СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ
VEHICLE ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системам электроснабжения транспортных машин.
Известна система электроснабжения, в состав которой входит преобразователь, выполненный на полупроводниковых вентилях, содержащий систему регулирования и датчик тепловой перегрузки, связанный с системой регулирования так, что при достижении определенной температуры обеспечивается снижение тока преобразователя (Авторское свидетельство РФ №864421, кл. H02H 7/10, H02M 1/18. Устройство для тепловой защиты преобразователя. Опубл. 15.09.1981 г.).
Недостаток данного решения заключается в том, что ток нагрузки зависит от температуры. Это приводит к сужению функциональных возможностей системы.
Известна система электроснабжения, в состав которой входит пусковой модуль двигателя внутреннего сгорания, содержащий конденсаторную батарею и преобразователь, вход которого подключен к аккумуляторной батарее, а выход - к конденсаторной батарее, соединенной с цепью питания электростартера (Maxwell Technologies, Inc. Ultracapasitor Engine Start Module ESM. http://www.maxwell.com/esm/).
Недостатком данной системы является динамическая перегрузка, возникающая в момент включения электростартера, что приводит к ускоренному износу щеточно-коллекторного узла и приводного механизма электростартера.
Известна система электроснабжения, содержащая аккумуляторную батарею и устройство плавного пуска, силовой вход которого соединен с аккумуляторной батареей, а силовой выход - с цепью питания электростартера (Патент РФ на изобретение №2447314, кл. F02N 11/08, F02N 11/14, B60W 10/06. Система электростартерного пуска. Опубл. 10.04.2012 г.).
Данная система, по сравнению с предыдущим аналогом, позволяет исключить динамическую перегрузку электростартера, однако обладает повышенной массой и габаритами, так как:
- в устройстве плавного пуска происходит коммутация полной мощности, необходимой для питания электростартера, что обуславливает существенные потери энергии и требует соответствующего теплоотвода;
- внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи при понижении температуры возрастает в 2÷3 раза по сравнению с нормальными климатическими условиями, что должно компенсироваться соответствующим увеличением аккумуляторной батареи.
В качестве прототипа выбрана наиболее близкая по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению система электроснабжения, содержащая электрическую сеть с минусовым и плюсовым проводами, к которым подключены аккумуляторная батарея и электростартер, конденсаторную батарею, обратимый преобразователь, включенный между конденсаторной батареей и электрической сетью, регулятор по меньшей мере с одним выходом и с входом, на который подано напряжение конденсаторной батареи, причем обратимый преобразователь имеет управляющий вход, связанный с выходом регулятора, и выполнен так, что по сигналу на управляющем входе может изменять параметры своей вольт-амперной характеристики на выводах со стороны электрической сети (Патент РФ на изобретение №2513025, кл. H02J 1/00. Система электроснабжения. Опубл. 20.04.2014 г.).
По сравнению с предыдущим аналогом прототип позволяет разгрузить аккумуляторную батарею и уменьшить ее размеры, так как от конденсаторной батареи через обратимый преобразователь в электрическую сеть протекает часть тока нагрузки. Недостатки прототипа проявляются при повышении температуры окружающего воздуха:
- возникает динамическая перегрузка электростартера из-за уменьшения внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи и соответствующего увеличения пускового тока;
- повышается вероятность отказа конденсаторной батареи и обратимого преобразователя от тепловых перегрузок.
Задачами заявляемого изобретения являются увеличение ресурса работы электростартера и повышение надежности системы электроснабжения, что расширит ее функциональные возможности, в частности, обеспечит возможность эксплуатации в режиме «Старт-Стоп» (с короткими интервалами между включениями электростартера).
Технические результаты, позволяющие решить поставленную задачу:
- уменьшение зависимости пускового тока электростартера от температуры, что предотвращает динамическую перегрузку электростартера;
- предотвращение тепловых перегрузок конденсаторной батареи и обратимого преобразователя.
