АККУМУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОЙ КОНФИГУРАЦИИ И СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО КОНФИГУРАЦИИ
ACCUMULATOR FOR VARIABLE CONFIGURATION AND METHOD OF CHANGING CONFIGURATION THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электрическим аккумуляторам, используемым с электромоторами и заряжаемым с помощью рекуперативной подзарядки, например аккумуляторы для электровелосипедов. А именно, изобретение относится к аккумулятору переменной конфигурации, электромоторам переменной конфигурации для использования с такими аккумуляторами, способам изменения конфигурации аккумулятора для питания переменных нагрузок, а также к способам изменения конфигурации аккумулятора для зарядки и изменения конфигурации электромоторов для зарядки аккумулятора.
Уровень техники
Изобретение описано в отношении электровелосипедов, в которых заряжаемый аккумулятор питает электромотор. В известных из уровня техники электровелосипедах в некоторых случаях ток от аккумулятора регулируется контроллером скорости, который управляет мотором, что в свою очередь помогает велосипедисту. В других вариантах, когда велосипедист желает уменьшить скорость или притормозить, спускаясь с возвышенности, мотор выполняет роль генератора и подает ток обратно аккумулятору, тем самым обеспечивая рекуперативное торможение, которое восстанавливает часть энергии. В противном случае эта часть энергии будет потеряна при использовании обычных механических тормозов.
В электромоторе обычно используют набор магнитов, например электромагниты и постоянные магниты. При вращении мотора силы притяжения и отталкивания этих магнитов регулируют электрически таким образом, чтобы мотор вращался непрерывно в требуемом направлении. Это может быть осуществлено с помощью электромеханических переключателей (например, коммутаторов), или с помощью полупроводниковых переключателей (например, полевых транзисторов (FET)).
m
m
B
M
M
B
M
B
B
M
B
B
B
На фиг. 1 показан пример мотора 12, соединенного с аккумулятором 10. При прохождении тока I через обмотку мотора 12 он вращается, генерируя противодействующую электродвижущую силу (ЭДС), являющуюся напряжением, которое приблизительно пропорционально скорости вращения мотора 12. Ток I рассчитывают по формуле (V-V)/(R+R), где R - внутреннее сопротивление мотора 12, a R - внутреннее сопротивление аккумулятора. При подаче постоянного напряжения V (например, от аккумулятора 10) противодействующая ЭДС уменьшает ток мотора 12, поскольку этот ток пропорционален разности между напряжением V (противодействующая ЭДС) мотора и напряжением V аккумулятора. Например, если мотор 12 работает (с некоторым внешним содействием) со скоростью, при которой противодействующая ЭДС равна напряжению V аккумулятора, то ток в цепи будет отсутствовать. Если мотор 12 вращается быстрее, так что противодействующая ЭДС больше напряжения V аккумулятора, то ток будет течь в обратном направлении, заряжая аккумулятор 10. В одном случае при потере скорости мотор 12 не вращается. В этом случае противодействующая ЭДС равна нулю, поскольку мотор не вращается, ток от аккумулятора 10 будет максимальным, а мотор 12 будет выдавать максимальный крутящий момент.
Когда велосипед движется и мотор 12 создает некоторую противодействующую ЭДС, мотор 12 может быть использован в качестве генератора для подзарядки аккумулятора 10, достигая требуемого уровня торможения. Для этого напряжение на выходе мотора 12 увеличивают до уровня, превышающего уровень напряжения аккумулятора 10, с помощью устройства, известного как инвертор.
На фиг. 2 показана блок-схема системы известного из уровня техники электровелосипеда без механизма рекуперативного торможения. Аккумулятор 10 передает ток мотору 12 через контроллер скорости 11. Контроллер скорости 11 регулирует ток мотора 12, тем самым регулируя и скорость его работы. Контроллер скорости 11 может быть установлен велосипедистом на требуемое значение скорости с помощью ручки настройки 13.
На фиг. 3 показана блок-схема системы известного из уровня техники электровелосипеда с механизмом рекуперативного торможения. Устройство по Фиг. 3 идентично устройству по фиг. 2, но дополнительно содержит инвертор 14, включенный параллельно контроллеру скорости 11. Для соединения мотора 12 с контроллером 11 (в режиме привода) или инвертором 14 (в режиме торможения) используют переключатель 15. В режиме торможения ток генерируется мотором 12 и проходит к аккумулятору 10 через инвертор 14 для подзарядки аккумулятора.
Следует отметить, что система имеет две отличающиеся функции, одна из которых заключается в раскручивании мотора и колеса (колес) велосипеда путем подачи тока от аккумулятора мотору (моторам), а другая заключается в использовании тока от мотора (моторов) для подзарядки аккумулятора, обеспечивая рекуперативное торможение при замедлении велосипеда. Также по фиг. 3 видно, что для подзарядки аккумулятора необходим инвертор, который увеличивает напряжение на выходе мотора до значения, превышающего напряжение аккумулятора, чтобы направить ток обратно к аккумулятору.
Для типового заряжаемого аккумулятора напряжение зарядки должно быть выше напряжения аккумулятора. Чем выше напряжение зарядки относительно напряжения аккумулятора, тем больше тока протекает к аккумулятору. Контроль напряжения зарядки является одним из способов контроля скорости зарядки, так же как и интенсивности торможения. Другим способом контроля скорости зарядки является широтно-импульсная модуляция (PWM), когда переключатель между источником напряжения зарядки и аккумулятором регулирует включение/выключение рабочего цикла. Конечно же, для работы такого устройства напряжение зарядки также должно быть больше напряжения аккумулятора.
В большинстве электрических транспортных средств, таких как электровелосипеды и электромобили, в которых используют рекуперативное торможение, электрическая система обычно состоит из нескольких подсистем, а именно из мотора, контроллера скорости, инвертора и аккумулятора. Иногда контроллер скорости регулирует как ток привода, так и ток торможения посредством широтно-импульсной модуляции (PWM). Теоретически, хорошо продуманная конструкция инвертора могла бы регулировать ток привода и ток торможения путем регулировки напряжения, подаваемого мотору для его вращения, и напряжения, подаваемого аккумулятору для рекуперативного торможения, тем самым исключая необходимость в использовании отдельного контроллера скорости.
Однако инвертор является устройством, сложным для проектирования или недешевым в изготовлении, поскольку он работает с большими токами (особенно в процессе быстрого торможения), а иногда с высоким выходным напряжением, в то время как его входное напряжение может изменяться в широком диапазоне значений. Входное напряжение, которое в данном случае является противодействующей ЭДС от мотора, обычно близко к нулю, когда велосипедист собирается остановить велосипед, и близко к максимальному напряжению аккумулятора, когда велосипед скатывается по ровной поверхности с максимальной скоростью (обычно напряжение аккумулятора ограничивает наибольшую скорость).
Также функциональность инвертора обычно достигают с помощью применения быстродействующих переключателей. Инвертор одной конструкции может сначала преобразовать постоянный ток (DC) от мотора в переменный ток (АС), увеличить напряжение с помощью повышающего трансформатора и преобразовать переменный ток обратно в постоянный для подзарядки аккумулятора. Инвертор с другой конструкцией для увеличения напряжения может использовать временные накопители энергии, например конденсаторы и катушки индуктивности, в конфигурации подкачки зарядов. Частота переключения обычно составляет порядка 1-100 кГц. В большинстве известных инверторов помимо большого веса наблюдаются значительные потери энергии, а их стоимость очень высока из-за требований к высоким токам (100 А или более). Из-за этого лишь небольшой процент электровелосипедов оснащают рекуперативными тормозами.
Было бы выгодно представить конструкцию аккумулятора и/или электромотора, которые содержали бы как приводной механизм, так и механизм рекуперативного торможения (например, в электровелосипеде) в пределах приемлемого рабочего диапазона без необходимости установки инвертора.
Также было бы полезным представить аккумулятор переменной конфигурации и систему управления аккумулятором, которые будут обеспечивать изменение рабочего цикла ряда аккумуляторных элементов для контроля промежуточного выходного напряжения без больших коммутационных потерь, одновременно уменьшая переходные сигналы, вызванные переключением.
