УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ, ОБЪЕДИНЕННОЕ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Область техники.
Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройству преобразования возобновляемых источников энергии и передачи полученной электроэнергии в низковольтную и/или высоковольтную сеть транспортного средства, а также зарядки электроэнергией аккумуляторных батарей (накопителей энергии), находящихся в электротранспорте.
Устройство преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей можно объединить с электрической системой транспортного средства, на деталях кузова которого дополнительно устанавливаются фотоэлементы, при этом устройство эффективно преобразует электроэнергию, полученную от солнца, и оптимальным образом перераспределяет в электрические системы транспортного средства, излишки электроэнергии используются для зарядки штатных батарей (в том числе тяговых) или для питания дополнительной нагрузки.
Уровень техники.
Известна зарядная станция с солнечными панелями, заявленная в заявке США №20110015814, включающая солнечные панели для преобразования солнечного света в электроэнергию, силовой регулятор, соединенный с солнечными панелями и сетевыми розетками, адаптированными для подзарядки электрического автомобиля, электрически-контролируемые двери для контроля доступа к розеткам и устройство управления, регулирующее двери и питание в розетку после авторизации пользователя.
Недостатком существующего устройства является низкое КПД преобразования электроэнергии от солнечных панелей во время движения, отсутствие возможности зарядки тяговых высоковольтных батарей электротранспорта во время стоянки.
Известна мобильная энергетическая система, заявленная в патенте США № US 8792227, включающая: множество источников энергии, где по крайней мере один источник энергии является солнечной батарей, множество электронных и телекоммуникационных компонентов, сконфигурированных для получения энергии, генерируемой множеством источников энергии и/или преобразования энергии, генерирующих постоянный ток, распределительную панель, включающую один или несколько устройств защиты от замыкания, заземления, сконфигурированных для предотвращения замыкания менее чем за две сотни миллисекунд, множество аккумуляторных батарей.
Недостатком устройства является невозможность передачи полученной электроэнергии в сеть электротранспорта во время движения.
Известна солнечная передвижная зарядная станция, патент США № US 9369082, включающая передвижную поручную систему, складную панель солнечных батарей, аккумуляторные батареи, ветрогенератор, гидрогенератор, предназначенный для производства электроэнергии из дождевой воды, и резервуар для сбора дождевой воды, холодильник и плиту, вещатель, который поставляет информацию о местоположении и состоянии зарядной системы в сеть интернет для пользователей, расчет и выставление счетов пользователям на основе потребленного электричества и услуг, полученных пользователями, электроэнергия, идущая от всех генераторов, заряжает аккумуляторные батареи, после которых электроэнергия посредством инвертора и/или трансформатора обретает необходимые параметры тока и напряжения для обеспечения режима быстрой зарядки и поступает на один и более электрических транспортных средств. Выполнена в виде передвижной системы для предоставления необходимых услуг пользователям на местах.
Недостатками указанной станции являются большие габаритные размеры и вес, низкий КПД преобразования электроэнергии от солнечных панелей во время движения, невозможность передачи полученной электроэнергии для питания электрических тяговых систем транспортных средств во время движения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство отслеживания точки мощности солнечной панели, объединенное с электрической системой транспортного средства, патент США №10220709, включающее вспомогательную шину постоянного тока, первичную шину постоянного тока, блок качества напряжения, включающий в себя преобразователь напряжения, выполненный с возможностью преобразовывать напряжение на первичной шине постоянного тока в стабилизированное напряжение на вспомогательной шине постоянного тока во время операции запуска электрического стартера, и солнечную панель, генерирующую выходное напряжение на выходе панели, при этом преобразователь напряжения преобразует выходное напряжение солнечной панели в оптимизированное напряжение, которое оптимизирует передачу мощности вспомогательной нагрузке.
Однако данное устройство имеет ряд недостатков, а именно: низкое КПД преобразования электроэнергии от солнечных панелей во время движения, отсутствие возможности зарядки тяговых высоковольтных батарей электротранспорта во время стоянки, возможность применения для ограниченного модельного ряда.