Поставленная задача достигается тем, что в систему электроснабжения транспортной машины, содержащую электрическую сеть с минусовым и плюсовым проводами, к которым подключены аккумуляторная батарея и электростартер, конденсаторную батарею, обратимый преобразователь, включенный между конденсаторной батареей и электрической сетью, регулятор по меньшей мере с одним выходом и с входом, на который подано напряжение конденсаторной батареи, причем обратимый преобразователь имеет по меньшей мере один управляющий вход, связанный с выходом регулятора, и выполнен так, что по сигналу на управляющем входе может изменять параметры своей вольт-амперной характеристики на выводах со стороны электрической сети, согласно изобретению введен термодатчик, регулятор снабжен дополнительным входом, подключенным к термодатчику, и выполнен так, что величина максимального тока, протекающего от обратимого преобразователя в электрическую сеть, является убывающей функцией от температуры термодатчика.
-
+
-
+
-
+
0
0
0
0
Обратимый преобразователь может иметь: вольт-амперную характеристику на выводах со стороны электрической сети с участком стабилизации тока i(v)=I при значениях напряжения v>V, участком стабилизации тока i(v)=I при значениях напряжения v<V, участком стабилизации напряжения v(i)=V при значениях тока I<i<I; первый, второй и третий управляющие входы для задания параметров I, I и V соответственно.
Регулятор может содержать: первый измеритель рассогласования, выход которого связан с первым управляющим входом обратимого преобразователя, а прямой вход является входом регулятора; второй измеритель рассогласования, выход которого связан со вторым управляющим входом обратимого преобразователя, а инверсный вход является дополнительным входом регулятора; источник опорного напряжения, которое подано на третий управляющий вход обратимого преобразователя.
Обратимый преобразователь может содержать: четыре ключа, выполненные на полевых транзисторах с изолированным затвором; дроссель с датчиком тока дросселя; схему управления ключами, первый, второй и третий входы которой являются соответствующими управляющими входами обратимого преобразователя, четвертый вход связан с выходом датчика тока дросселя, а на пятый подано напряжение электрической сети. В этом случае минусовой вывод конденсаторной батареи соединен с минусовым проводом электрической сети, плюсовой и минусовой выводы конденсаторной батареи связаны между собой через последовательно соединенные первый и второй ключи, плюсовой и минусовой провода электрической сети связаны между собой через последовательно соединенные третий и четвертый ключи, точка соединения первого и второго ключей связана через дроссель и датчик тока дросселя с точкой соединения третьего и четвертого ключей.
Обратимый преобразователь может иметь цифровой управляющий вход. В этом случае регулятор выполнен в виде микропроцессорного устройства.
Конденсаторная батарея, обратимый преобразователь, регулятор и термодатчик могут быть размещены в общем корпусе, установленном вблизи аккумуляторной батареи.
Для изготовления заявляемой системы требуются известные материалы и стандартное оборудование. Таким образом, она соответствует критерию «промышленная применимость».
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что заявляемая система электроснабжения неизвестна из изученного уровня техники и соответствует критерию «новизна».
Из существующего уровня техники выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемой системы: регулятор и термодатчик выполнены так, что при увеличении температуры снижается ток преобразователя.
Известно влияние указанных отличительных признаков на предотвращение тепловых перегрузок, что достигается за счет снижения тока нагрузки и соответствующего сужения функциональных возможностей системы.
Не подтверждена известность влияния указанных отличительных признаков на уменьшение зависимости пускового тока электростартера от температуры. При этом в отличие от известных решений, ток нагрузки (электростартера) стабилизируется, и функциональные возможности системы расширяются.
Таким образом, предлагаемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как содержит известную систему, дополненную известной частью, но обеспечивает сверхсуммарный технический результат, который обусловлен взаимосвязью известных частей и не следует явным образом из уровня техники.