Способ и устройство согласно изобретению представляет последовательно включенный аккумулятор переменной конфигурации, имеющий эти и другие преимущества.
Раскрытие изобретения
Изобретение относится к аккумуляторам переменной конфигурации, например, для применения в приводных системах электрических транспортных средств, таких как велосипеды, автомобили, грузовые транспортные средства, поезда, грузопассажирские транспортные средства и так далее. В частности, изобретение относится к аккумулятору переменной конфигурации с несколькими последовательно соединенными аккумуляторными элементами и к электромоторам переменной конфигурации для использования с таким аккумулятором переменной конфигурации в системе привода электрического транспортного средства, а также к способам смены конфигурации аккумулятора для зарядки и разрядки на различных электрических нагрузках.
Согласно изобретению представлен аккумулятор переменной конфигурации, который имеет по меньшей мере один батарейный блок, состоящий из нескольких аккумуляторных элементов с постоянным последовательным соединением. Каждый аккумуляторный элемент имеет первый полюс напряжения и второй полюс напряжения. По меньшей мере один переключатель с управлением от процессора имеет электрическое соединение между первым полюсом напряжения каждого аккумуляторного элемента и первым выходным электрическим соединением. По меньшей мере один переключатель с управлением от процессора имеет электрическое соединение между вторым полюсом напряжения каждого аккумуляторного элемента и вторым выходным электрическим соединением. Переключатели с процессорным управлением предназначены для выполнения электрической смены конфигурации аккумуляторных элементов путем соединения первого полюса напряжения элемента с первым выходным электрическим соединением и второго полюса напряжения элемента со вторым выходным электрическим соединением для получения выходного напряжения аккумулятора переменной конфигурации между первым и вторым выходными электрическими соединениями.
Выходное напряжение аккумулятора переменной конфигурации приблизительно равно сумме напряжений аккумуляторных элементов с измененной электрической конфигурацией и находится в диапазоне от нуля вольт до максимального выходного напряжения (например, положительного или отрицательного) постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов.
По другому варианту реализации аккумулятор переменной конфигурации дополнительно содержит по меньшей мере один переключатель, соединенный электрически между первым полюсом напряжения начального аккумуляторного элемента в постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементах и вторым выходным электрическим соединением.
Аккумулятор переменной конфигурации может содержать по меньшей мере один переключатель, соединенный электрически между вторым полюсом напряжения конечного аккумуляторного элемента в постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементах и первым выходным электрическим соединением.
По другому варианту реализации аккумулятор переменной конфигурации содержит батарейные блоки, соединенные параллельно.
Аккумулятор переменной конфигурации дополнительно содержит последовательное соединение первого блока аккумуляторных элементов со вторым блоком аккумуляторных элементов. Первый промежуточный переключатель с процессорным управлением соединен между вторым полюсом напряжения конечного аккумуляторного элемента в первом блоке и первым полюсом напряжения начального аккумуляторного элемента во втором блоке. Второй промежуточный переключатель с процессорным управлением соединен между первым полюсом напряжения начального аккумуляторного элемента в первом блоке и вторым полюсом напряжения конечного аккумуляторного элемента во втором блоке. Первое выходное электрическое соединение первого блока соединено с первым выходным электрическим соединением второго блока, а второе выходное электрическое соединение первого блока соединено со вторым выходным электрическим соединением второго блока. В процессе работы первый промежуточный переключатель с процессорным управлением и второй промежуточный переключатель с процессорным управлением не могут одновременно находиться в замкнутом состоянии.
Кроме того, в аккумуляторе переменной конфигурации второй блок постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов может быть заменен одним аккумуляторным элементом.
Аккумулятор переменной конфигурации дополнительно может содержать емкостной элемент и/или индуктивный элемент для фильтрации колебаний напряжения и/или тока.
Любой из указанных вариантов реализации изобретения может содержать средства измерения напряжения и тока, причем средством измерения напряжения является вольтметр, соединенный на концах первого выходного электрического соединения и второго выходного электрического соединения. Средством измерения тока является амперметр, соединенный последовательно либо с первым выходным электрическим соединением, либо со вторым выходным электрическим соединением. В другом случае средства измерения тока и напряжения могут входить в состав системы контроля состояния аккумулятора. Также могут производить измерение температуры аккумуляторных элементов для контроля зарядки и разрядки, а также для диагностики неисправностей или отказа элементов.
Система контроля состояния аккумулятора содержит по меньшей мере один электронный процессор, одно устройство для хранения данных, один канал связи, один протокол управления аккумулятором переменной конфигурации, а также протокол пользовательского интерфейса для предоставления пользователю коммуникации и управления.
Переключатели и промежуточные переключатели могут содержать переключатели на основе мощных полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и/или другие твердотельные (например, полупроводниковые) переключатели, например со схемой управления на основе широтно-импульсной модуляции или импульсно-плотностной модуляции. Электромеханические переключатели также могут быть использованы отдельно или в совокупности с другими твердотельными переключателями. Кроме того, на первом полюсе напряжения может быть установлено большее напряжение, чем на втором полюсе.
В представленном варианте реализации аккумулятор предоставляет энергию для электрической нагрузки, при этом электрической нагрузкой может являться транспортное средство с по меньшей мере одним электромотором. Транспортным средством может являться электровелосипед, электроскутер, электромобиль, гибридный автомобиль, гибридное грузовое транспортное средство, кресло-каталка с электроприводом, а также гольф-мобиль с электроприводом.
В другом варианте реализации подзарядку аккумулятора переменной конфигурации производят путем соединения аккумулятора с по меньшей мере одним источником питания. Источником питания может являться, например, электрическая система транспортного средства, приспособленная для рекуперативной зарядки, либо выпрямленный ток от источника переменного тока, либо от источника переменного тока напрямую.
В соответствии со способом изменения конфигурации аккумулятора располагают часть постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов в первую конфигурацию, предназначенную для получения первого напряжения аккумулятора; изменяют расположение, по крайней мере, части постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов во вторую конфигурацию, предназначенную для получения второго напряжения аккумулятора. Изменение конфигурации предусматривает замыкание первого переключателя с процессорным управлением, электрически соединяющего первый полюс напряжения аккумуляторного элемента в постоянном последовательном соединении аккумуляторных элементов с первым выходным электрическим соединением. Затем замыкают второй переключатель с процессорным управлением, электрически соединяющий второй полюс напряжения аккумуляторного элемента в постоянном последовательном соединении аккумуляторных элементов со вторым выходным электрическим соединением.
В другом варианте реализации в соответствии со способом изменение конфигурации первого блока последовательных элементов со вторым блоком дополнительно содержит один из двух шагов. Замыкают первый промежуточный переключатель с процессорным управлением, соединенный между вторым полюсом напряжения конечного аккумуляторного элемента в первом блоке и первым полюсом напряжения начального аккумуляторного элемента во втором блоке. Либо замыкают второй промежуточный переключатель с процессорным управлением, соединенный между первым полюсом напряжения начального аккумуляторного элемента в первом блоке и вторым полюсом напряжения конечного аккумуляторного элемента во втором блоке.
Переключатель с процессорным управлением может содержать переключатель с процессорным управлением на основе широтно-импульсной модуляции или переключатель с процессорным управлением на основе импульсно-плотностной модуляции. На первом полюсе напряжения может быть установлено большее напряжение, чем на втором полюсе.
В соответствии со способом второй переключатель с процессорным управлением альтернативно переключают по сигналу широтно-импульсной модуляции или импульсно-плотностной модуляции между первой конфигурацией последовательно соединенных аккумуляторных элементов, представляя первое напряжение, и второй конфигурацией последовательно соединенных аккумуляторных элементов, представляя второе напряжение, в итоге получая промежуточное выходное напряжение между первым и вторым напряжениями.
Аккумулятор переменной конфигурации может быть выполнен с возможностью передачи энергии по меньшей мере одной электрической нагрузке или для получения энергии для подзарядки.
