СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗАРЯДКИ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ELECTRIC CHARGING METHOD FOR VEHICLE AND ELECTRIC VEHICLE CHARGING DEVICE

Настоящее изобретение относится к способу электрической зарядки для транспортного средства, в частности, для транспортного средства с электрическим приводом и батарейным питанием или транспортного средства с электрическим приводом, или подключаемого к бытовой сети транспортного средства с гибридным электрическим приводом, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к электрическому зарядному устройству для транспортного средства, в частности, для транспортного средства с электрическим приводом и батарейным питанием или транспортного средства с электрическим приводом, или подключаемого к бытовой сети транспортного средства с гибридным электрическим приводом, согласно ограничительной части пункта 8 формулы изобретения.
Транспортные средства с электрическим приводом, подключаемые к бытовой сети транспортные средства с гибридным электрическим приводом, и тому подобные, сконструированы, чтобы питать электродвигатель для приведения в движение транспортного средства от основного накопителя энергии, например, тяговой аккумуляторной батареи или тягового аккумулятора. Более того, транспортные средства этого типа обычно также имеют дополнительный накопитель энергии, например, свинцовую аккумуляторную батарею, которая подает электрическую энергию на низковольтные потребители в транспортном средстве, например, различные электронные устройства управления и потребители, которые обеспечивают функции комфорта и безопасности, и тому подобное.
Свинцовые аккумуляторные батареи транспортного средства сконструированы, чтобы заряжаться во время работы транспортного средства и чтобы питать электрические потребители энергией, пока транспортное средство остановлено или поставлено на стоянку. Когда свинцовые аккумуляторные батареи этого типа также непрерывно заряжаются, пока транспортное средство остановлено, это приводит к высокой потере воды свинцовой аккумуляторной батареи, что может приводить к преждевременному отказу свинцовой аккумуляторной батареи, если потеря воды не уравновешена. В дополнение, длительные эксплуатационные сроки службы могут содействовать коррозии пластин аккумуляторной батареи и/или развитию внутренних коротких замыканий аккумуляторной батареи.
Современные транспортные средства с электрическим приводом или подключаемые к бытовой сети транспортные средства с гибридным электрическим приводом имеют, для низковольтного питания энергией транспортного средства, постоянное напряжение приблизительно 12 В, подразумеваемое в качестве низкого напряжения в транспортных средствах этого типа, свинцовую аккумуляторную батарею в качестве дополнительного накопителя энергии, которая электрически присоединена к трансформатору постоянного напряжения (DC-DC преобразователю) или выпрямителю (преобразователю переменного тока AC в постоянный ток DC). Поскольку низковольтное питание энергией требуется для эксплуатации разных электронных устройств управления во время зарядки основного накопителя энергии или тяговой аккумуляторной батареи транспортного средства, напряжение зарядки непрерывно прикладывается к свинцовой аккумуляторной батарее. Периоды зарядки могут превышать семь часов каждый день, а свинцовая аккумуляторная батарея непрерывно подвергается воздействию гораздо более длительных ежедневных промежутков времени зарядки, которые могут приводить к преждевременному отказу в процессе эксплуатации из-за потери воды, коррозии или внутренних коротких замыканий аккумуляторной батареи. Ситуация также усугубляется тем обстоятельством, что тяговая аккумуляторная батарея может заряжаться, например, на зарядной розетке, в целом оставленным без присмотра образом и в закрытом гараже, и тем обстоятельством, что свинцовые аккумуляторные батареи убывающей функции имеют тенденцию вырабатывать газообразный водород в больших количествах, чем обычные, и разогреваться во время зарядки. Поэтому, желательно преодолеть эти недостатки.
US 2012/0169281 A1, например, раскрывает электрическое зарядное устройство для транспортного средства, которое может заряжать основной накопитель энергии, установленный в транспортном средстве, посредством источника переменного напряжения, поставляемого вне транспортного средства. Устройство содержит преобразователь переменного тока в постоянный ток, который преобразует переменное напряжение извне транспортного средства в постоянное напряжение и выдает таковое на потребители в транспортном средстве, пока основной накопитель энергии заряжается от внешнего источника переменного напряжения. Также предусмотрен вспомогательный накопитель энергии, который может питать потребителей электрической энергией. Пока основной накопитель энергии заряжается от внешнего источника энергии, диод, присоединенный последовательно с вспомогательным накопителем энергии, предотвращает зарядку вспомогательного накопителя энергии, с тем чтобы повышать эффективность зарядки при зарядке основного накопителя энергии. Однако, вспомогательный накопитель энергии может разряжаться, для того чтобы питать потребителей в транспортном средстве. Во время зарядки основного накопителя энергии, однако, разрядка дополнительного накопителя энергии предотвращается по той причине, что устройство управления управляет выходным напряжением преобразователя переменного тока в постоянный ток таким образом, что диод эксплуатируется в закрытом состоянии.
Более того, US 8,186,466 B2 раскрывает компоновку электрической схемы транспортного средства с гибридным электрическим приводом, в которой низковольтная аккумуляторная батарея в низковольтной питающей сети транспортного средства может быть отделена посредством выключателя от высоковольтной питающей сети, которая содержит высоковольтную аккумуляторную батарею для приведения в движение транспортного средства. Предложено замыкать выключатель, для того чтобы заряжать высоковольтную аккумуляторную батарею посредством низковольтной аккумуляторной батареи.
Более того, US 2007/0210743 A1 раскрывает компоновку электрической схемы для транспортного средства с гибридным электрическим приводом, с помощью которой состояние заряда низковольтной аккумуляторной батареи может поддерживаться посредством зарядки от высоковольтной аккумуляторной батареи.