Существенные признаки предлагаемого решения влияют на достижение технического результата следующим образом:
- включение обратимого преобразователя между конденсаторной батареей и электрической сетью позволяет использовать суммарный ток конденсаторной и аккумуляторной батарей для питания электростартера;
- возможность по сигналу регулятора изменять параметры вольт-амперной характеристики обратимого преобразователя на выводах со стороны электрической сети позволяет управлять током конденсаторной батареи;
- подключение термодатчика к регулятору и выполнение регулятора так, что величина максимального тока, протекающего от обратимого преобразователя в электрическую сеть, является убывающей функцией от температуры термодатчика, позволяет компенсировать температурную зависимость тока аккумуляторной батареи за счет соответствующего изменения тока конденсаторной батареи. Таким образом, снижается зависимость пускового тока электростартера от температуры. Одновременно предотвращаются тепловые перегрузки конденсаторной батареи и обратимого преобразователя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
- фиг. 1 - блок-схема системы в аналоговом варианте;
- фиг. 2 - вольт-амперные характеристики элементов системы.
На блок-схеме показаны:
- электрическая сеть 1 с минусовым и плюсовым проводами, к которым подключены аккумуляторная батарея 2 и электростартер 3;
- конденсаторная батарея 4;
- обратимый преобразователь 5, включенный между конденсаторной батареей 4 и электрической сетью 1;
- регулятор 6 с выходами, подключенными к управляющим входам 7, 8, 9 обратимого преобразователя;
- вход 10 регулятора, на который подано напряжение конденсаторной батареи 4;
- термодатчик 11, подключенный к дополнительному входу 12 регулятора.
Регулятор 6 содержит:
- первый измеритель 13 рассогласования, выход которого связан с первым управляющим входом 7 обратимого преобразователя, а прямой вход является входом 10 регулятора;
- второй измеритель 14 рассогласования, выход которого связан со вторым управляющим входом 8 обратимого преобразователя, а инверсный вход является дополнительным входом 12 регулятора;
- источник 15 опорного напряжения, которое подано на третий управляющий вход 9 обратимого преобразователя.
Обратимый преобразователь 5 содержит:
- ключи 16, 17, 18, 19, на полевых транзисторах с изолированным затвором;
- дроссель 20 с датчиком 21 тока дросселя;
- схему 22 управления ключами.
Минусовой вывод конденсаторной батареи 4 соединен с минусовым проводом электрической сети 1. Плюсовой и минусовой выводы конденсаторной батареи 4 связаны между собой через последовательно соединенные первый ключ 16 и второй ключ 17. Плюсовой и минусовой провода электрической сети 1 связаны между собой через последовательно соединенные третий ключ 18 и четвертый ключ 19. Точка соединения первого и второго ключей связана с точкой соединения третьего и четвертого ключей через дроссель 20 и датчик 21 тока дросселя. Выход датчика 21 тока дросселя, плюсовой и минусовой провода электрической сети 1 и управляющие входы 7, 8, 9 обратимого преобразователя связаны со схемой 22 управления ключами, принципы построения которой общеизвестны (см., например: Linear Technology. 4-switch buck-boost controller LTC 3789. http://www.linear.com/product/ltc3789).
Расчетные вольт-амперные характеристики элементов системы электроснабжения для легковых автомобилей приведены в нормальных климатических условиях (фиг. 2а) и при пониженной температуре окружающего воздуха (фиг. 2b):
- характеристика 23 обратимого преобразователя на выводах со стороны электрической сети;
- характеристика 24 аккумуляторной батареи (12V, 40Ah);
- характеристика 25, полученная путем суммирования токов обратимого преобразователя и аккумуляторной батареи (соответственно характеристик 23 и 24);
- характеристика 26 электростартера в момент включения;
- характеристика 27 электростартера в режиме прокрутки.
В нерабочем состоянии аккумуляторная батарея 2 отключена от электрической сети 1, напряжение последней равно нулю, конденсаторная батарея 4 разряжена, питание обратимого преобразователя 5 отсутствует, ключи 16, 17, 18, 19 закрыты.