Примером электрической нагрузки является транспортное средство с по меньшей мере одним электромотором, при этом транспортным средством может являться электровелосипед, электроскутер, электромобиль, гибридный автомобиль, гибридное грузовой транспортное средство, кресло-каталка с электроприводом, а также гольф-мобиль с электроприводом.
Способ подзарядки аккумулятора переменной конфигурации предусматривает соединение аккумулятора с по меньшей мере одним источником питания. Одним таким источником питания является рекуперативная подзарядка, которая заключается в использовании по меньшей мере одного мотора в процессе торможения, что приводит к протеканию тока к аккумулятору. Другой способ подзарядки заключается в использовании выпрямленного тока от источника переменного тока (АС) либо переменного тока напрямую от источника. Например, с динамической сменой полярности аккумулятора можно использовать источник переменного тока напрямую без выпрямления.
Другой вариант реализации предусматривает способ измерения напряжения и тока при разрядке аккумулятора, в котором измеряют напряжение и ток при разрядке аккумулятора, и контролируют изменения конфигурации последовательно соединенных аккумуляторных элементов на основании этих измерений. Для измерения, контроля и изменения конфигурации последовательно соединенных аккумуляторных элементов также может быть использован внешний источник питания.
Другой вариант реализации предусматривает способ, в котором сглаживают и фильтруют выходной сигнал напряжения аккумулятора переменной конфигурации с помощью конденсатора и/или индуктивности.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых обозначения позиций указывают на соответствующие элементы.
На фиг. 1 показана традиционная конфигурация электромотора и аккумулятора.
На фиг. 2 показана блок-схема системы электровелосипеда, известного из уровня техники.
На фиг. 3 показана блок-схема другой системы электровелосипеда, известного из уровня техники.
На фиг. 4 показан электровелосипед в соответствии с изобретением.
На фиг. 5а изображен аккумулятор переменной конфигурации в первой конфигурации аккумуляторных элементов в соответствии с изобретением.
На фиг. 5b изображен аккумулятор переменной конфигурации во второй конфигурации аккумуляторных элементов в соответствии с изобретением.
На фиг. 5с изображен аккумулятор переменной конфигурации в дополнительной конфигурации аккумуляторных элементов в соответствии с изобретением.
На фиг. 6 представлен аккумулятор переменной конфигурации в соответствии с изобретением.
На фиг. 7а изображен электромотор переменной конфигурации в первой конфигурации в соответствии с изобретением.
На фиг. 7b изображен электромотор переменной конфигурации во второй конфигурации в соответствии с изобретением.
На фиг. 8 изображен электромотор переменной конфигурации с неравным распределением нагрузки в соответствии с изобретением.
На фиг. 9а представлен аккумулятор переменной конфигурации в соответствии с изобретением.
На фиг. 9b представлен аккумулятор с измененной конфигурацией с максимальным выходным напряжением в соответствии с изобретением.
На фиг. 9с представлен аккумулятор с измененной конфигурацией с выходным напряжением одного аккумуляторного элемента в соответствии с изобретением.
На фиг. 9d представлен аккумулятор с измененной конфигурацией с выходным напряжением одного аккумуляторного элемента в соответствии с изобретением.
На фиг. 9е представлен аккумулятор с измененной конфигурацией с выходным напряжением одного аккумуляторного элемента в соответствии с изобретением.
На фиг. 9f представлен вариант аккумулятора с измененной конфигурацией с выходным напряжением двух аккумуляторных элементов в соответствии с изобретением.
На фиг. 9g представлен альтернативный вариант аккумулятора с измененной конфигурацией с выходным напряжением двух аккумуляторных элементов в соответствии с изобретением.
На фиг. 9h представлен второй альтернативный вариант аккумулятора с измененной конфигурацией с выходным напряжением двух аккумуляторных элементов в соответствии с изобретением.
На фиг. 10а изображен вариант аккумулятора переменной конфигурации с двумя блоками аккумуляторных элементов в соответствии с изобретением.
На фиг. 10b изображен вариант аккумулятора с измененной конфигурацией с двумя блоками аккумуляторных элементов в соответствии с изобретением.
На фиг. 10с изображен альтернативный вариант аккумулятора с измененной конфигурацией с двумя блоками аккумуляторных элементов в соответствии с изобретением.
На фиг. 11 показано изменение рабочего цикла аккумулятора с измененной конфигурацией с двумя блоками аккумуляторных элементов.
На фиг. 12 показано изменение рабочего цикла с емкостной фильтрацией аккумулятора с измененной конфигурацией с двумя блоками аккумуляторных элементов.
На фиг. 13 показан аккумулятор с измененной конфигурацией с двумя блоками аккумуляторных элементов, а также с измерением напряжения и тока.
На фиг. 14 показан аккумулятор с измененной конфигурацией и системой управления коммутацией.
Осуществление изобретения
Следующее подробное описание представляет лишь примеры вариантов реализации изобретения и не ограничивают сущность и применимость изобретения. Возможны различные вариации и модификации вышеуказанных функций и конфигураций элементов без отступления от сущности изобретения.
Несмотря на то, что настоящее изобретения описано в отношении электровелосипедов, в которых заряжаемый аккумулятор приводит в движение электромотор, специалистам в данной области техники понятно, что оно в равной степени может быть применено к другим типам электрических транспортных средств и системам подзарядки аккумулятора.
Для многих электромеханических систем (таких как электровелосипед) проблему сложности конструкции решают путем разбиения системы на отдельные подсистемы, каждая из которых выполняет определенную функцию таким образом, что вся система работает должным образом. Каждая подсистема может быть разработана более или менее независимо от других подсистем при условии, что она соответствует заданным требованиям к конструкции. Типовые конструкции электрических транспортных средств, известные из уровня техники, такие как электровелосипед, могут быть разделены на следующие подсистемы: приводной механизм с электромотором, контроллер скорости, инвертор, аккумулятор и, возможно, программируемый центральный контроллер, который управляет другими подсистемами. В качестве примера подсистема аккумулятора обычно может поставляться производителем аккумуляторов с характеристиками, содержащими диапазон напряжений и токов. Разработчик инверторов может работать с диапазоном допустимых входных напряжений от мотора, которые могут увеличиваться достаточно сильно для подзарядки аккумулятора. Разработчик механической части отвечает за приводной механизм и взаимодействие с мотором и так далее для других подсистем. Таким способом можно избежать упрощения на системном уровне или обеспечения взаимосвязи между подсистемами, фокусируясь в одно время на одной подсистеме.
Основной проблемой, которую необходимо решить при подзарядке аккумулятора от мотора, является сохранение напряжения зарядки на более высоком уровне, чем напряжение аккумулятора. Настоящее изобретение решает эту проблему путем эффективного уменьшения напряжения аккумулятора на время зарядки. Это осуществляется в с помощью аккумулятора переменной конфигурации. Подзарядка производится, пока напряжение аккумулятора меньше напряжения, создаваемого мотором. Таким образом, данное решение исключает необходимость увеличивать напряжение на выходе мотора с помощью инвертора.
Обычный аккумулятор, необходимый для электровелосипеда, должен генерировать десятки вольт, требуя от полдюжины до нескольких десятков аккумуляторных элементов. Например, в обычном электровелосипеде применяют аккумулятор NiMH на 36 В и 13 А·ч. Каждый аккумуляторный элемент обычно генерирует от 1,2 В (например, элементы NiCd или NiMH) до 3,6 В (элементы LiIo или LiPo). Многие из этих элементов должны быть соединены последовательно для получения требуемого напряжения для мотора.
В настоящем изобретении предложен аккумулятор переменной конфигурации, который предназначен для динамического повторного соединения и изменения конфигурации аккумуляторных элементов при изменении требований системы (например, от передачи тока мотору к получению тока для подзарядки аккумулятора, и наоборот).
На фиг. 4 представлен упрощенный вариант реализации электровелосипеда 40 в соответствии с изобретением. Аккумулятор 42 переменной конфигурации с элементами установлен на раме 44 велосипеда. По меньшей мере один мотор 46 установлен на раме 44 и предназначен для вращения колеса 48 велосипеда 40. Аккумулятор 42 и мотор 46 соединены с контроллером 50. Контроллер 50 может быть предназначен для управления током, поставляемым мотору 46 от аккумулятора 42 для вращения колеса 48, для управления током, поставляемым для подзарядки аккумулятора 42 от мотора 46, и для изменения конфигурации аккумулятора 42 (или изменения конфигурации моторов 46), что будет сказано более подробно ниже.