Техническая проблема.
На данный момент отсутствуют устройства преобразования и распределения энергии от солнечных панелей, с помощью которых было бы возможно произвести модернизацию выпущенных в эксплуатацию транспортных средств для автономного питания электрических тяговых систем и зарядки штатных батарей.
Так как положение транспортного средства при его движении меняет свою ориентацию относительно солнца и периодически затеняется придорожными объектами, освещенность солнечных панелей меняется с большой скоростью, поэтому существующие системы преобразования электроэнергии с солнечных панелей не успевают настроить точку съема максимальной мощности и неэффективно работают на транспортных средствах.
Сущность полезной модели.
Данное техническое решение направлено на расширение арсенала технических средств определенного назначения, а в качестве технического результата, достигаемого заявленным решением, является реализация заявленной полезной моделью указанного назначения, а именно, объединение устройства преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей с электрической системой транспортного средства с целью автономного питания электрических систем и зарядки штатных батарей, при этом предложенный алгоритм повышает эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогами, в результате чего снижается расход потребления топлива на автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, увеличивается запас хода на электротяге у электротранспорта или транспортных средств с гибридной силовой установкой, происходит заряд штатных аккумуляторов во время стоянки, что приводит к уменьшению выбросов вредных веществ в городах и снижению нагрузки на инфраструктуру.
Данный технический результат достигается благодаря устройству преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей, содержащей корпус, внутри которого расположены:
преобразователи постоянного напряжения ПН1 (15), поддерживающие как повышающий, так и понижающий режим с управлением входными/выходными характеристиками, вход которых соединен с выходом по меньшей мере одной солнечной панели (4);
два датчика тока (16, 17) и два датчика напряжения (18, 19), которые подключены к входу и выходу ПН1 (15);
низковольтная шина постоянного тока (8), приспособленная соединяться с основным аккумулятором транспортного средства (6);
датчик напряжения (20), который подключен к низковольтной шине постоянного тока (8);
переключатель подачи электроэнергии (21) в низковольтную шину постоянного тока, способный соединить выход ПН1 (15) с низковольтной шиной постоянного тока (8);
датчик температуры (22);
включатель дополнительной нагрузки в холодный период (23), способный включить/выключить по меньшей мере одну вспомогательную нагрузку (7);
включатель вспомогательной нагрузки в теплый период (24), способный включить/выключить по меньшей мере одну вспомогательную нагрузку (7);
блоки управления (25) с возможностью переключения режима поиска точки максимальной мощности солнечной панели и расчета коэффициента быстрой настройки на быструю настройку входной вольт-амперной характеристики и обратно, которые соединены с управляющим входом ПН1 (15), на который подается сигнал зажигания (26) транспортного средства для возможности обнаруживать операцию запуска и который соединен со всеми датчиками тока (16, 17), со всеми датчиками напряжения (18, 19, 20), с управляющим входом переключателя подачи электроэнергии (21) в низковольтную шину постоянного тока, с датчиком температуры (22), с управляющим входом включателя дополнительной нагрузки в холодный период (23) и теплый период (24), и предназначенный для управления рабочим циклом устройства;
и содержит программу для управления процессом преобразования, передачи и распределения электроэнергии с солнечных панелей в низковольтные электрические системы транспортного средства.