Исходя из вышеизложенного, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить способ электрической зарядки и электрическое зарядное устройство для транспортного средства, в частности, для транспортного средства с электрическим приводом и батарейным питанием или транспортного средства с электрическим приводом или подключаемого к бытовой сети транспортного средства с гибридным электрическим приводом, какие способ и устройство защищают накопитель энергии, такой как свинцовая аккумуляторная батарея, от повреждения в результате постоянной зарядки, когда транспортное средство электрически присоединено к источнику энергии, размещенному вне транспортного средства, который подает энергию в электрическую питающую сеть внутри транспортного средства. В дополнение, должно быть гарантировано, что накопитель энергии не падает ниже критического состояния заряда, при котором больше не обеспечивается надлежащее электрическое функционирование упомянутого накопителя энергии.
Эта цель достигается способом электрической зарядки, имеющим признаки по пункту 1 формулы изобретения, и электрическим зарядным устройством, имеющим признаки по пункту 8 формулы изобретения. Кроме того, особенно полезные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Отмечено, что признаки, заданные по отдельности в пунктах формулы изобретения, могут комбинироваться друг с другом любым технически целесообразным образом и могут образовывать дополнительные варианты осуществления изобретения. Описание дополнительно характеризует и детально излагает изобретение, в частности, совместно с фигурами.
В соответствии с изобретением, способ для зарядки электрического основного накопителя энергии, например, тяговой аккумуляторной батареи, установленной в транспортном средстве, в частности, транспортном средстве с электрическим приводом и батарейным питанием или транспортном средстве с электрическим приводом, или подключаемом к бытовой сети транспортном средстве с гибридным электрическим приводом, с использованием источника электрической энергии, размещенного вне транспортного средства, содержит, в числе прочих, этапы:
- преобразования электрического напряжения, выдаваемого внешним источником энергии, в низкое постоянное напряжение посредством преобразователя, например, трансформатора постоянного напряжения или выпрямителя, и
- подачи низкого постоянного напряжения на низковольтные потребители транспортного средства, пока основной накопитель энергии заряжается внешним источником энергии.
В соответствии с настоящим изобретением, состояние заряда дополнительного накопителя энергии, например, свинцовой аккумуляторной батареи, которая хранит электрическую энергию для электропитания низковольтных потребителей, определяется во время зарядки основного накопителя энергии от внешнего источника энергии. Если состояние заряда является достаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей, дополнительный накопитель энергии электрически эффективно отсоединяется от низкого постоянного напряжения и низковольтных потребителей посредством электронного устройства управления во время зарядки основного накопителя энергии от внешнего источника энергии, из условия чтобы дополнительный накопитель энергии не мог ни заряжаться низким постоянным напряжением, ни разряжаться низковольтными потребителями. Если, в противоположность, состояние заряда является недостаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей, дополнительный накопитель энергии электрически эффективно присоединяется к низкому постоянному напряжению посредством электронного устройства управления во время зарядки основного накопителя энергии от внешнего источника энергии, из условия чтобы дополнительный накопитель энергии мог заряжаться низким постоянным напряжением. Здесь, в частности, постоянное напряжение, традиционно используемое в транспортных средствах для электропитания низковольтных потребителей, таких как различные электронные устройства управления и потребители, которые предусматривают функции комфорта и безопасности, в диапазоне приблизительно 12 В, подразумевается низким постоянным напряжением (напряжением постоянного тока).
Способ согласно изобретению гарантирует, что дополнительный накопитель энергии, такой как свинцовая аккумуляторная батарея, защищен от повреждения, вызванного постоянной зарядкой, когда транспортное средство электрически присоединено к источнику энергии, размещенному вне транспортного средства, который подает энергию в электрическую питающую сеть внутри транспортного средства. В дополнение, способ предохраняет дополнительный накопитель энергии от падения ниже критического состояния заряда, при котором больше не обеспечивается надлежащее электрическое функционирование упомянутого дополнительного накопителя энергии для электропитания низковольтных потребителей в транспортном средстве.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, устройство управления предназначено для того, чтобы электрически отсоединять дополнительный накопитель энергии, чтобы выполнять регулирование нулевого тока, в каком случае, устройство управления управляет выходным напряжением преобразователя таким образом, что течение тока в и из дополнительного накопителя энергии является нулевым. Другими словами, устройство управления повышает выходное напряжение, как только происходит течение тока из дополнительного накопителя энергии, то есть, дополнительный накопитель энергии разряжался бы, и понижает выходное напряжение, как только происходит течение тока в дополнительный накопитель энергии, то есть, дополнительный накопитель энергии заряжался бы. Таким образом, дополнительный накопитель энергии «практически» отделяется от низковольтных потребителей транспортного средства и от низкого постоянного напряжения, и таким образом, электрически эффективно отсоединен, пока основной накопитель энергии может заряжаться от внешнего источника энергии. Регулирование нулевого тока, например, может выполняться посредством стандартного (пропорционально-интегрального, PI) ПИ-регулятора или посредством традиционного адаптивного управления.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления изобретения, устройство управления предназначено для того, чтобы электрически присоединять дополнительный накопитель энергии, чтобы управлять выходным напряжением преобразователя таким образом, что ток течет в дополнительный накопитель энергии, то есть, дополнительный накопитель энергии заряжается.
Оба из вышеупомянутых вариантов осуществления дают возможность особенно экономичной реализации концепции решения согласно изобретению, поскольку дополнительный накопитель энергии может быть электрически отсоединен от и/или присоединен к низковольтным потребителям транспортного средства и низкому постоянному напряжению просто посредством адаптации выходного напряжения преобразователя посредством электронного устройства управления.
