КОМБИНИРОВАННАЯ (ГИБРИДНАЯ) ЭНЕРГОУСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА БАЗЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
COMBINED (HYBRID) POWER PLANT OF TRANSPORT FACILITY BUILT AROUND ON FUEL CELLS

Заявленное техническое решение относится к области транспортного машиностроения, а именно к транспортным средствам с электрической тягой.
Рост численности автомобильного парка, сокращение запасов топлива нефтяного происхождения, рост цен на нефть предопределяют поиск новых и нестандартных решений в области сокращения расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу автотранспортом. В настоящее время получили большое распространение работы по созданию комбинированных (гибридных) энергоустановок транспортных средств.
Среди существующих разработок одним из направлений является создание комбинированных энергоустановок, первичным источником энергии в которых служит двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Так, например, из патента РФ №17690 U1, МПК В60L 11/12, опубл. 20.04.2001, известна гибридная тяговая установка, содержащий ходовое шасси с ведущими колесами и тяговую энергетическую установку, включающую ДВС, мотор-генератор, тяговые электродвигатели, связанные с ведущими колесами, буферную аккумуляторную и конденсаторную батареи, блок управления. Подобная энергоустановка в сравнении с непосредственным механическим приводом колес транспортного средства от ДВС позволяет значительно сократить расход топлива и улучшить экологические показатели в результате увеличения времени работы ДВС на установившихся режимах, а также в результате рекуперации части энергии торможения транспортного средства.
Однако применение ДВС обуславливает использование жидких или газообразных углеводородных топлив, обычно нефтяного происхождения, что в свою очередь не может не вызывать загрязнения окружающей среды.
Альтернативным вариантом комбинированных энергоустановок являются комбинированные установки, использующие в качестве первичного источника энергии электрохимические генераторы на базе топливных элементов. Из патента РФ №40264 U1, МПК B60L 11/08, опубл. 10.09.2004, известна комбинированная система питания транспортного средства, содержащая химический источник тока, в частности батарею топливных элементов, тяговый электродвигатель, накопитель энергии и блок использования энергии торможения. Всеми элементами комбинированной системы питания управляет один блок управления.
Комбинированная энергетическая установка для автотранспортного средства является совокупностью разноплановых элементов, имеющих различные принципы действия и выходные параметры. В результате при общем блоке управления для всех элементов комбинированной энергетической установки в нем происходит решение множества различных задач одновременно, что снижает его быстродействие. Кроме того, расположение отдельных элементов комбинированной энергетической установки на некотором удалении друг от друга вызывает запаздывание контрольных сигналов и рассогласование управляющих воздействий.
Технический результат, на достижение которого направлено данное техническое решение, заключается в повышении надежности и точности управления комбинированной энергетической установкой транспортного средства, что повышает эффективность ее работы. Кроме того, технический результат также заключается в повышении безопасности использования топливного элемента, работающего на водороде.
Согласно заявленному техническому решению гибридная (комбинированная) энергоустановка (КЭУ) транспортного средства (ТС), платформа которого преимущественно представляет собой унифицированную автотранспортную платформу (УАТП), включает в себя механически связанный с ведущими колесами ТС тяговый электродвигатель, первичный источник электрической энергии для зарядки буферного накопителя энергии (БНЭ), представляющий собой топливный элемент, и систему управления КЭУ. Тяговый электродвигатель подключен к БНЭ, представляющему собой несколько последовательно соединенных блоков аккумуляторных батарей, с возможностью потребления его энергии в процессе движения ТС и рекуперации энергии в процессе торможения ТС. Тяговый электродвигатель представляет собой обратимую асинхронную электромашину частотного управления с короткозамкнутым ротором, подключенную к БНЭ через электрический инвертор (ЭИ). Первичный источник электрической энергии, обеспечивающий зарядку БНЭ, представляет собой водородно-воздушный топливный элемент (ВВТЭ), использующий газообразный водород в качестве топлива и кислород воздуха, поступающего из окружающей среды. ВВТЭ соединен с БНЭ через согласующий электрический преобразователь (СЭП), преобразующий вырабатываемую ВВТЭ электрическую энергию до параметров, необходимых для зарядки БНЭ. Параметры подачи водорода в ВВТЭ устанавливаются с учетом режимов его работы бортовой системой хранения и подачи газообразного водорода и азота (СХиП ГВиА). СХиП ГВиА также обеспечивает подачу азота в ВВТЭ в случае необходимости его аварийной остановки при утечке водорода, обнаруженной газоаналитической системой контроля (ГАСК), или в случае необходимости консервации ВВТЭ перед длительным хранением. При этом ЭИ имеет собственную электронную систему автоматического управления и контроля (ЭСАУиК-1), СЭП - собственную электронную систему автоматического управления и контроля (ЭСАУиК-2), БНЭ - собственную электронную систему автоматического управления и контроля (ЭСАУиК-3), ВВТЭ - собственную электронную систему автоматического управления и контроля (ЭСАУиК-4), а СХиП ГВиА - собственную электронную систему автоматического управления и контроля (ЭСАУиК-5). Система управления КЭУ дополнительно включает в себя электронную систему управления верхнего уровня (ЭСУ ВУ), собирающую информацию с индивидуальных ЭСАУиК-1, ЭСАУиК-2, ЭСАУиК-3, ЭСАУиК-4, ЭСАУиК-5 и ГАСК, на основании которой ЭСУ ВУ в зависимости от внешних управляющих сигналов от органов управления ТС (ОУ) координирует работу всех элементов КЭУ. При этом, по меньшей мере, одна из систем ЭСАУиК и/или система ЭСУ ВУ являются микропроцессорными.