Для передачи энергии в высоковольтную сеть транспортного средства, оборудованного высоковольтной батареей,  устройство дополнительно содержит:
DC/DC повышающий преобразователь ПН2 (9), поддерживающий режим повышения постоянного напряжения с управлением выходными характеристиками, вход которого соединен с выходом ПН1 (15);
высоковольтную шину постоянного тока (10), приспособленную соединяться с высоковольтным аккумулятором (28) транспортного средства;
переключатель подачи электроэнергии в высоковольтную шину постоянного тока (29), способный соединить выход ПН2 (9) с высоковольтной шиной постоянного тока (10);
датчик напряжения (30), который подключен к высоковольтной шине постоянного тока (10);
датчик тока (31), который подключен в выходную цепь преобразователя постоянного напряжения ПН2 (9);
коммуникационный модуль сети контроллеров CAN (32), выход которого подключен к CAN шине сети контроллеров (33) транспортного средства;
микроконтроллер (34), который подключен к блоку управления (25) и который соединен с управляющим входом DC/DC повышающего преобразователя ПН2 (9), управляющим входом переключателя подачи электроэнергии (29), датчиком напряжения (30), датчиком тока (31) и входом коммуникационного модуля сети контроллеров CAN (32);
и содержит программу для управления процессом преобразования, передачи и распределения электроэнергии с солнечных панелей в высоковольтные электрические системы транспортного средства.
Для заряда высоковольтных батарей транспортного средства через штатный блок заряда переменным напряжением, устройство дополнительно содержит:
накопитель электроэнергии (11), подключенный к выходу ПН1 (15);
модуль преобразования постоянного тока в переменный ток (12), управляющий вход которого подключен к микроконтроллеру (34), вход которого подключен к ПН2 (9);
коммуникационный модуль контрольного управления с использованием широтно-импульсной модуляции (35), управляющий вход/выход которого подключен к выходу/выходу микроконтроллера (34), выход широтно-импульсной модуляции которого подключен к входу контрольного управления штатного блока зарядки высоковольтных батарей транспортного средства (13);
переключатель контрольного управления (36), управляющий вход которого подключен к выходу микроконтроллера (34), подключенный в разрыв между входом контрольного управления штатного блока зарядки высоковольтных батарей (13) и выходом штатного порта зарядки транспортного средства PLUGIN (37);
переключатель подачи переменного тока (38), управляющий вход которого подключен к выходу микроконтроллера (34), способный соединить выход модуля преобразования постоянного тока в переменный ток (12) с входом переменного тока штатного блока зарядки высоковольтных батарей транспортного средства (13);
датчик напряжения (39), который подключен к входу переменного тока штатного блока зарядки высоковольтных батарей (13) транспортного средства, выход которого подключен к входу микроконтроллера (34);
датчик тока (40), который подключен в выходную цепь модуля преобразования постоянного тока в переменный ток (12), выход которого подключен к входу микроконтроллера (34).
В частных вариантах осуществления технического решения устройство дополнительно содержит:
модуль часов реального времени (41);
модуль карты памяти (42);
модуль беспроводной связи (43).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Реализация полезной модели будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути полезной модели и ни в коем случае не ограничивают область полезной модели. К заявке прилагаются следующие чертежи:
фиг. 1 - блок-схема реализации устройства преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей, объединенного с электрической системой транспортного средства, имеющего низковольтную бортовую систему во время стоянки (все транспортные средства).
фиг. 2 - блок-схема реализации устройства преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей, объединенного с электрической системой транспортного средства, имеющего низковольтную бортовую систему во время движения (все транспортные средства).
фиг. 3 - блок-схема реализации устройства преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей, объединенного с электрической системой транспортного средства, имеющего высоковольтную бортовую систему (электротранспорт и транспортные средства с гибридной силовой установкой).
фиг. 4 - блок-схема реализации устройства преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей, объединенного с электрической системой транспортного средства, имеющего порт для зарядки тяговых батарей от сети переменного тока во время стоянки.
фиг. 5 - функциональная схема устройства преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей, объединенного с электрической системой транспортного средства для автономного питания электрических систем и зарядки штатных батарей.
Режимы работы полезной модели, показанные в блок-схемах фиг. 1-4 могут комбинироваться или совмещаться в зависимости от алгоритма, который реализован в программных обеспечениях управляющих микроконтроллерах (процессорах).
Осуществление полезной модели.
На фиг. 1-2 изображена блок-схема реализации устройства преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей, объединенного с электрической системой транспортного средства, имеющего низковольтную бортовую систему.