На фиг. 5а и 5b показан вариант аккумулятора переменной конфигурации в соответствии с изобретением. На фиг. 5а показаны аккумуляторные элементы 52 аккумулятора 42, расположенные в первой конфигурации и предназначенные для передачи первого напряжения аккумулятора электромотору 46. На фиг. 5b изображены аккумуляторные элементы 52, составляющие вторую конфигурацию, предназначенную для получения второго напряжения аккумулятора. Лишь часть аккумуляторных элементов может образовывать вторую конфигурацию. Второе напряжение аккумулятора может быть ниже первого напряжения аккумулятора. Далее, когда множество элементов 52 образуют вторую конфигурацию, аккумулятор 42 может быть заряжен.
В первой конфигурации, представленной на фиг. 5а, аккумуляторные элементы 52 могут быть расположены последовательно. Во второй конфигурации, представленной на фиг. 5b, аккумуляторные элементы 52 могут быть расположено параллельно.
Во второй конфигурации лишь первая часть аккумуляторных элементов 52 может быть расположена параллельно, а вторая часть аккумуляторных элементов 52 может быть расположена последовательно. Кроме того, при изменении второй конфигурации, как показано на фиг. 5с, как минимум первая и вторая части аккумуляторных элементов 52 могут быть расположены последовательно, а между собой первая и вторая части аккумуляторных элементов расположены параллельно. Например, следует отметить, что в представленных примерах с четырьмя аккумуляторными элементами 52 конфигурация аккумулятора 42 может быть изменена по меньшей мере для трех допустимых напряжений (где Vb - напряжение на каждом элементе 52): 4×Vb (все 4 элемента включены последовательно, как изображено на фиг. 5а), 1×Vb (все 4 элемента включены параллельно, как изображено на фиг. 5b), и 2×Vb (две пары элементов включены последовательно, в то время как между собой они расположены параллельно, как изображено на фиг. 5с).
Процесс зарядки может содержать рекуперативную подзарядку, выполняемую электромотором (электромоторами) 46 при торможении транспортного средства. В данном варианте можно измерять по меньшей мере одно напряжение и один ток мотора 46. Изменение конфигурации аккумуляторных элементов 52 может осуществляться на основании этих измерений. Например, датчик 49 тока можно применять для измерения тока в цепи мотора и/или датчик 58 напряжения можно применять для измерения напряжения в цепи мотора, при этом датчики 49 и 58 могут передавать необходимую информацию о напряжении и/или токе контроллеру (например, контроллеру 50 из фиг. 4) для принятия решения по выбору конфигурации аккумулятора 42 для получения требуемого напряжения. Датчик может измерять скорость мотора для передачи данной информации контроллеру 50. Кроме того, внешний источник питания (например, резервный аккумулятор 56) может питать контроллер 50 и датчики 49 и 58.
Также можно измерять количество требуемой энергии торможения и передавать эти данные контроллеру 50, на основании которых можно выполнять изменение конфигурации аккумуляторных элементов 52. Приложенная сила торможения может быть измерена датчиком 49 тока (или по схеме, встроенной в электромотор 46) и передана контроллеру 50.
Средства 57 коммутации могут способствовать изменению конфигурации аккумуляторных элементов. Средства 57 коммутации могут быть соединены по меньшей мере с одним из аккумуляторных элементов. Например, средства 57 коммутации могут содержать средства коммутации на основании широтно-импульсной модуляции (PWM) или средства коммутации на основании импульсно-плотностной модуляции (PDM) с управлением от контроллера 50.
Также может быть установлен переключатель 59 управления скоростью. Переключатель 59 может управляться на основе широтно-импульсной модуляции, а контроллер 50 может являться системой управления PWM, предназначенной для регулировки рабочим циклом (вкл./выкл.) PWM-переключателя 59 в цепи между мотором 46 и аккумулятором 42. Датчик 49 тока можно применить для подсчета среднего значения тока. Например, если требуемое значение не может быть сохранено из-за того, что разница напряжения между мотором 46 и аккумулятором 42 слишком мала, то конфигурация аккумулятора 42 может быть изменена так, чтобы его напряжение было меньше в процессе рекуперативной подзарядки либо больше в процессе движения или ускорения. У обычного электромотора постоянного тока крутящий момент (или сила торможения) пропорционален протекающему в его цепи току.
Резервный аккумулятор 56 может быть необходим или не необходим и может быть применен для работы схемы управления и датчиков 49 и 58. Данный резервный аккумулятор 56 может оставаться заряженным всякий раз, когда напряжение мотора выше, с дополнительным переключателем 55, управляющим степенью зарядки.
Аккумулятор 42 может быть установлен в электрическом транспортном средстве и может быть предназначен для рекуперативной зарядки. Например, аккумулятор 42 может быть установлен на электровелосипеде (как изображено на фиг. 4). Аккумулятор 42 переменной конфигурации может быть применен в электрических транспортных средствах других типов, например в электрических скутерах, электромобилях, гибридных транспортных средствах, креслах-каталках с электроприводом, гольф-мобилях с электроприводом и так далее. Также аккумулятор переменной конфигурации согласно изобретению может быть приспособлен для использования практически в любом устройстве, в которых необходим заряжаемый аккумулятор, для уменьшения времени, необходимого для зарядки таких аккумуляторов.
Таким образом, конфигурация аккумулятора 42 может быть динамически изменена (например, с помощью контроллера 50) в процессе работы системы. Например, контроллер 50 может установить аккумуляторные элементы 52 в последовательной конфигурации, когда электрическое транспортное средство находится в режиме движения, как изображено на фиг. 5а, и в параллельную конфигурацию в процессе подзарядки или рекуперативного торможения, как изображено на фиг. 5b.
На фиг. 6 изображен вариант реализации изобретения, в котором главный PWM-переключатель (59 на фиг. 5а и 5b) не нужен. В данном варианте переключатели 57 для смены конфигурации управляются с помощью PWM (или альтернативно PDM).
В конструкциях некоторых электровелосипедов использовать более одного электромотора может быть опасно. Например, один мотор может быть установлен на переднем колесе и один мотор - на заднем колесе для увеличения вдвое крутящего момента и обеспечения рекуперативного торможения на обоих колесах. Другая возможная конфигурация может потребовать большее количество моторов, например, по два на каждое колесо. Согласно изобретению конфигурация нескольких электромоторов может быть изменена для получения определенных преимуществ, подобно изменению конфигурации аккумулятора. Одной из причин изменения конфигурации электромоторов может являться увеличение или уменьшение общего напряжения в цепи моторов, способствуя рекуперативному торможению, особенно при малых скоростях, когда напряжение каждого мотора может быть слишком малым для зарядки даже одного аккумуляторного элемента.
Кроме того, может быть увеличен крутящий момент моторов путем их расположения в параллельной конфигурации. Больше тока может протекать к моторам, когда они установлены параллельно, если транспортное средство движется на малой скорости. Если конфигурация аккумулятора изменена на параллельную конфигурацию, то появляется возможность предоставить цепи моторов большего тока. Таким образом, путем изменения конфигурации нескольких электромоторов, так же как и нескольких аккумуляторных элементов, можно получить оптимальную комбинацию последовательных/параллельных включений моторов и аккумуляторных элементов в зависимости от различных режимов работы электровелосипеда (режим движения или режим рекуперативного торможения).
Таким образом, заявлены способы и устройства для изменения конфигурации электромоторов, и как будет описано ниже, эти способы и устройства могут быть объединены со способами и устройствами для изменения конфигурации аккумулятора.