Течение тока в и из дополнительного накопителя энергии предпочтительно определяется посредством датчика тока, присоединенного последовательно с упомянутым дополнительным накопителем энергии, и определенное значение датчика тока выдается в устройство управления, на основе которого дополнительный накопитель энергии отсоединяется от и присоединяется к низковольтным потребителям транспортного средства и низкому постоянному напряжению.
В соответствии с еще одним дополнительным предпочтительным вариантом осуществления изобретения, состояние заряда дополнительного накопителя энергии определяется посредством сравнения, во время регулирования нулевого тока, среднего значения выходного напряжения преобразователя, управляемого устройством управления, с предопределенным пороговым значением напряжения без нагрузки дополнительного накопителя энергии. Состояние заряда дополнительного накопителя энергии, в таком случае, оценивается недостаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей, если состояние заряда падает ниже порогового значения напряжения без нагрузки. Иначе, состояние заряда дополнительного накопителя энергии оценивается достаточным. Этот вариант осуществления изобретения преимущественно может обходиться без дополнительных измерительных датчиков для определения состояния заряда дополнительного накопителя энергии, что упрощает конструкцию электрического зарядного устройства для транспортного средства для выполнения способа зарядки и уменьшает затраты на его производство.
Альтернативный вариант осуществления изобретения также может предусматривать датчик состояния заряда, например, традиционный датчик аккумуляторной батареи, предпочтительно размещенный в полюсной выемке дополнительного накопителя энергии, каким датчиком определяется состояние заряда дополнительного накопителя энергии, и определенное значение датчика состояния заряда, в частности, значение напряжения без нагрузки дополнительного накопителя энергии, выдается в устройство управления. Состояние напряжения или состояние заряда, непрерывно определяемые датчиком состояния заряда, затем сравнивается, во время отсоединения дополнительного накопителя энергии от низковольтных потребителей и низкого постоянного напряжения, с предопределенным пороговым значением напряжения без нагрузки или пороговым значением состояния заряда дополнительного накопителя энергии. Состояние заряда дополнительного накопителя энергии, в таком случае, оценивается недостаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей, когда упомянутое состояние заряда падает ниже соответствующего порогового значения. Иначе, состояние заряда дополнительного накопителя энергии оценивается достаточным.
Кроме того, дополнительный вариант осуществления изобретения предусматривает реле, которое устанавливает или разъединяет электрическое соединение дополнительного накопителя энергии с низковольтными потребителями транспортного средства и низким постоянным напряжением. С этой целью, реле, для того чтобы электрически отсоединять дополнительный накопитель энергии, управляется устройством управления таким образом, что дополнительный накопитель энергии гальванически развязывается от низковольтных потребителей и низкого постоянного напряжения размыканием реле, а для того, чтобы электрически присоединять дополнительный накопитель энергии, присоединяется к низкому постоянному напряжению замыканием реле.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения, предусмотрено зарядное устройство для транспортного средства, в частности, транспортного средства с электрическим приводом и батарейным питанием или транспортного средства с электрическим приводом, или подключаемого к бытовой сети транспортного средства с гибридным электрическим приводом, для зарядки электрического основного накопителя энергии, например, тяговой аккумуляторной батареи, установленного в транспортном средстве, с использованием электрического источника энергии, размещенного вне транспортного средства, какое зарядное устройство содержит преобразователь для преобразования напряжения, выдаваемого внешним источником энергии, в низкое постоянное напряжение и для подачи низкого постоянного напряжения на низковольтные потребители транспортного средства во время зарядки основного накопителя энергии от внешнего источника энергии, а также содержит электрический дополнительный накопитель энергии, например, свинцовую аккумуляторную батарею, для хранения электрической энергии для электропитания низковольтных потребителей. Зарядное устройство также содержит электронное устройство управления, которое предназначено для электрически эффективного отсоединения дополнительного накопителя энергии от низкого постоянного напряжения и низковольтных потребителей во время зарядки основного накопителя энергии от внешнего источника энергии, если состояние заряда дополнительного накопителя энергии является достаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей, и для электрического эффективного присоединения дополнительного накопителя энергии к низкому постоянному напряжению во время зарядки основного накопителя энергии от внешнего источника энергии, если состояние заряда дополнительного накопителя энергии является недостаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей. Как уже было дополнительно упомянуто выше, низкое постоянное напряжение в сфере транспортных средств, в частности, подразумевается постоянным напряжением в области приблизительно 12 В, как традиционно используется для электропитания низковольтных потребителей в транспортном средстве, например, электрических устройств управления и потребителей, обеспечивающих функции комфорта и безопасности.
С зарядным устройством согласно изобретению, может гарантироваться, что дополнительный накопитель энергии, такой как свинцовая аккумуляторная батарея, защищен от повреждения, вызванного постоянной зарядкой, когда транспортное средство электрически присоединено к источнику энергии, размещенному вне транспортного средства, который подает энергию в электрическую питающую сеть внутри транспортного средства. В дополнение, с зарядным устройством, можно предохранять дополнительный накопитель энергии от падения ниже критического состояния заряда, при котором больше не обеспечивается надлежащее электрическое функционирование упомянутого дополнительного накопителя энергии для электропитания низковольтных потребителей в транспортном средстве.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, предусмотрен датчик тока, который определяет течение тока в и из дополнительного накопителя энергии и снабжает устройство управления определенным значением. Устройство управления предназначено для выполнения регулирования нулевого тока, для того чтобы электрически отсоединять дополнительный накопитель энергии на основе определенного значения датчика тока. В этом случае, устройство управления управляет выходным напряжением преобразователя таким образом, что течение тока в и из дополнительного накопителя энергии является нулевым, из условия чтобы дополнительный накопитель энергии был «практически» отделен и, таким образом электрически эффективно отсоединен от низковольтных потребителей транспортного средства и от низкого постоянного напряжения, пока основной накопитель энергии может заряжаться от внешнего источника энергии. Регулирование нулевого тока, например, может выполняться посредством стандартного (пропорционально-интегрального, PI) ПИ-регулятора или посредством традиционного адаптивного управления.