В данной реализации заявленная полезная модель используется для установки на любое транспортное средство, имеющее низковольтную бортовую систему (1). При выключенном зажигании, энергия, полученная от солнечных панелей (4), поступает на UFMPPT контроллер (5), который работает в режиме сканирования вольт-амперной характеристики и настройки на максимальную мощность съема энергии от солнечных панелей (4). Полученная энергия используется для зарядки штатных аккумуляторных батарей напряжением 12-48 В (6). В случае если батареи полностью заряжены, устройство включает дополнительную летнюю или зимнюю нагрузку (7) в зависимости от температуры окружающего воздуха. В качестве дополнительной нагрузки может быть штатное или дополнительное оборудование транспортного средства, например, электрический кондиционер, вентилятор, подогрев тосола, подогрев высоковольтных батарей, зарядка дополнительных батарей, система охлаждения солнечных панелей и т.д.
При включенном зажигании UFMPPT контроллер (5) переходит в режим быстрой настройки и передает энергию в бортовую сеть транспортного средства (8) для питания штатного оборудования, что позволяет снять нагрузку с генератора и уменьшить расход топлива.
На фиг. 3 представлена блок-схема реализации устройства преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей, объединенного с электрической системой транспортного средства, имеющего высоковольтную бортовую систему.
Данный вариант реализации заявленной полезной модели используется для установки на электротранспорт или гибридные транспортные средства (2), в которых энергия, полученная от солнечных панелей (4), преобразуется UFMPPT контроллером (5) и подается на повышающий DC/DC преобразователь напряжения (9), а затем в высоковольтную бортовую сеть транспортного средства (2). В этом случае энергия, полученная от солнечных панелей (4), используется для питания электродвигателя транспортного средства во время движения, а также для зарядки высоковольтных батарей.
На фиг. 4 изображена блок-схема реализации устройства преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей, объединенного с электрической системой транспортного средства, имеющего порт для зарядки тяговых батарей от сети переменного тока.
Данный вариант реализации заявленной полезной модели используется для установки на электротранспорт или гибридные транспортные средства с функцией зарядки высоковольтных батарей от сети переменного тока во время стоянки (3), в котором энергия, полученная от солнечных панелей (4), преобразуется UFMPPT контроллером (5) и подается на накопитель электроэнергии (11), после того как накопитель электроэнергии зарядится до определенного максимального уровня, включается повышающий DC/DC преобразователь напряжения (9) и модуль преобразования постоянного тока в переменный ток DC/AC (12), с которого переменный ток подается на блок зарядки высоковольтных батарей (13) транспортного средства (3). После того, как накопитель электроэнергии разрядится до определенного минимального уровня, повышающий DC/DC преобразователь напряжения (9) и модуль преобразования постоянного тока в переменный ток DC/АС (12) выключается и происходит зарядка накопителя электроэнергии до определенного максимального уровня, далее цикл повторяется.
На фиг. 5 изображена функциональная схема устройства преобразования и распределения электроэнергии с солнечных панелей, объединенного с электрической системой транспортного средства для автономного питания электрических систем и зарядки штатных батарей.
Далее со ссылкой на фиг. 5 приведена подробная конструкция полезной модели.