По варианту реализации изобретения, показанном на фиг. 7а, два или более электромоторов 46 расположены в первой конфигурации, предназначенной для получения по меньшей мере первого выходного крутящего момента в режиме движения и/или первого выходного напряжения рекуперации в режиме рекуперативного торможения. Как показано на фиг. 7b, два или более электромоторов 46 расположены во второй конфигурации, предназначенной для получения по меньшей мере второго выходного крутящего момента в режиме движения и/или второго выходного напряжения рекуперации в режиме рекуперативного торможения.
В первой конфигурации, представленной на фиг. 7а, два или более электромотора могут быть расположены параллельно. Во второй конфигурации, представленной на фиг. 7b, два или более электромотора могут быть расположены последовательно.
Может быть установлен аккумулятор 42 (например, аккумулятор 42 на фиг. 5а, 5b, 5с или фиг. 6) для работы двух или более электромоторов 46. Аккумулятор 42 может состоять из нескольких аккумуляторных элементов, а для рекуперативной подзарядки аккумулятора 42 может быть выбрана первая или вторая конфигурация из двух или более электромоторов 46.
Аккумулятор 42 может состоять из нескольких аккумуляторных элементов 52, которые могут быть расположены в первой конфигурации (например, как показано на фиг. 5а), предназначенной для получения первого напряжения аккумулятора для работы двух или более электромоторов 46 в режиме движения. По меньшей мере часть аккумуляторных элементов 52 может быть установлена во вторую конфигурацию (например, как показано на фиг. 5b), предназначенную для получения второго напряжения аккумулятора в процессе торможения, при этом второе напряжение аккумулятора меньше первого напряжения. Когда два или более электромоторов 46 расположены во второй конфигурации моторов и элементы 52 расположены во второй конфигурации, аккумулятор 42 может быть заряжен.
В первой конфигурации аккумуляторов элементы 52 могут быть расположены последовательно, как показано на фиг. 5а. Во второй конфигурации аккумуляторов элементы могут быть расположены параллельно, как показано на фиг. 5b.
Во второй конфигурации первая часть аккумуляторных элементов 52 может быть расположена параллельно, а вторая часть аккумуляторных элементов 52 может быть расположена последовательно. Кроме того, во второй конфигурации аккумулятора по меньшей мере первая и вторая части элементов 52 могут быть расположены последовательно, а первая и вторая части элементов 52 при этом расположены параллельно (как показано на фиг. 5с).
Может быть измерено напряжение (или ток) моторов 46 (например, с помощью датчиков 58 и 49, о которых было сказано в отношении фиг. 5а и 5b). На основании этих измерений можно управлять, по меньшей мере, конфигурацией аккумуляторных элементов 52 и/или конфигурацией двух или более электромоторов 46 (например, с помощью контроллера 50). Внешний источник питания (например, резервный аккумулятор 56) может питать контроллер 50 и датчики 49 и 58.
Кроме того, может быть измерена, по меньшей мере, необходимая энергия торможения и/или необходимая энергия привода. Например, приложенная сила торможения может быть измерена датчиком 49 тока (или по схеме, встроенной в электромотор 46) и передана контроллеру 50. На основании этих измерений можно управлять, по меньшей мере, конфигурацией аккумуляторных элементов 52 и/или конфигурацией двух или более электромоторов 46.
Средства 57 коммутации аккумуляторных элементов могут быть установлены для возможности изменения конфигурации аккумуляторных элементов 52. Средства 62 коммутации моторов (фиг. 7а, 7b и 8) могут быть установлены для возможности изменения конфигурации двух или более электромоторов 46. Средства 62 коммутации моторов могут быть соединены по меньшей мере с одним из электромоторов 46. Средства 62 коммутации моторов могут включать в себя, например, PWM-переключатели или PDM-переключатели.
Два или более электромоторов 46 могут быть установлены в электрическом транспортном средстве и могут быть предназначены для рекуперативной зарядки. Например, два или более электромоторов 46 могут быть применены в электрических скутерах, электромобилях, гибридных транспортных средствах, креслах-каталках с электроприводом, гольф-мобилях с электроприводом и так далее.
В вариантах реализации аккумулятора переменной конфигурации в электромоторе переменной конфигурации либо в нескольких таких электромоторах используют один PWM-переключатель (например, переключатель 59), а контроллер 50 может являться PWM-системой управления, предназначенной для регулировки цикла работы PWM-переключателя в цепи между мотором и аккумулятором. Датчик 49 тока можно применить для подсчета среднего значения тока. Если требуемое количество тока не может быть обеспечено из-за того, что разница напряжений между мотором 46 и аккумулятором 42 слишком мала, конфигурацию аккумулятора 42 или мотора 46 изменяют для увеличения разницы напряжений в необходимом направлении (большее напряжение мотора для рекуперативного торможения, либо большее напряжение аккумулятора для режима движения или ускорения).
Может быть установлен переключатель 59 управления скоростью, который может иметь механизм переключения на основании широтно-импульсной модуляции (PWM). Для смены конфигурации электромотора необходим эффективный переключатель и также можно применить несколько переключателей на основании полевых транзисторов (FET) вместо PWM-переключателя 59, особенно когда необходима комбинация параллельно включенных моторов и аккумуляторов. Один PWM-переключатель 59 может быть заменен системой переменного сопротивления при условии, что можно регулировать ток. Правильно подобранный переменный резистор будет рассеивать больше тепла, чем PWM-переключатель.
На фиг. 8 показан другой вариант реализации изобретения, который обеспечивает другой крутящий момент и рекуперативное торможение для каждого мотора 46 с применением PWM-переключателей 59 и трех средств 62 переключения моторов. Например, в представленном на фиг. 8 варианте может быть приложен больший крутящий момент от мотора 46 заднему колесу электровелосипеда 40, чем от мотора 46 переднему колесу при ускорении, и обеспечена лучшая рекуперативная зарядка от мотора 46 переднего колеса, чем от мотора 46 заднего колеса во время торможения.
На фиг. 9a-9h представлен альтернативный вариант аккумулятора переменной конфигурации с изменяемым напряжением и способ. Показан один блок постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов 200 аккумулятора 202. Постоянно соединенные последовательно аккумуляторные элементы 200 не имеют дополнительных коммутационных элементов, таких как переключатели, которые могли бы разорвать электрическое соединение между смежными аккумуляторными элементами. Каждая такая группа постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов 200 обозначена как «блок». Блоки аккумуляторных элементов 200 могут быть сконфигурированы вместе в последовательном или параллельном включении.
На фиг. 9a-9h показан блок из семи (7) аккумуляторных элементов 200 аккумулятора 202, который расположен в последовательной конфигурации. Аккумуляторные элементы обозначены как Bt1-Bt7.
Каждый аккумуляторный элемент 200 имеет первый полюс 204 напряжения и второй полюс 206 напряжения. Первый полюс 204 напряжения каждого аккумуляторного элемента 200 имеет больший потенциал прямого тока (DC), чем второй полюс 206 напряжения, следовательно, первый полюс 204 напряжения обозначен как «+», а второй полюс 206 напряжения обозначен как «-». Первое выходное электрическое соединение 210 обозначено как Vout_p, а второе выходное электрическое соединение 212 обозначено как Vout_n. Первое выходное электрическое соединение 210 может выполнять функцию положительного вывода аккумулятора 202, а второе выходное электрическое соединение 212 может выполнять функцию отрицательного вывода аккумулятора 202. По меньшей мере один переключатель 208 обеспечивает электрическое соединение между первым полюсом 204 напряжения каждого аккумуляторного элемента 200 и первым выходным электрическим соединением 210 (обозначенным как Vout_p).
Средства 208 коммутации, обозначенные последовательно от SW_p0 до SW_p6, соединяют положительный полюс каждого аккумуляторного элемента с выводом Vout_p. Также, по меньшей мере, один переключатель 208 обеспечивает электрическое соединение между вторым полюсом 206 напряжения каждого аккумуляторного элемента 200 и вторым выходным электрическим соединением 212 (обозначенным как Vout_n). Средства 208 коммутации, обозначенные последовательно от SW_n1 до SW_n7, соединяют отрицательный полюс каждого аккумуляторного элемента с выводом Vout_n. Кроме того, по меньшей мере, один переключатель 208 может электрически соединять первый полюс 204 напряжения первого аккумуляторного элемента 200 в последовательности соединенных аккумуляторных элементов 200 со вторым выходным электрическим соединением 212.
