с положительной клеммой АКБ. Клеммы «А_Темп» БЗУ выполнены электрически соединёнными с датчиком температуры (Т).
Примечание: Обозначения, приведённые на чертеже, соответствуют устоявшимся обозначениям, принятым в практике автомобилестроения; не охваченные приведённым выше описанием связи, из числа отображённых на Фиг. 1, очевидны для специалистов, занимающихся проектированием и обслуживанием электрооборудования ТС.
При выключенном замке зажигания К15 (БЗУ выключено) реле К1 находится в исходном положении - снабжение электрической энергией ЭН ТС осуществляется подачей в БС ТС энергии АКБ через нормально замкнутые контакты 88 и 30 реле. Импульсный ограничительный диод VD1 шунтирован контактами 88 и 30 реле. При включении замка зажигания на клемме БЗУ «К15» появляется напряжение (+БС), происходит запитывание вычислительного ядра БЗУ, после чего вычислительное ядро связывается по шине LIN с КСУД и ГЭ, производит настройки ГЭ, определяет тип АКБ, установленной на ТС, состояние запуска и работы ДВС (получает по LIN от КСУД), затем переводит ГЭ в режим генерации, и наконец, переводит БС ТС на режим снабжения «от ГЭ».
Интегральный регулятор (Int.reg) задаёт и поддерживает вырабатываемое ГЭ напряжение на уровне, предпочтительно, 13 В – 5% (для 12-ти вольтовых систем) во всех режимах работы ГЭ и для любых режимов, в том числе климатических, эксплуатации ТС.
Перевод БС ТС на режим снабжения «от ГЭ» осуществляется посредством активизации электромагнитной обмотки реле К1, что приводит к разобщению нормально замкнутых контактов 30 и 88 реле и разрыву проводной связи между АКБ и БС, к замыканию контактов 30 и 87 и к подаче стабилизированного напряжения БС на клемму «+Пит» БЗУ. При этом положительная шина «+» БС через импульсный ограничительный диод VD1 соединяется с положительной клеммой АКБ. Соединение БС с АКБ посредством импульсного ограничительного диода VD1 обеспечивает демпфирование батареей скачков выходного напряжения ГЭ:
- возникающих при выключении/сбросе ЭН, амплитуда которых превышает величину напряжения БС на величину прямого падения напряжения на диоде,
- возникающих при включении/набросебольших токовых нагрузок, при которых амплитуда кратковременно опускается ниже напряжения БС на величину пробивного напряжения диода.
В процессе работы БЗУ, через клемму «А_UБС», контролирует состояние напряжения в БС, через клемму «А_Uзар» контролирует состояние напряжения на клемме + АКБ и степень её заряда, а через клеммы «А_Темп» контролирует температуру АКБ. Если при работе ГЭ БЗУ выявляет провал напряжения в БС, то БЗУ переводит реле К1 в исходное состояние, а БС в режим питания «от АКБ» до момента восстановления нормального напряжения БС.
В случае необходимости заряда АКБ БЗУ включает входящий в его состав формирователь зарядного напряжения. Из уровня техники широко известны DC/DC преобразователи, работа которых основана на использовании э.д.с. самоиндукции дросселя, входящего в состав преобразователя. Из уровня техники также известны сумматоры электрических сигналов, выполненные на основе трансформатора. Формирователь зарядного напряжения может быть, например, выполнен содержащим ключевой полупроводниковый элемент, генератор импульсов, в качестве которого, предпочтительно, использовать ШИМ-контроллер, а также высокочастотный трансформатор (не показаны, входят в состав БЗУ). Вторичная обмотка последнего одним из своих концов должна быть выполнена соединённой с положительной (+) шиной БС ТС (через клемму БЗУ «+Пит» и замкнутые контакты 30 и 87 реле К1), а другим, предпочтительно, через диод Шотки (не показан), с клеммой БЗУ «Вых1» и, соответственно, с положительной клеммой АКБ. Первичная обмотка высокочастотного трансформатора одним из своих концов должна быть выполнена также соединённой с положительной (+) шиной БС ТС (через клемму БЗУ «+Пит» и замкнутые контакты 30 и 87 реле К1), а другим из своих концов, через ключевой полупроводниковый элемент и через клемму БЗУ «Gnd» с массой ТС. Управляющий электрод ключевого элемента, соответственно, должен быть выполнен электрически связанным с генератором импульсов.
Приведённая в выше расположенном абзаце информация в достаточной для понимания степени иллюстрирует способность БЗУ поформированию зарядного напряжения посредством вольт-добавки к величине стабильного уровня напряжения в БС ТС и, соответственно, возможность формирования БЗУ зарядного напряжения, уровень которого выше напряжения БС, величину которого устанавливают в соответствии с типом применённой на ТС АКБ, с условиями заряда, регламентированными производителем АКБ, а также и в зависимости от температуры АКБ и степени её заряженности.
При этом известно, что активная масса пластин АКБ обладает некоторыми объёмом и пористостью, а электролиты АКБ некоторой вязкостью, которая зависит, в том числе от температуры. Наличие пауз в подаче зарядного напряжения обеспечивает выравнивание плотности электролита по всему объёму активной массы пластин и поступление в активную массу свежих компонентов электролита. Наличие в составе формирователя зарядного напряжения ШИМ-контроллера позволяет реализовать пульсирующий тип зарядки АКБ
Таким образом, показанная на Фиг. 1 БС позволяет реализовать подачу ЭН ТС электрической энергии АКБ при неработающем ГЭ или подачу ЭН ТС электрической энергии, производимой ГЭ. В последнем случае уровень напряжения, подаваемого ГЭ в БС, поддерживают стабильным и, преимущественно, меньшим величин, регламентированных производителем АКБ для ее заряда, при этом заряд АКБ выполняют подачей на АКБ зарядного напряжения, уровень которого устанавливают в соответствии с рекомендациями производителя АКБ, а также и в зависимости от температуры АКБ и степени её заряда.
Заявляемый способ снабжения электрической энергией электрических нагрузок и аккумуляторной батареи транспортных средств, обеспечивает высокую долговечность применяемых в составе транспортных средств электрических нагрузок (обеспечивается подачей нагрузкам номинального стабилизированного напряжения), генератора электроэнергии (обеспечивается выработкой генератором пониженного напряжения, уровень которого меньше напряжения, необходимого для заряда АКБ) и аккумуляторной батареи (обеспечивается подачей на клеммы АКБ напряжения, обеспечивающего поддержание степени её заряда на уровне от 75 до 95% от её ёмкости), а также возможность использования в составе ТС достаточно широкой номенклатуры аккумуляторных батарей при возможности организации бортового контроля за уровнем их заряда.