Заявленное устройство выполнено в корпусе с возможностью монтажа в салоне транспортного средства, на кузове которого установлены фотоэлектрические элементы. Внутри корпуса расположены:
преобразователи постоянного напряжения ПН1 (15), в которых применен импульсный способ преобразования напряжения, поддерживающий как повышающий, так и понижающий режим с управлением входными/выходными характеристиками, вход которых соединен с выходом по меньшей мере одной солнечной панели (4);
два датчика тока (16, 17), выполненные на основе измерения падения напряжения на шунте или на эффекте Холла (например, серии ACS производства Allegro Microsystems);
два датчика напряжения (18, 19), выполненные на основе делителя напряжения из двух резисторов, которые подключены к входу и выходу ПН1 (15);
низковольтная шина постоянного тока (8), приспособленная соединяться с основным аккумулятором транспортного средства (6);
датчик напряжения (20), выполненный на основе делителя напряжения из двух резисторов, который подключен к низковольтной шине постоянного тока (8);
переключатель подачи электроэнергии (21) в низковольтную шину постоянного тока, выполненный посредством по меньшей мере одного магнитного реле или полупроводникового транзистора, способный соединить выход ПН1 (15) с низковольтной шиной постоянного тока (8);
датчик температуры (22), например, цифровой датчик DS18B20;
включатель дополнительной нагрузки в холодный период (23), выполненный посредством по меньшей мере одного магнитного реле или полупроводникового транзистора, способный включить/выключить по меньшей мере одну вспомогательную нагрузку (7);
включатель вспомогательной нагрузки в теплый период (24), выполненный посредством по меньшей мере одного магнитного реле или полупроводникового транзистора, способный включить/выключить по меньшей мере одну вспомогательную нагрузку (7);
блоки управления (25), выполненные с использованием микроконтроллера семейства ATmega или STM32 или аналога, с возможностью переключения режима поиска точки максимальной мощности солнечной панели и расчета коэффициента быстрой настройки на быструю настройку входной вольт-амперной характеристики и обратно, который соединен с управляющим входом ПН1 (15), на который подается сигнал зажигания (26) транспортного средства для возможности обнаруживать операцию запуска, и который соединен со всеми датчиками тока (16, 17), со всеми датчиками напряжения (18, 19, 20), с управляющим входом переключателя подачи электроэнергии (21) в низковольтную шину постоянного тока, с датчиком температуры (22), с управляющим входом включателя дополнительной нагрузки в холодный период (23) и теплый период (24), и предназначенный для управления рабочим циклом устройства; и содержит программу для управления процессом преобразования, передачи и распределения электроэнергии с солнечных панелей в низковольтные электрические системы транспортного средства.
Суть работы предлагаемого устройства, позволяющая достичь указанных технических результатов, заключается в его работе в нижеследующем виде.
На вход преобразователя постоянного напряжения ПН1 (15) подается входное напряжение постоянного тока от солнечных панелей (4) при этом блок управления (25) отслеживает значения тока и напряжения на выходе солнечных панелей (4) с помощью датчика тока (16) и датчика напряжения (18). В случае если на блок управления (25) приходит сигнал о выключенном зажигании от шины включения транспортного средства (26), и/или значения тока и напряжения на выходе солнечных панелей (4) находятся в заданных пределах в течении заданного времени, блок управления (25) переходит в режим поиска и сохранения точки максимальной мощности солнечных панелей. Режим поиска точки максимальной мощности солнечных панелей заключается в изменении скважности импульсов подачи напряжения на катушку индуктивности преобразователя постоянного напряжения ПН1 (15), при этом блок управления (25) перемножает измеренные значения тока и напряжения на выходе солнечных панелей (4) с последующим сохранением значения скважности импульсов подачи напряжения на катушку индуктивности преобразователя постоянного напряжения ПН1 (15), соответствующую значению максимальной мощности. Данный цикл повторяется через заданный промежуток времени и/или при изменении значения тока и напряжения на выходе солнечных панелей (4) на заданное значение.
В режиме сохранения точки максимальной мощности солнечных панелей по меньшей мере один раз происходит расчет коэффициента отношения тока короткого замыкания к току точки максимальной мощности фотоэлектрических преобразователей, что реализовано следующим образом: входной конденсатор преобразователя постоянного напряжения ПН1 (15), включенный параллельно выходу солнечных панелей (4), размыкается переключателем (например, полевой МОП-транзистор), в это же время на катушку индуктивности преобразователя постоянного напряжения ПН1 (15) подается входное напряжение от солнечных панелей (4) на промежуток времени, достаточный для перехода катушки индуктивности в режим насыщения и измерения тока датчиком (16). Измеренный ток будет пропорционален току короткого замыкания солнечных панелей (4), т.к. сопротивление катушки индуктивности в режиме насыщения стремиться к нулю. После измерения входной конденсатор подключается параллельно входу солнечных панелей (4), на катушку индуктивности подается входное напряжение импульсами с заданной скважностью, а измеренный ток делится на ток точки максимальной мощности, результат чего сохраняется в энергонезависимой памяти блока управления (25) для последующего использования.