Переключатель 208, обозначенный как SW_n0, соединяет положительный полюс аккумулятора ВТ1 с выводом Vout_n. По меньшей мере, один переключатель 208 может электрически соединять второй полюс 206 напряжения конечного аккумуляторного элемента 200 в последовательности соединенных аккумуляторных элементов 200 с первым выходным электрическим соединением 210. Переключатель 208, обозначенный как SW_p7, соединяет отрицательный полюс аккумулятора ВТ7 с выводом Vout_p. Переключатель 208 может состоять, например, из MOSFET-транзисторов. В некоторых вариантах реализации схемы PWM или PDM входят в состав средств коммутации. В других вариантах реализации MOSFET-транзисторы могут не иметь схем PWM или PDM.
Замыкание переключателей 208 между первым полюсом 204 напряжения и первым выходным электрическим соединением 210, а также замыкание переключателей 208 между вторым полюсом 206 напряжения и вторым выходным электрическим соединением 212 создает разность напряжений на выходных электрических соединениях и позволяет току протекать, когда аккумулятор 202 соединен с нагрузкой (или со схемой зарядки аккумулятора). Выходное напряжение Vout является разностью потенциалов между первым выходным электрическим соединением 210 (Vout_p) и вторым выходным электрическим соединением 212 (Vout_n).
Конфигурацию аккумуляторных элементов 200 изменяют для создания выходного напряжения, которое приблизительно равно сумме напряжений аккумуляторных элементов 200 с измененной электрической конфигурацией и находится в диапазоне от нуля до максимального выходного напряжения последовательно соединенных аккумуляторных элементов 200. Напряжение определяется количеством аккумуляторных элементов и технологией их изготовления.
Могут быть использованы любые из известных типов аккумуляторов в данной конструкции. Одной наиболее подходящей технологией, которая подходит для использования с настоящим решением, является технология нанофосфатных литийионных аккумуляторов. Такие аккумуляторы могут выдерживать более высокие уровни и больше тока, чем другие известные технологии без потери устойчивости. Ожидается, что аккумуляторы других технологий, которые будут разработаны в будущем, также будут подходить для использования с представленными вариантами реализации изобретения.
На фиг. 9а представлена конфигурация, в которой все переключатели 208 разомкнуты таким образом, чтобы ток не протекал в цепи и напряжение на выходе составляло Vout = 0 В. На фиг. 9b представлена конфигурация, в которой из блока постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов 200 получают максимальное напряжение путем замыкания средств 208 коммутации (а именно, переключателя SW_p0), соединяя положительный полюс первого аккумуляторного элемента Bt1 с выводом Vout_p, а также путем замыкания средств 208 коммутации (а именно, переключателя SW_n7), соединяя отрицательный полюс последнего аккумуляторного элемента Bt7 с Vout_n. Напряжение Vout равно сумме напряжений соединенных аккумуляторных элементов Bt1 - Bt7. Например, если каждый аккумуляторный элемент 200 по литийионной технологии с номинальным напряжением 3,6 В, то для данной конфигурации из семи аккумуляторных элементов Vout = 25,2 В за вычетом коммутационных и других потерь.
На фиг. 9с показан пример конфигурации, в которой напряжение одного элемента выводят от постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов 200 на выход. Напряжение элемента Bt1 выводится между выходными соединениями Vout_p и Vout_n путем замыкания переключателей SW_p0 и SW_n1.
На фиг. 9d представлена конфигурация, в которой выходное напряжение также почти равно напряжению одного элемента при соединении аккумуляторного элемента Bt2 с первым выходным электрическим соединением 210 и вторым выходным электрическим соединением 212. Напряжение элемента Bt2 выводится между выходными соединениями Vout_p и Vout_n путем замыкания переключателей SW_p1 и SW_n2.
На фиг. 9е представлена другая конфигурация, в которой выходное напряжение приблизительно равно напряжению одного аккумуляторного элемента Bt7. Напряжение элемента Bt7 выводится между выходными соединениями Vout_p и Vout_n путем замыкания переключателей SW_p6 и SW_n7.
В любой последовательной конфигурации аккумуляторных элементов, представленной в данном варианте, существует N способов извлечь напряжение одного элемента, где N - количество элементов в аккумуляторе.
На фиг. 9f показана конфигурация, в которой промежуточное напряжение выводится на выходе последовательно включенных аккумуляторных элементов 200. В данном примере выводится сумма напряжений двух (2) аккумуляторных элементов 200. А именно, сумма напряжений элементов Bt1 и Bt2 выводится между выходными соединениями Vout_p и Vout_n путем замыкания переключателей SW_p0 и SW_n2. На фиг. 9g и фиг. 9h представлены две дополнительные альтернативные конфигурации соединения двух включенных последовательно аккумуляторных элементов с выходом напряжения.
В последовательной конфигурации аккумуляторных элементов 200, представленной в данном варианте, существует N-1 способов извлечь напряжение двух элементов, где N - количество элементов 200 в аккумуляторе.
Не принимая во внимание конфигурации с переменой полярности напряжения, для любого количества N постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов 200, представленных в данном варианте, с количеством Ρ включенных электрически смежных аккумуляторных элементов 200, существует (N-P)+1 различных конфигураций.
Полярность напряжения может быть выборочно изменена путем использования средств 208 коммутации, которые соединяют первый полюс 204 напряжения аккумуляторного элемента 200 со вторым выходным электрическим соединением 212 вместо его соединения с первым выходным электрическим соединением 210, и соединяя второй полюс напряжения 206 с первым выходным электрическим соединением 210. Например, в представленной на фиг. 9с конфигурации, замыкание переключателя SW_n0 вместо SW_p0, и SW_p1 вместо SW_n1 приведет к смене полярности на выходных соединениях 210 и 212. Такая смена полярности может быть применима для торможения мотором.
Следствие наличия (N-P)+1 возможных конфигураций для Ρ элементов заключается в том, что это позволяет балансировать нагрузку на элементах непрерывным во времени способом, сохраняя номинальное напряжение путем чередования вывода с числа Ρ соединенных электрически элементов.
Соединение аккумуляторных элементов 200 в последовательной конфигурации без средств 208 коммутации между элементами позволяет сохранять низкий уровень потерь на переключение, поскольку, когда приложена электрическая нагрузка, необходимо включать лишь два переключателя 208.
Другой вариант реализации аккумулятора переменной конфигурации и способа показан на фиг. 10а - 10с. Показан первый блок постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов 200, обозначенных Bt1 - Bt3, которые соединены со вторым блоком постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов 200, обозначенных Bt4 - Bt6, в последовательном соединении. Средства 208 коммутации, обозначенные последовательно SW_p0 - SW_p7, соединяют аккумуляторы Bt1 - Bt6 с выводом Vout_p. Средства 208 коммутации, обозначенные последовательно SW_n1 - SW_n7, соединяют аккумуляторы Bt1 - Bt6 с выводом Vout_n. Первый промежуточный переключатель 214, обозначенный как SW_s1, соединен между вторым («-») полюсом 206 напряжения конечного аккумуляторного элемента в первом блоке, обозначенного как Bt3, и первым («+») полюсом 204 напряжения начального аккумуляторного элемента во втором блоке, обозначенного как Bt4. Второй промежуточный переключатель 216 соединен между первым («+») полюсом 204 напряжения начального аккумуляторного элемента в первом блоке, обозначенного как Bt1, и вторым («-») полюсом 206 напряжения конечного аккумуляторного элемента во втором блоке, обозначенного как Bt6. Практически две (2) группы из трех (3) аккумуляторных элементов 200, называемых блоками, имеют представленную конфигурацию. Первые выходные электрические соединения двух блоков соединены вместе и имеют обозначение Vout_p. Также вторые выходные электрические соединения двух блоков соединены вместе и имеют обозначение Vout_n. Могут быть добавлены дополнительные блоки в подобной конфигурации.