Более того, устройство управления в этом варианте осуществления предназначено для того, чтобы электрически присоединять дополнительный накопитель энергии на основе определенного значения датчика тока, чтобы управлять выходным напряжением преобразователя таким образом, что ток течет в дополнительный накопитель энергии, и дополнительный накопитель энергии может заряжаться соответствующим образом.
В качестве альтернативы использованию датчика тока, дополнительный предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает реле, которым дополнительный накопитель энергии электрически присоединяется к низковольтным потребителями и низкому постоянному напряжению. Здесь, устройство управления предназначено для того, чтобы электрически отсоединять дополнительный накопитель энергии, чтобы переключать реле в разомкнутое состояние, в котором дополнительный накопитель энергии гальванически отделен от низковольтных потребителей и низкого постоянного напряжения, и для того чтобы электрически присоединять дополнительный накопитель энергии, чтобы переключать реле в замкнутое состояние, в котором дополнительный накопитель энергии гальванически связан с низким постоянным напряжением.
В соответствии с дополнительными предпочтительными вариантами осуществления изобретения, дополнительный накопитель энергии является свинцовой аккумуляторной батареей, и/или преобразователь является трансформатором постоянного напряжения или выпрямителем, и/или предусмотрен датчик состояния заряда, например, традиционный датчик аккумуляторной батареи, предпочтительно размещенный в полюсной выемке дополнительного накопителя энергии, которым определяется состояние заряда дополнительного накопителя энергии, и определенное значение датчика состояния заряда, в частности, значение напряжения без нагрузки дополнительного накопителя энергии, выдается в устройство управления, на основе какого значения, состояние заряда дополнительного накопителя энергии оценивается достаточным или недостаточным, как уже было описано в материалах настоящей заявки совместно со способом зарядки. Преобразователь, сформированный в качестве трансформатора постоянного напряжения, предпочтительно присоединен на входной стороне к традиционной сети высокого постоянного напряжения внутри транспортного средства, которая, в частности, служит для электропитания тяговой аккумуляторной батареи транспортного средства, тогда как преобразователь, сформированный в качестве выпрямителя, предпочтительно присоединен на входной стороне к традиционной сети напряжения переменного тока, размещенной вне транспортного средства.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения будут выясняться из последующего описания, которое не должно подразумеваться в качестве ограничивающего, примерных вариантов осуществления изобретения, которые в дальнейшем будут пояснены подробнее со ссылкой на чертежи. На этих чертежах:
фиг. 1 схематически показывает принципиальную схему первого примерного варианта осуществления электрического зарядного устройства согласно изобретению,
фиг. 2 схематически показывает блок-схему последовательности операций первого примерного варианта осуществления способа электрической зарядки согласно изобретению,
фиг. 3 схематически показывает принципиальную схему второго примерного варианта осуществления электрического зарядного устройства согласно изобретению,
фиг. 4 схематически показывает блок-схему последовательности операций второго примерного варианта осуществления способа электрической зарядки согласно изобретению, и
фиг. 5 схематически показывает блок-схему последовательности операций третьего примерного варианта осуществления способа электрической зарядки согласно изобретению.
На разных фигурах, части, имеющие эквивалентную функцию, всегда снабжены одинаковыми символами ссылки, так что таковые в целом также будут описаны только один раз.
Фиг. 1 схематически показывает принципиальную схему первого примерного варианта осуществления электрического зарядного устройства 1 согласно изобретению для транспортного средства, в частности, для транспортного средства с электрическим приводом и батарейным питанием или транспортного средства с электрическим приводом или подключаемого к бытовой сети транспортного средства с гибридным электрическим приводом, для зарядки электрического основного накопителя энергии (не проиллюстрирован), в частности, тяговой аккумуляторной батареи, установленного в транспортном средстве, с использованием электрического источника энергии (так же не проиллюстрирован), размещенного вне транспортного средства. Более того, зарядное устройство 1, проиллюстрированное на фиг. 1, содержит преобразователь 2 для преобразования напряжения, выдаваемого внешним источником энергии, в низкое постоянное напряжение. Входная сторона 3 преобразователя 2 может запитываться непосредственно напряжением, выдаваемым внешним источником энергии, в частности, напряжением переменного тока, или высоким постоянным напряжением, уже преобразованным внутри транспортного средства из внешнего источника энергии, какое напряжение, например, используется для зарядки основного накопителя энергии, в частности, тяговой аккумуляторной батареи транспортного средства. В первом случае, преобразователь предпочтительно сформирован в качестве трансформатора постоянного напряжения, который преобразует высокое постоянное напряжение входной стороны в низкое постоянное напряжение на выходной стороне 4 упомянутого преобразователя. Во втором случае, преобразователь предпочтительно сформирован в качестве выпрямителя, который преобразует напряжение переменного тока входной стороны в низкое постоянное напряжение, приложенное на выходе 4 преобразователе 2. В примерных вариантах осуществления, описанных в материалах настоящей заявки, постоянное напряжение приблизительно 12 В, в частности, подразумевается низким напряжением.