Следует сказать, что испытания солнечных панелей разных типов показывают, что коэффициент, равный отношению измеренного тока к току точки максимальной мощности, сохраняется при разных условиях освещенности и температуры, что можно использовать для быстрой настройки точки максимальной мощности в условиях быстрой смены входных характеристик, а именно во время движения транспортного средства, в процессе чего солнечные панели меняют свою ориентацию относительно солнца и периодически затеняются придорожными объектами с большой скоростью.
В случае если на блок управления (25) приходит сигнал о включенном зажигании от шины включения транспортного средства (26), и/или значения тока и напряжения на выходе солнечных панелей (4) выходят из заданных пределах в течение заданного времени, блок управления (25) переходит в режим быстрой настройки точки максимальной мощности, который заключается в следующем: по меньшей мере один раз в 1 мсек входной конденсатор преобразователя постоянного напряжения ПН1, включенный параллельно выходу солнечных панелей (4), размыкается переключателем (например, полевым МОП-транзистором), в это же время на катушку индуктивности преобразователя постоянного напряжения ПН1 подается входное напряжение от солнечных панелей (4) на промежуток времени, достаточный для перехода катушки индуктивности в режим насыщения и измерения тока датчиком (16). Измеренный ток делится на коэффициент отношения тока короткого замыкания к току точки максимальной мощности фотоэлектрических преобразователей и полученное значение сохраняется в памяти блока управления (25) до следующего измерения. После этого входной конденсатор преобразователя постоянного напряжения ПН1 (15) подключается обратно параллельно выходу солнечных панелей (4), и происходит настройка скважности импульсов подачи входного напряжения постоянного тока от солнечных панелей (4) на катушку индуктивности преобразователя постоянного напряжения ПН1 (15) таким образом, чтобы значение тока, замеренное датчиком тока (16), соответствовало значению тока, сохраненному в памяти блока управления (25).
Учитывая то, что время на измерение тока на датчике (16) составляет не более 2 мксек, суммарные потери энергосъема при данном методе составляют не более 5%. Если учесть, что время сканирования вольт-амперной характеристики для поиска точки максимальной мощности занимает от 2 до 20 сек, то использование заявленного метода дает значительно меньшую потерю энергосъема по сравнению с классическими МРРТ контроллерами во время движения транспортного средства.
Быстрая настройка, описанная выше, также может осуществляться по напряжению, значение которого замерено в режиме сканирования вольт-амперной характеристики (МРРТ), и используется как целевое значение, умноженное на коэффициент, измеренный опытным путем для быстрой настройки.
Микроконтроллер блока управления (25) отслеживает напряжение на низковольтной шине постоянного тока (8) с помощью датчика напряжения (20) и производит заряд основного аккумулятора транспортного средства (6) до установленного уровня или поддержание установленного напряжения в низковольтной шиной постоянного тока (8) с помощью переключателя для подачи электроэнергии (21) и изменения скважности импульсов подачи входного напряжения постоянного тока от солнечных панелей на катушку индуктивности преобразователя постоянного напряжения ПН1 (15).
В случаях, предусмотренных алгоритмом программного обеспечения микроконтроллера блока управления (25), например, транспортное средство выключено, а основной аккумулятор транспортного средства (6) заряжен полностью, то в зависимости от значения температуры, полученной от датчика температуры (22), блок управления (25) подает сигнал на включатель в холодный период (23) или включатель в теплый период (24) для подключения дополнительной нагрузки.