Размещение средств коммутации между блоками аккумуляторных элементов эффективно разделяет соединение между двумя смежными элементами, когда переключатели разомкнуты, что приводит к возможности независимой конфигурации двух блоков аккумуляторных элементов. Каждый независимый блок постоянно соединенных последовательно аккумуляторных элементов 200 функционирует описанным в примере на фиг. 9a-9h образом. Средства 208 коммутации, первый промежуточный переключатель 214 и второй промежуточный переключатель 216 могут быть основаны на MOSFET-транзисторах, например, включая в себя схему PWM или PDM.
Если аккумуляторные элементы должны находиться в одном блоке, то выходное напряжение будет получено путем замыкания средств 208 коммутации между первым полюсом 204 напряжения и первым выходным электрическим соединением 210 и замыкания средств 208 коммутации между вторым полюсом 206 напряжения и вторым выходным электрическим соединением 212. Однако, если необходимо осуществить соединение между аккумуляторным элементом 200 (который расположен в одном блоке) и аккумуляторным элементом 200 (который расположен в другом блоке), то для получения напряжения между выходными соединениями 210 и 212 необходимо замкнуть первый промежуточный переключатель 214 или второй промежуточный переключатель 216. Во избежание короткого замыкания в последовательном соединении аккумуляторных элементов 202 первый и второй промежуточные переключатели 214 и 216 не могут быть замкнуты одновременно. Когда первый и второй промежуточные переключатели 214 и 216 разомкнуты, два блока соединены в параллельной конфигурации.
На фиг. 10а показана конфигурация последовательного соединения аккумуляторных элементов 202 переменной конфигурации, когда все средства коммутации разомкнуты таким образом, чтобы на выходе не было напряжения. Промежуточные переключатели SW_s1 и SW_s2 разомкнуты таким образом, чтобы два блока элементов были соединены параллельно. Все переключатели 208 в блоках также разомкнуты, чтобы на выходе Vout напряжение составляло 0 В.
На фиг. 10b представлена конфигурация, в которой два аккумуляторных элемента 200 на противоположных концах двух блоков, а также аккумуляторные элементы Bt1 и Bt6 электрически соединены последовательно с помощью переключателя SW_s2. Замыкание переключателя SW_n1 соединяет аккумуляторный элемент Bt1 с выводом Vout_n, а замыкание переключателя SW_p6 соединяет элемент Bt6 с выводом Vout_p. В это же время замкнутый промежуточный переключатель SW_s2 приводит к сумме напряжений аккумуляторных элементов Bt1 и Bt6.
На фиг. 10с представлена конфигурация, в которой два смежных аккумуляторных элемента Bt3 и Bt4, по одному в каждом блоке, переключают с помощью первого промежуточного переключателя 214. Замыкание переключателя SW_p2 соединяет аккумуляторный элемент Bt3 с выводом Vout_p, замыкание переключателя SW_n5 соединяет элемент Bt4 с выводом Vout_n, а замыкание первого промежуточного переключателя SW_s1 приводит к сумме напряжений аккумуляторных элементов Bt3 и Bt4.
Настоящий вариант реализации изобретения является выгодным, поскольку он позволяет осуществить последовательное соединение между аккумуляторными элементами 200 на противоположных концах без электрического соединения с элементами, занимающими средний участок ряда элементов. Это способствует распределению нагрузки на элементы и их выборочной зарядке. Данный вариант представляет увеличенную легкость изменения конфигурации, тем временем лишь увеличивая активную нагрузку переключения двух переключателей 214 и 216 на фиг. 9a-h.
На фиг. 11 показан другой вариант реализации способа изменения конфигурации аккумулятора 202 для последовательно соединенных аккумуляторных элементов 200. Средства 208 коммутации также включают в себя изменение рабочего цикла (DCM) путем попеременного переключения между первой конфигурацией последовательно соединенных аккумуляторных элементов 200, представляющих первое напряжение, и второй конфигурацией последовательно соединенных аккумуляторных элементов 200, представляющих второе напряжение. Изменение рабочего цикла создает промежуточное выходное напряжение в диапазоне между первым и вторым напряжениями. В представленной на фиг. 11 конфигурации управление переключателем SW_n5, соединенным с элементом Bt4, выполняют путем попеременного переключения между замкнутым и разомкнутым состоянием переключателя. Рабочий цикл переключателя SW_n6, соединенного с элементом Bt5, является зеркальным отражением рабочего цикла переключателя SW_n5 из-за попеременного переключения между замкнутым и разомкнутым состояниями. В результате выходное напряжение является усредненным между напряжением двух последовательно соединенных элементов 200 и трех последовательно соединенных элементов 200. Это приводит к относительно небольшой разности напряжений при переключении. Небольшое изменение напряжения отличается от большего изменения напряжения, которое возникало бы в случае, если бы последовательно соединенные элементы переключались просто между включенным и выключенным состояниями. В результате изменение рабочего цикла является промежуточным контролем выходного напряжения с уменьшением переходных процессов для напряжения, тока, а в итоге и для крутящего момента мотора.
На фиг. 11 представлены условное изображение 218 цифрового импульса и условное изображение 220 напряжения. Условное изображение 218 цифрового импульса демонстрирует моменты переключения переключателей SW_n5 и SW_n6. Условное изображение 220 напряжения демонстрирует соответствующее выходное напряжение Vout как функцию от времени. Для данного варианта реализации изобретения цикл срабатывания переключателя SW_n6 составляет четверть от цикла включения переключателя SW_n5. В результате среднее выходное напряжение для данного примера равно 3/4(напряжение(ВТ3) + напряжение(ВТ5)) + 1/4(напряжение(ВТ3) + напряжение(ВТ5) + напряжение(ВТ6)) = 2,25 В (ВТ), если напряжения всех аккумуляторных элементов 200 равны. Для сравнения показано условное изображение напряжения для полного импульса включения/выключения с управлением 222. Больший перепад напряжения между включенным и выключенным состояниями наблюдается без аккумулятора с регулируемым напряжением (VVB), как показано условным изображением 222 формы сигнала.
Как изображено на фиг. 12, по меньшей мере один емкостной фильтр 224 может быть добавлен к вышеописанным вариантам для сглаживания выходного напряжения. В представленном варианте реализации изобретения один конденсатор 224 установлен между выходными соединениями 210 и 212. Конденсатор соединен со схемой, в которой применяется изменение рабочего цикла, как описано в предшествующих вариантах. Условное изображение 226 цифрового импульса и изображение 228 сигнала напряжения демонстрируют результирующую сглаженную форму волны, полученную путем добавления фильтра к аккумулятору переменного напряжения (VVB). В зависимости от типа переключателя, способа переключения и фильтра волны, используемого в данном варианте, скорость переключения может быть уменьшена, что приведет к экономии энергии. Емкостной фильтр можно заменить (или использовать совместно с) индуктивным фильтром, например, путем последовательного размещения индуктивности между аккумулятором и нагрузкой. Все представленные изображения 229 сигнала напряжения демонстрируют для сравнения случай, в котором не используют аккумулятор переменного напряжения. Больший перепад напряжения между включенным и выключенным состояниями наблюдается без аккумулятора с регулируемым напряжением (VVB), как показано условным изображением 229 формы сигнала.
Ранее описанные варианты могут предусматривать измерение 230 напряжения и измерение 232 тока, как показано на фиг. 13 в отношении варианта с последовательно соединенными аккумуляторными элементами переменной конфигурации. Системы и способы измерения напряжения и тока совместно с представленными средствами 208 коммутации позволяют осуществлять идентификацию и контроль состояния зарядки и разрядки аккумуляторных элементов 200.
Аккумулятор 202 переменной конфигурации, используемый по меньшей мере вместе с одним электромотором 226, позволяет управлять скоростью мотора путем регулировки выходного напряжения аккумулятора на основании количества элементов, включенных последовательно. Также может быть отрегулирована схема зарядки аккумуляторных элементов 200 путем выборочной настройки количества и относительного положения последовательно включенных аккумуляторных элементов 200, которые соответствуют выходному напряжению мотора 226 в процессе рекуперативного торможения и зарядки.