Как также может предполагаться по фиг. 1, низкое постоянное напряжение, выдаваемое преобразователем 2, подается на низковольтные потребители 5 транспортного средства. В качестве примера, различные электронные устройства управления и потребители, которые обеспечивают функции комфорта и безопасности транспортного средства, и тому подобное, подразумеваются низковольтными потребителями 5. На фиг. 1, электронное устройство 6 и другие низковольтные потребители 7 транспортного средства ясно проиллюстрированы в качестве примера как низковольтные потребители 5.
Пока основной накопитель энергии заряжается от внешнего источника энергии, напряжение (AC), выдаваемое внешним источником энергии, прикладывается непосредственно на входе 3 преобразователя 2, или высокое постоянное напряжение питающей сети постоянного напряжения внутри транспортного средства прикладывается на упомянутом входе, так что низковольтные потребители 5 питаются электрической энергией во время зарядки основного накопителя энергии через преобразователь 2, как может быть видно на фиг. 1.
Более того, электрический дополнительный накопитель 8 энергии может предполагаться по фиг. 1, который служит для хранения электрической энергии для электропитания низковольтных потребителей 5, как только преобразователь 2 больше не подает электрическую энергию на низковольтные потребители. Дополнительный накопитель 8 энергии сформирован в качестве традиционной свинцовой аккумуляторной батареи в примерном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 1.
Уже упомянутое электронное устройство 6 управления предназначено, в случае зарядного устройства 1, проиллюстрированного на фиг. 1, для электрически эффективного отсоединения дополнительного накопителя 8 энергии от низкого постоянного напряжения и низковольтных потребителей 5 во время зарядки основного накопителя энергии от внешнего источника энергии, если состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии является достаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей 5, и для электрического эффективного присоединения дополнительного накопителя 8 энергии к низкому постоянному напряжению во время зарядки основного накопителя энергии от внешнего источника энергии, если состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии является недостаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей 5.
С этой целью, примерный вариант осуществления зарядного устройства 1, проиллюстрированный на фиг. 1, также содержит реле 9, которое в его замкнутом состоянии, гальванически присоединяет дополнительный накопитель 8 энергии к низкому постоянному напряжению и низковольтным потребителям 5, и, в его разомкнутом состоянии, гальванически развязывает дополнительный накопитель энергии от таковых. Реле 9 электрически присоединено посредством линии 10 управления к устройству 6 управления, которое, в свою очередь, предназначено для переключения реле 9 в разомкнутое состояние, для того чтобы электрически отсоединять дополнительный накопитель 8 энергии, и для переключения реле 9 в замкнутое состояние, для того чтобы электрически присоединять дополнительный накопитель 8 энергии.
Для того чтобы выявлять состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии, может использоваться датчик состояния заряда (не проиллюстрирован на фиг. 1), в частности, традиционный датчик аккумуляторной батареи, предпочтительно размещенный в полюсной выемке свинцовой аккумуляторной батареи. Этот датчик может снабжать устройство 6 управления определенным значением, в частности, значением напряжения без нагрузки, дополнительного накопителя 8 энергии, на основе какого значения устройство 6 управления может определять состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии, достаточное или недостаточное для надлежащего электропитания низковольтных потребителей 5.
Как может быть видно на фиг. 1, только реле 9, управляемое устройством 6 управления, предусмотрено для присоединения и отсоединения дополнительного накопителя 8 энергии к/от низкого постоянного напряжения и низковольтных потребителей 5. Преобразователь 2 всегда вводится в действие во время зарядки основного накопителя энергии, то есть, пока транспортное средство электрически присоединено к внешнему источнику энергии, из условия чтобы низковольтные потребители 5 электрически питались в течение этого времени преобразователем 2.
Фиг. 2 иллюстрирует блок-схему последовательности операций первого примерного варианта осуществления способа 11 электрической зарядки согласно изобретению. На этапе 12, способ 11 зарядки начинается, как только транспортное средство электрически присоединено к источнику энергии, размещенному вне транспортного средства, для зарядки основного накопителя энергии транспортного средства. Ввод в действие способа 11 зарядки может инициироваться, например, вставкой штепселя транспортного средства в розетку внешнего источника энергии, или, например, вводом в действие другого устройства управления, которое по существу управляет зарядкой основного накопителя энергии транспортного средства.
На этапе 13, проверяется, присоединено ли транспортное средство электрически к источнику энергии, размещенному вне транспортного средства. Если транспортное средство не присоединено к внешнему источнику энергии (ветвь B), дополнительный накопитель 8 энергии электрически эффективно присоединяется к низковольтным потребителям 5, например, реле 9, проиллюстрированное на фиг. 1, на этапе 14 замыкается в результате соответствующего сигнала управления устройства 6 управления, передаваемого через линию 10 управления, из условия чтобы дополнительный накопитель 8 энергии мог питать низковольтные потребители 5 электрической энергией, когда транспортное средство не присоединено к внешнему источнику энергии.
Если, на этапе 13, определено, что транспортное средство присоединено к внешнему источнику энергии, способ 11 продолжается ветвью A и проверяет, на этапе 15, является ли преобразователь 2 действующим, то есть, преобразует ли напряжение, выдаваемое из внешнего источника энергии, в низкое постоянное напряжение для питания низковольтных потребителей 5 во время зарядки основного накопителя энергии. Если преобразователь не является действующим (ветвь B), способ 11 продолжается этапом 14, на котором дополнительный накопитель 8 энергии электрически эффективно присоединяется к низковольтным потребителям 5.