Предложенное техническое решение поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная функциональная схема комбинированной энергоустановки автотранспортного средства.
КЭУ имеет в своем составе тяговый асинхронный электродвигатель (ТАЭД) (2) с коротко замкнутым ротором, представляющий собой обратимую электромашину, принципиальным условием применения которой является обеспечение ей высокого КПД во всем рабочем диапазоне частот вращения и нагрузок. ТАЭД (2) механически, посредством шарнирных валов и редуктора, соединен с ведущими колесами (1) ТС и развивает максимальную мощность, необходимую для динамичного движения ТС, а также рекуперации энергии в буферный накопитель энергии (БНЭ) (4) при торможении ТС. Для обеспечения согласования электрических параметров между ТАЭД (2) и БНЭ (4) применен электрический инвертор (ЭИ) (3) частотного регулирования.
Одним из узловых элементов комбинированных энергетических установок являются БНЭ (4). К ним предъявляются жесткие требования по характеристикам удельной мощности, как заряда, так и разряда. Требования по емкости накопителей энергии в составе комбинированных энергоустановок по сравнению с требованиями, предъявляемыми к накопителям электромобилей, снижены. Это обусловлено наличием первичного источника энергии в составе комбинированных энергоустановок, который обеспечивает дальность хода автотранспортного средства, в то время как в конструкции электромобиля запас хода обеспечивается единственным накопителем энергии.
КЭУ ТС работает следующим образом. Батарея водородно-воздушных топливных элементов (ВВТЭ) (7), являющаяся в предлагаемой схеме первичным источником энергии, питается компримированным водородом из системы хранения и подачи газообразного водорода и азота (СХиП ГВиА) (9) и кислородом, получаемым из атмосферного воздуха, вырабатывает электроэнергию для заряда БНЭ (4), состоящего из четырех блоков аккумуляторных батарей. Заряд БНЭ (4) осуществляется через согласующий электрический преобразователь (СЭП) (6), который дополнительно имеет электрический выход для питания электрических вспомогательных агрегатов (ВА) ТС. Энергия, накопленная в БНЭ (4), расходуется на питание ТАЭД (2) через ЭИ (3), преобразующий постоянное напряжение БНЭ (4) в переменное изменяемой частоты и амплитуды и наоборот, что необходимо для рекуперации энергии при торможении. ТАЭД (2) механически соединен с ведущими колесами транспортного средства (1). При необходимости консервации энергоустановки КЭУ и в аварийных случаях производится продувка батареи ВВТЭ (7) инертным газом азотом из СХиП ГВиА (9).
Система управления КЭУ в предлагаемой схеме является многоуровневой и выполнена в модульном исполнении (10), (11), (12), (13) и (14). Отдельные модули этой системы осуществляют управление и контроль такими узлами схемы, как: СХиП ГВиА (9), батарея ВВТЭ (7), СЭП (6), БНЭ (4) и ЭИ (3). Описанные модули системы управления имеют связь с объектами управления и контроля и непосредственно с электронной системой управления верхнего уровня (ЭСУ ВУ).
ЭСУ ВУ служит для координирования действий всех элементов энергоустановки КЭУ, обеспечения наиболее эффективной их работы и обеспечения управления всей энергоустановкой по сигналам органов управления (ОУ) (15) транспортным средством.
Газоаналитическая система контроля (8) также входит в состав энергоустановки, ее необходимость обусловлена взрывоопасностью топлива, используемого для получения энергии.