На фиг. 14 показана система управления аккумулятором переменной конфигурации, которая может взаимодействовать с системами транспортного средства (например, моторами 226) и осуществлять связь с пользователями 228 для управления конфигурацией переключателей 208 и в случае необходимости для обхода слабо заряженных или разряженных аккумуляторных элементов 200, шунтирования разряженных элементов для восстановления токовой нагрузки и балансировки использования аккумуляторных элементов 200. Электронный процессор 218, такой как микропроцессор, с соответствующей первичной и вторичной памятью 220 и 222, датчики 230 и 232 напряжения и тока, а также программное обеспечение могут вести журнал зарядки/разрядки, помогая оптимизировать срок эксплуатации аккумуляторных элементов и сбалансировать нагрузку в состояниях зарядки и разрядки. Также может быть измерена температура аккумуляторного элемента 200, поскольку рабочий цикл аккумулятора изменяется как функция от температуры. Такое измерение температуры может быть полезно для контроля зарядки и разрядки, а также для диагностики неисправных элементов. Управляющие сигналы могут передаваться между датчиками 230 и 232, аккумулятором 202, моторами 226 и процессорами 218 с помощью специальных каналов 224 связи либо через силовые соединения 210 и 212.
Для включения и выключения системы управления аккумулятора переменной конфигурации требуется соответствующий протокол. Выключение происходит, например, когда аккумулятор 2020 переменной конфигурации становится разряженным и требует, чтобы все переключатели 208, 214 и 216 были установлены в активное (разомкнутое) состояние, как показано на фиг. 9а и 10а. Повторное включение системы начинается с активации процессора 218 (возможно, микропроцессора), за которым следует доступ к настройкам конфигурации, состоянию аккумуляторных элементов, журналу событий и состояний исключения, хранящимся в памяти 220 и 222. При начале цикла зарядки управляющая логика анализирует информацию, полученную из памяти 220 и 222, и выбирает конфигурацию переключателей 208 для наиболее эффективного выполнения задачи.
Следует отметить, что измерение среднего тока может потребовать времени, что может привести к нежелательной задержке. В ином случае можно рассчитать ожидаемый ток, чтобы регулировка сопротивления или рабочего цикла PWM производилась синхронно с изменением конфигурации аккумулятора и/или мотора.
Настоящее изобретение представляет предпочтительные способы и устройства для изменения конфигурации аккумулятора, в состав которого входит несколько аккумуляторных элементов, для изменения конфигурации электромотора или их совокупности.
Когда требуется полный выходной ток, потерю напряжения не допускают путем сохранения последовательного соединения аккумуляторных элементов без переключения переключателей в последовательной цепи. Более того, путем ответвления различных последовательно соединенных аккумуляторных элементов, может быть изменено выходное напряжение с потерями лишь от двух переключателей. Выходное напряжение аккумулятора даже может равняться нулю, и при необходимости (например, при экстренном торможении) может быть изменена полярность напряжения. При использовании всех последовательно включенных аккумуляторных элементов (например, при замыкании нижнего переключателя на одной стороне и верхнего переключателя на другой стороне) может быть получено максимальное выходное напряжение. При использовании меньшего количества элементов напряжение будет меньше. Конструкция аккумулятора обеспечивает несколько различных комбинаций включения (замыкания) переключателей для одного и того же (пониженного) выходного напряжения. Эти комбинации могут быть выбраны последовательно во времени для выравнивания напряжения на элементах, избегая средоточия нагрузки на каком-либо элементе, при этом сохраняя постоянное напряжение на выходе.
Главным преимуществом разработанного аккумулятора переменного напряжения является то, что легко достигается управление скоростью и рекуперативное торможение в транспортных средствах с питанием от аккумулятора. Это возможно из-за того, что напряжение аккумулятора приспосабливают к нуждам мотора во время движения и к выходному напряжению мотора в процессе рекуперативного торможения. Например, одним из двух переключателей, используемых для выбора напряжения аккумулятора, можно управлять (например, с помощью PWM) для регулировки скорости мотора. В ином случае можно изменять напряжение между двумя выходными значениями для достижения более точного контроля среднего напряжения аккумулятора на выходе к мотору. В системе PWM управления скоростью по принципу «все или ничего» напряжение на выводах мотора мгновенно изменяют от максимального напряжения до нуля, когда переключатель размыкается. В таком случае возникнет большой скачок напряжения при отключении мотора от аккумулятора, поскольку магнитное поле в моторе должно исчезнуть. При вышеуказанном управлении точным напряжением между двумя значениями переходный процесс будет проявляться гораздо меньше, поскольку цепь все еще соединена с аккумулятором.
Переключение для изменения конфигурации аккумулятора и для управления переключателями может производиться с очень высокой частотой, например, от кГц до МГц при быстром включении и выключении переключателей (например, мощных MOSFET-транзисторов). Однако пониженная скорость переключения теоретически может сэкономить немного энергии, поскольку большие MOSFET-транзисторы требуют больше тока при увеличении скорости (частоты) переключения. Таким образом, существует компромисс между скоростью переключения и требованиям к питанию.
Кроме того, поскольку колебание напряжения во время переключения может быть небольшим, так как напряжение одного аккумуляторного элемента (например, 3,6 В для литийионных элементов по сравнению с 48 В для аккумуляторного блока, используемого в традиционных малых электрических транспортных средствах, таких как велосипеды) переходные процессы при коммутации меньше как в отношении напряжения и тока, так и в отношении крутящего момента. Если управление мотором, питание которого осуществляют от обычного аккумулятора, осуществляется с помощью PWM, то обычно из-за индуктивной природы мотора возникает крупный скачок напряжения, когда размыкается PWM-переключатель. При этом когда переключатель разомкнут, может возникнуть большое напряжение, которое приведет к образованию искры при протекании тока через индуктор. Аккумулятор переменного напряжения полностью защищает цепь от размыкания. Аккумулятор переходит от одного напряжения к другому, а часть аккумулятора всегда подключена к мотору. Это обеспечивает постоянный токовый канал, за исключением случая, когда напряжение должно упасть до нуля. В разработанном аккумуляторе VVB, даже при падении напряжения до нуля токовый канал может присутствовать при выборе правильной конфигурации аккумулятора. Следовательно, работа аккумулятора VVB согласно изобретению происходит намного мягче, как для режима движения, так и для режима рекуперативного торможения. Добавление фильтрующего конденсатора, как было указано ранее, может в некоторой степени помочь в случае, когда аккумулятор VVB не используется, однако применение аккумулятора VVB приводит к большей эффективности конденсатора данного типоразмера.
Изобретение также представляет значительное преимущество над устройствами, в которых применяют инвертор (например, DC/DC-преобразователь), поскольку инверторы подвержены значительным потерям на преобразование и усложняют конструкцию при зарядке аккумулятора в режиме рекуперативного торможения.
Конфигурации согласно настоящему изобретению также поддерживают «шунтирование» (то есть, обход) разряженных или слабо заряженных аккумуляторных элементов таким образом, что выход из строя одного элемента не повлияет на работу аккумулятора. Может быть шунтировано и несколько неисправных элементов, а аккумуляторный блок по-прежнему будет работать, хоть и на пониженном напряжении (относительно максимального). Алгоритм может быть использован для определения слабых или неисправных элементов, которые не обеспечивают требуемого напряжения или тока при разрядке, или же работают неисправно в процессе подзарядки. Такая функция потребует установки датчиков тока и напряжения, а также подходящего контроллера. Согласно изобретению может быть представлен другой алгоритм, в котором осуществляют балансировку нагрузки для поддержания равномерной зарядки всех аккумуляторных элементов в процессе разрядки или при рекуперативном торможении.
Представленные варианты реализации, в которых описано несколько аккумуляторных элементов, также можно рассматривать как несколько аккумуляторных блоков или несколько аккумуляторов, не отступая от сущности изобретения. Например, каждый представленный аккумуляторный элемент может состоять из двух или более аккумуляторных элементов в последовательной или параллельной конфигурации.
Хотя изобретение было описано в отношении различных вариантов реализации, возможны различные вариации и модификации вышеуказанных функций и конфигураций без отступления от сущности настоящего изобретения.