Если, на этапе 15, определено, что преобразователь 2 является действующим, способ 11 продолжается этапом 16, на котором проверяется состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии. Если состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии является недостаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей 5 (ветвь B), способ 11 продолжается этапом 14, на котором дополнительный накопитель 8 энергии электрически эффективно присоединяется к низковольтным потребителям 5. Поскольку, в этом случае, преобразователь 2 является действующим и питает низковольтные потребители 5 электрической энергией, это означает, что дополнительный накопитель 8 энергии электрически эффективно присоединяется к низкому постоянному напряжению, приложенному на выходе 4 преобразователя 2. Дополнительный накопитель 8 энергии может заряжаться соответствующим образом.
Если, на этапе 16, определено, что состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии является достаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей 5 (ветвь A), способ 11 продолжается этапом 17, на котором дополнительный накопитель 8 энергии электрически эффективно отсоединяется от низковольтных потребителей 5 и, таким образом, от постоянного напряжения нагрузки действующего преобразователя 2. Для примерного варианта осуществления зарядного устройства 1, проиллюстрированного на фиг. 1, это означает, что реле 9 размыкается соответствующим сигналом управления устройства 6 управления, передаваемым через линию 10 управления.
После этапов 14 и 17, способ 11, проиллюстрированный на фиг. 2, возвращается на этап 13.
Фиг. 3 иллюстрирует принципиальную схему второго примерного варианта осуществления электрического зарядного устройства 18 согласно изобретению. Зарядное устройство 18 существенно отличается от зарядного устройства 1, проиллюстрированного на фиг. 1, по той причине, что, взамен реле 9, датчик 19 тока присоединен последовательно с дополнительным накопителем 8 энергии. Дополнительный накопитель 8 энергии, таким образом, всегда гальванически присоединен к низкому постоянному напряжению, приложенному на выходе 4 преобразователя 2, и к низковольтным потребителям 5 транспортного средства. Датчик 19 тока предназначен для определения течения тока в и из дополнительного накопителя 8 энергии и для снабжения устройства 6 управления определенным значением в этом отношении через нижнюю линию 10 управления, проиллюстрированную на фиг. 3. В примерном варианте осуществления зарядного устройства 18, проиллюстрированного на фиг. 3, устройство 6 управления предназначено для выполнения регулирования нулевого тока, для того чтобы электрически отсоединять дополнительный накопитель энергии от низкого постоянного напряжения и низковольтных потребителей 5 на основе определенного значения, выдаваемого датчиком 19 тока. В этом случае, устройство 6 управления управляет выходным напряжением преобразователя 2 таким образом, чтобы течение тока в и из дополнительного накопителя 8 энергии было нулевым. Другими словами, устройство 6 управления повышает выходное напряжение преобразователя 2, когда определено течение тока, определенное датчиком 19 тока, из дополнительного накопителя 9 энергии в низковольтные потребители 5 транспортного средства, то есть, дополнительный накопитель 8 энергии разряжался бы, и понижает выходное напряжение преобразователя 2, когда определено течение тока в дополнительный накопитель 9 энергии, то есть дополнительный накопитель 8 энергии заряжался бы. В случае зарядного устройства 18, проиллюстрированного на фиг. 3, выходное напряжение преобразователя 2, устанавливается на преобразователе 2 устройством 6 управления через вторую линию 10 управления, проиллюстрированную в верхней части на фиг. 3.
Устройство 6 управления также предназначено, в примерном варианте осуществления зарядного устройства 18, проиллюстрированного на фиг. 3, для того чтобы электрически присоединять дополнительный накопитель 9 энергии к низкому постоянному напряжению, приложенному на выходе 4 преобразователя 2, чтобы управлять выходным напряжением преобразователя 2 на основе определенного значения, выдаваемого датчиком 19 тока, таким образом, чтобы ток тек в дополнительный накопитель 8 энергии, а дополнительный накопитель 8 энергии соответственно заряжался.
Регулирование нулевого тока предпочтительно выполняется с использованием стандартного ПИ-регулятора или с использованием традиционного адаптивного управления.
Для того чтобы определять состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии, может использоваться датчик состояния заряда (не проиллюстрирован на фиг. 3), в частности, традиционный датчик аккумуляторной батареи, предпочтительно размещенный в полюсной выемке свинцовой аккумуляторной батареи. Таковой может снабжать устройство 6 управления определенным значением, в частности, значением напряжения без нагрузки, дополнительного накопителя 8 энергии, на основе какого значения устройство 6 управления может определять состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии, достаточное или недостаточное для надлежащего электропитания низковольтных потребителей. Преобразователь 2 всегда вводится в действие во время зарядки основного накопителя энергии, то есть, пока транспортное средство электрически присоединено к внешнему источнику энергии, из условия чтобы всегда было электропитание низковольтных потребителей через преобразователь 2 в течение этого времени.
Примерный вариант осуществления способа 11 зарядки, проиллюстрированный на фиг. 2, также может выполняться зарядным устройством 18, проиллюстрированным на фиг. 3. С этой целью, регулирование нулевого тока, выполняемое устройством 6 управления, вводится в действие на этапе 17, проиллюстрированном на фиг. 2, и выводится из работы на этапе 14, на котором дополнительный накопитель 8 энергии электрически эффективно присоединяется к низковольтным потребителям 5 транспортного средства, а потому, также к низкому постоянному напряжению, приложенному на выходе 4 преобразователя 2.