В частных вариантах осуществления технического решения для транспортных средств, которые содержат высоковольтную шину постоянного тока (электротранспорт или гибридное транспортное средство), внутри корпуса устройства дополнительно расположены:
DC/DC повышающий преобразователь ПН2 (9), в котором применен импульсный способ преобразования напряжения с использованием гальванической развязки, поддерживающий режим повышения постоянного напряжения с управлением выходными характеристиками, вход которого соединен с выходом ПН1 (15);
высоковольтную шину постоянного тока (10), приспособленную соединяться с высоковольтным аккумулятором транспортного средства (28);
переключатель подачи электроэнергии в высоковольтную шину постоянного тока (29), выполненный посредством по меньшей мере одного магнитного реле или полупроводникового транзистора, способный соединить выход ПН2 (9) с высоковольтной шиной постоянного тока (10);
датчик напряжения (30), выполненный на основе делителя напряжения из двух резисторов и оптрона типа РС817 для гальванической развязки, который подключен к высоковольтной шине постоянного тока (10);
датчик тока (31) на основе эффекта холла (например, серии ACS производства Allegro Microsystems), который подключен в выходную цепь преобразователя постоянного напряжения ПН2 (9);
коммуникационный модуль сети контроллеров CAN (32), например, МСР2515 CAN Bus TJA1050 с интерфейсом SPI, выход которого подключен к CAN шине сети контроллеров (33) транспортного средства;
микроконтроллер (34) семейства ATmega или STM32 или аналога, который подключен к блоку управления (25) и который соединен с управляющим входом DC/DC повышающего преобразователя ПН2 (9), управляющим входом переключателя подачи электроэнергии (29), датчиком напряжения (30), датчиком тока (31) и входом коммуникационного модуля сети контроллеров CAN (32);
и содержит программу для управления процессом преобразования, передачи и распределения электроэнергии с солнечных панелей в высоковольтные электрические системы транспортного средства.
Суть работы дополнительного функционала данного варианта устройства заключается в следующем:
В случае если на микроконтроллер (34) через блок управления (25) подается положительный сигнал зажигания (26) транспортного средства, микроконтроллер (34) подает положительный сигнал на переключатель подачи электроэнергии в высоковольтную шину постоянного тока (29) и увеличивает скважность импульсов на повышающем DC/DC преобразователе напряжения (9) до максимального значения тока на датчике тока (31). При этом электрическая энергия с преобразователя напряжения ПН1 (15) подается на повышающий DC/DC преобразователь напряжения (9), а затем в высоковольтную шину постоянного тока (29), где используется для зарядки высоковольтного аккумулятора или питания инвертора тягового электродвигателя. При этом микроконтроллер (34) постоянно отслеживает значение тока на датчике тока (31) и настраивает скважность импульсов, соответствующую максимально возможному значению тока, но не выше заданного предела. При этом микроконтроллер (34) постоянно отслеживает значение напряжения на датчике напряжения (30) и уменьшает значение скважности импульсов в случае превышения заданного предела. При этом микроконтроллер (34) передает сигнал блоку управления (25) для отключения подачи электроэнергии в низковольтную шину постоянного тока путем выключения переключателя (21).
В случае если на микроконтроллер (34) через блок управления (25) подается сигнал о выключенном зажигании (26) транспортного средства, возможна реализация алгоритма описанного выше для случая с включенным зажиганием, если штатный блок зарядки (13) транспортного средства поддерживает контроль заряда высоковольтной батареи (28) при получении соответствующей команды от микроконтроллера (34) через коммуникационный модуль сети контроллеров CAN (32). В этом случае во время стоянки транспортного средства происходит заряд штатных тяговых батарей (28).