-
+
0
После подключения аккумуляторной батареи 2 к электрической сети 1 ее напряжение v поступает на выводы обратимого преобразователя 5. Обратимый преобразователь 5, коммутируя ключи 16, 17, 18, 19 (принцип управления ключами известен и в данном описании не приводится) обеспечивает протекание тока i между конденсаторной батареей 4 и электрической сетью 1 через дроссель 20 и датчик 21 тока дросселя. Величина указанного тока задается схемой 22 управления ключами так, чтобы обеспечить формирование вольт-амперной характеристики 23 на выводах обратимого преобразователя 5, подключенных к электрической сети 1. В рассматриваемом примере параметры I, I и V вольт-амперной характеристики 23 задаются регулятором 6 следующим образом:
-
- первый измеритель 13 рассогласования увеличивает параметр I в пределах от -70 ампер до нуля при увеличении напряжения конденсаторной батареи 4 от нуля до значения ref V;
+
- второй измеритель 14 рассогласования уменьшает параметр I в пределах от 250 до 80 ампер при увеличении температуры термодатчика 11 от -40°C до значения ref Т;
0
- источник 15 опорного напряжения задает параметр V=10,5 вольт.
-
-
Суммарному току обратимого преобразователя 5 и аккумуляторной батареи 2 соответствует вольт-амперная характеристика 25. Если электрическая сеть 1 не нагружена, то суммарный ток обратимого преобразователя 5 и аккумуляторной батареи 2 равен нулю и, в соответствии с характеристикой 25, напряжение электрической сети составляет 11,5 вольт в нормальных климатических условиях (фиг. 2а) или 10,5 вольт при пониженной температуре окружающего воздуха (фиг. 2b). Данному напряжению согласно характеристикам 23, 24 соответствует отрицательный ток I обратимого преобразователя 5, равный по абсолютной величине положительному току аккумуляторной батареи 2. Указанный ток, протекая через обратимый преобразователь 5, заряжает конденсаторную батарею 4. В процессе заряда напряжение конденсаторной батареи 4 увеличивается до значения ref V, при котором параметр I вольт-амперной характеристики 23 становится равным нулю, то есть, заряд конденсаторной батареи 4 завершается, когда ее напряжение достигает значения ref V. После этого обратимый преобразователь 5 и аккумуляторная батарея 2 переходят в режим холостого хода, напряжение электрической сети 1 составляет 12÷12,5 вольт, система готова к подключению нагрузки.
В режиме пуска двигателя внутреннего сгорания заявляемая система работает следующим образом. В момент подключения электростартера 3 к электрической сети 1 вал электростартера неподвижен, ток и напряжение определяются точкой пересечения характеристик 25, 26. Затем скорость прокрутки вала электростартера 3 увеличивается, ток и напряжение определяются точкой пересечения характеристик 25, 27. В рассмотренном примере ток электростартера изменяется в нормальных климатических условиях (фиг. 2а) в диапазоне от 500A до 300A; при пониженной температуре окружающего воздуха (фиг. 2b) - в диапазоне от 450A до 350A. Ток электростартера складывается из токов обратимого преобразователя (характеристика 23) и аккумуляторной батареи (характеристика 24) следующим образом:
- в нормальных климатических условиях (фиг. 2а) ток обратимого преобразователя составляет 80A, ток аккумуляторной батареи изменяется от 420A до 220A;
- при пониженной температуре окружающего воздуха (фиг. 2b) ток обратимого преобразователя составляет 250A, ток аккумуляторной батареи изменяется от 200A до 100A.
Таким образом, в режиме пуска двигателя внутреннего сгорания влияние температуры на пусковой ток электростартера несущественно. Кроме того, с ростом температуры снижается ток обратимого преобразователя и конденсаторной батареи, предотвращая их перегрев. Указанные технические результаты повышают ресурс работы электростартера и надежность системы электроснабжения, что обеспечивает возможность их эксплуатации в режиме «Старт-Стоп» (с короткими интервалами между включениями электростартера).
Для наилучшей взаимной компенсации температурно-зависимых токов обратимого преобразователя и аккумуляторной батареи желательно, чтобы конденсаторная батарея, обратимый преобразователь, регулятор и термодатчик размещались в общем корпусе, установленном вблизи аккумуляторной батареи.
В цифровом варианте системы обратимый преобразователь имеет цифровой управляющий вход, а регулятор выполнен в виде микропроцессорного устройства. Цифровой вариант работает по такому же принципу, что и описанный выше аналоговый вариант, и на чертежах не представлен.