Дополнительное значительное преимущество описанного ранее регулирования нулевого тока заключается в том обстоятельстве, что выходное напряжение преобразователя 2, управляемого посредством устройства 6 управления, то есть, напряжение, которое приложено между соединениями дополнительного накопителя 8 энергии во время регулирования нулевого тока (тока клеммы), может использоваться, для того чтобы оценивать состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии, поскольку напряжение без нагрузки дополнительного накопителя 8 энергии является зависящим от состояния заряда. В таком случае, можно обходиться без специального датчика состояния заряда, предусмотренного с этой целью.
Фиг. 4 иллюстрирует блок-схему последовательности операций второго примерного варианта осуществления способа 20 электрической зарядки согласно изобретению. Этапы 12, 13 и 15 уже были описаны совместно со способом 11 зарядки, проиллюстрированным на фиг. 2. На этапе 21, описанное ранее регулирование нулевого тока вводится в действие, для того чтобы электрически эффективно отсоединять дополнительный накопитель 8 энергии от низкого постоянного напряжения и низковольтных потребителей 5. На этапе 22, среднее значение выходного напряжения преобразователя 2, управляемого устройством 6 управления, затем определяется во время регулирования нулевого тока. В случае низких токов нагрузки дополнительного накопителя 8 энергии, который является ситуацией, обеспечиваемой во время регулирования нулевого тока, может быть допущено, что выходное напряжение преобразователя 2 равно напряжению на клеммах (= напряжению без нагрузки во время регулирования нулевого тока) дополнительного накопителя 8 энергии.
На этапе 23, определенное ранее среднее значение выходного напряжения преобразователя 2 сравнивается с предопределенным пороговым значением напряжения без нагрузки дополнительного накопителя 8 энергии. Если среднее значение выходного напряжения является большим, чем пороговое значение напряжения без нагрузки (ветвь B), состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии является достаточным для надлежащего электропитания низковольтных потребителей 5, и способ 20 продолжается следующим этапом 15, на котором вновь проверяется, введен ли в действие преобразователь 2. Если преобразователь 2 введен в действие (ветвь A), способ 20 возвращается на этап 21. Если преобразователь 2 не введен в действие (ветвь B), способ возвращается на этап 13. В обоих случаях, уже описанные последующие этапы повторяются.
Если, на этапе 23, определено, что среднее значение выходного напряжения не является большим, чем пороговое значение напряжения без нагрузки (ветвь A), состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии является недостаточным для надлежащего электроснабжения низковольтных потребителей 5, так что способ 20 затем выполняет процесс 24 зарядки дополнительного накопителя 8 энергии в течение калиброванного периода времени. С этой целью, текущее значение времени сначала сохраняется на этапе 25. Затем, то, что известно в качестве процесса зарядки по Z-образной кривой дополнительного накопителя 8 энергии, начинается на этапе 26. Напряжение зарядки, которое должно быть приложено на дополнительном накопителе 8 энергии, в примерном варианте осуществления, описанном в материалах настоящей заявки, свинцовой аккумуляторной батарее, является зависящим от температуры, для того чтобы полностью заряжать каждый элемент аккумуляторной батареи. Напряжение зарядки, которое должно быть приложено в зависимости от температуры, для того чтобы полностью заряжать дополнительный накопитель 8 энергии, определяется характеристической кривой, которая в материалах настоящей заявки указывается ссылкой как Z-образная кривая. Соответствующее напряжение зарядки прикладывается на дополнительном накопителе 8 энергии, как уже дополнительно пояснено выше, посредством управления выходным напряжением преобразователя 2 соответствующим образом посредством устройства 6 управления.
Процесс зарядки выполняется в течение предопределенного периода времени, и, на этапе 27, проверяется, был ли этот период времени превышен. При условии, что период зарядки не превышен (ветвь B), процесс 26 зарядки выполняется, при условии, что, на этапе 15, определено, что преобразователь 2 введен в действие (ветвь A этапа 15). Если на этапе 27 определено, что период зарядки был превышен (ветвь A этапа 27), или если на этапе 15 определено, что преобразователь 2 выведен из работы, способ возвращается на этап 13, откуда повторяются этапы, следующие за этапом 13.
Если дополнительный накопитель 8 энергии через предопределенный период зарядки все еще не имеет достаточного состояния заряда, а транспортное средство все еще присоединено к внешнему источнику энергии, а преобразователь 2 введен в действие, может инициироваться возобновленный процесс 24 зарядки, из условия чтобы состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии адаптивно регулировалось таким образом, что он имеет по меньшей мере одно такое минимальное состояние заряда, которое гарантирует надлежащее электропитание низковольтных потребителей 5 транспортного средства.
Фиг. 5 иллюстрирует блок-схему последовательности операций третьего примерного варианта осуществления способа 28 электрической зарядки согласно изобретению. В этом способе 28 зарядки, дополнительно к способу 20 зарядки, проиллюстрированному на фиг. 4, внутренние короткие замыкания дополнительного накопителя 8 энергии, в частности, свинцовой аккумуляторной батареи, также могут определяться с помощью среднего значения выходного напряжения преобразователя 2, уже поясненного совместно с фиг. 4, пока выполняется регулирование нулевого тока.
Как только транспортное средство было присоединено к внешнему источнику энергии (этап 13, ветвь A), и преобразователь 2 был введен в действие (этап 15, ветвь A), текущее значение времени сначала сохраняется на этапе 29 в качестве начального значения времени, затем, регулирование нулевого тока вводится в действие на этапе 21, и, в заключение, на этапе 30, сохраняется начальное значение среднего выходного напряжения преобразователя 2, которое соответствует напряжению на клеммах дополнительного накопителя 8 энергии во время регулирования нулевого тока.
Когда среднее значение выходного напряжения преобразователя 2 падает ниже предопределенного порогового значения напряжения без нагрузки, что указывает недостаточное состояние заряда дополнительного накопителя 8 энергии (этап 23, ветвь A), текущее значение времени сохраняется на этапе 25, а затем, на этапе 31, градиент напряжения по времени рассчитывается и сравнивается с предопределенным калиброванным пороговым значением градиента. Градиент напряжения по времени рассчитывается по разности из начального значения среднего выходного напряжения преобразователя 2, определенного на этапе 30, и текущего среднего значения выходного напряжения преобразователя 2, деленной на разность из текущего значения времени, определенного на этапе 25, и начального значения времени, определенного на этапе 29. Этот показатель, поэтому, представляет уменьшение со временем среднего значения выходного напряжения преобразователя 2 в В/с во время регулирования нулевого тока после запуска регулирования нулевого тока (выполнения этапа 21 первый раз).
Когда градиент напряжения по времени, рассчитанный на этапе 31, превышает пороговое значение градиента (ветвь A), предполагается, что внутреннее короткое замыкание присутствует в дополнительном накопителе 8 энергии. Это состояние короткого замыкания сохраняется на этапе 32. Хранимое состояние короткого замыкания может использоваться, например, для оптического и/или акустического отображения сигнала на приборной панели транспортного средства, и/или может выдаваться для отдельного обслуживания транспортного средства для считывания из энергонезависимой памяти, для того чтобы указывать, что дополнительный накопитель 8 энергии должен быть проверен и, возможно, заменен.
Как только градиент напряжения по времени был рассчитан на этапе 31, процесс 24 зарядки дополнительного накопителя 8 энергии, уже описанный совместно с фиг. 4, выполняется на этапе 24, поскольку на этапе 23 было определено, что среднее выходное напряжение преобразователя 2 упало ниже предопределенного порогового значения без нагрузки дополнительного накопителя 8 энергии (ветвь A).
Способ электрической зарядки согласно изобретению и электрическое зарядное устройство согласно изобретению были пояснены подробнее на основе примерных вариантов осуществления, проиллюстрированных на фигурах. Способ зарядки, а также зарядное устройство, однако, не ограничены вариантами осуществления, описанными в материалах настоящей заявки, но также содержат эквивалентные дополнительные варианты осуществления. В частности, способ зарядки и зарядное устройство также могут быть применены к транспортным средствам, иным чем транспортные средства с электрическим приводом и батарейным питанием или транспортные средства с электрическим приводом, или подключаемые к бытовой сети транспортные средства с гибридным электрическим приводом, упомянутые ранее в материалах настоящей заявки, таким как летательные аппараты или судна, в которых постоянная зарядка накопителя энергии, такого как аккумуляторная батарея, может приводить к повреждению у накопителя энергии, когда транспортное средство электрически присоединено к источнику энергии, размещенному вне транспортного средства, и электрическая питающая сеть внутри транспортного средства электрически питается этим источником энергии. Это может иметь место, например, с летательным аппаратом, который неподвижен на выходе на посадку или в ангаре, или с судном, которое остается в течение относительно длительного периода времени в портовом сооружении.
В дополнение, способ зарядки согласно изобретению и зарядное устройство согласно изобретению не ограничены использованием со свинцовыми аккумуляторными батареями в качестве дополнительного накопителя энергии, но также содержат любой тип накопителя энергии, который может получать повреждение в результате постоянной зарядки.
В предпочтительном варианте осуществления, способ электрической зарядки и электрическое зарядное устройство согласно изобретению используются в транспортном средстве, в частности, транспортном средстве с электрическим приводом и батарейным питанием или транспортном средстве с электрическим приводом, или подключаемом к бытовой сети транспортном средстве с гибридным электрическим приводом, для защиты свинцовой аккумуляторной батареи, предусмотренной в качестве дополнительного накопителя энергии в транспортном средстве, от постоянной зарядки, когда транспортное средство электрически присоединено к источнику энергии, размещенному вне транспортного средства, для того чтобы электрически питать электрическую питающую сеть внутри транспортного средства.
СПИСОК СИМВОЛОВ ССЫЛКИ
1 электрическое зарядное устройство
2 преобразователь
3 входная сторона у 2
4 выходная сторона у 2
5 низковольтный потребитель
6 электронное устройство управления
7 другие низковольтные потребители
8 дополнительный накопитель энергии
9 реле
10 электрическая линия управления
11 способ зарядки
12 ввод в действие 11
13 транспортное средство присоединено к внешнему источнику энергии?
14 электрическое эффективное присоединение 8 к 5
15 преобразователь является действующим?
16 состояние заряда дополнительного накопителя энергии является достаточным?
17 электрическое активное отсоединение 8 от 5
18 зарядное устройство
19 датчик тока
20 способ зарядки
21 ввод в действие регулирования нулевого тока
22 определение среднего значения выходного напряжения у 2
23 среднее значение выходного напряжения < порогового значения напряжения без нагрузки
24 процесс зарядки
25 сохранение текущего значения времени
26 ввод в действие процесса зарядки по Z-образной кривой
27 период зарядки превышен?
28 способ зарядки
29 сохранение начального значения времени
30 сохранение начального среднего значения выходного напряжения у 2
31 градиент напряжения по времени > порогового значения градиента?
32 сохранение состояния короткого замыкания
A да
B нет.