В частных вариантах осуществления технического решения для транспортных средств, которые содержат порт для зарядки штатных батарей переменным напряжением, устройство дополнительно содержит:
накопитель электроэнергии (11), например, сборка ионисторов производства компании Maxwell, соединенных последовательно и содержащих платы балансировки напряжения, подключенных к выходу ПН1(15);
модуль преобразования постоянного тока в переменный ток (12), выполненный на четырех полевых транзисторах, которые меняют полярность напряжения на выходе с частотой 50-60 Гц, управляющий вход которого подключен к микроконтроллеру (34), вход подключен к ПН2 (9);
коммуникационный модуль контрольного управления с использованием широтно-импульсной модуляции (35), выполненный на DC/DC преобразователе DD1718PA и операционном усилителе LF353P, вход которого подключен к выходу микроконтроллера (34), выход широтно-импульсной модуляции которого подключен к входу контрольного управления штатного блока зарядки высоковольтных батарей (13) транспортного средства;
переключатель контрольного управления (36), выполненный посредством по меньшей мере одного магнитного реле или полупроводникового тиристора, управляющий вход которого подключен к выходу микроконтроллера (34), подключенный в разрыв между входом контрольного управления штатного блока зарядки высоковольтных батарей (13) транспортного средства и выходом штатного порта зарядки PLUGIN (37);
переключатель подачи переменного тока (38), выполненный посредством по меньшей мере одного магнитного реле или полупроводникового тиристора, управляющий вход которого подключен к выходу микроконтроллера (34), способный соединить выход модуля преобразования постоянного тока в переменный ток (12) с входом переменного тока штатного блока зарядки высоковольтных батарей транспортного средства (13);
датчик напряжения (39), выполненный на основе диодного моста, делителя напряжения на двух резисторах, конденсатора и оптрона типа РС817 для гальванической развязки, который подключен к входу переменного тока штатного блока зарядки высоковольтных батарей (13) транспортного средства, выход которого подключен к входу микроконтроллера (34);
датчик тока (40) на основе эффекта Холла (например, серии ACS производства Allegro Microsystems), который подключен в выходную цепь модуля преобразования постоянного тока в переменный ток (12), выход которого подключен к входу микроконтроллера (34).
Суть работы дополнительного функционала данного варианта устройства заключается в следующем.
С помощью датчика напряжения (39) микроконтроллер (34) отслеживает факт подачи переменного напряжения на штатный блок зарядки высоковольтных батарей (13) транспортного средства от внешнего источника.
Электроэнергия, полученная от солнечных панелей (4) и преобразованная ПН1, поступает на накопитель электроэнергии (11), заряжая их до определенного заданного максимального уровня.
В случае если на микроконтроллер (34) через блок управления (25) подается сигнал о выключенном зажигании (26) транспортного средства, транспортное средство не получает электроэнергию от внешнего источника и накопитель электроэнергии (11) заряжен до максимального уровня, микроконтроллер (34) размыкает переключатель контрольного управления (36) и, посредством коммуникационного модуля контрольного управления ШИМ (35), посылает запрос о возможности начать заряд штатных батарей транспортного средства. Если от транспортного средства приходит положительный ответ, то микроконтроллер (34) замыкает переключатель подачи переменного тока (38), подает сигнал для включения DC/DC повышающего преобразователя ПН2 (9) и подает сигнал для включения модуля преобразования постоянного тока в переменный ток (12). Далее происходит заряд штатных высоковольтных батарей (28) энергией, накопленной в накопителе электроэнергии (11), и энергией, получаемой от солнечных панелей (4) до момента разряда накопителя электроэнергии (11) до заданного минимального значения. После разряда накопителя электроэнергии (11) микроконтроллер (34) отключает DC/DC повышающий преобразователь ПН2 (9) и модуль преобразования постоянного тока в переменный ток (12), а также замыкает переключатель контрольного управления (36) и размыкает переключатель подачи переменного тока (38). Далее цикл повторяется.
Переключатель контрольного управления (36) блокирует возможность старта зарядки штатных батарей транспортного средства от внешнего источника (зарядной станции) во время зарядки штатных батарей транспортного средства от накопителя электроэнергии (11).
Переключатель подачи переменного тока (38) служит для защиты от короткого замыкания модуля преобразования постоянного тока в переменный ток (12) в случае зарядки штатных батарей транспортного средства от внешнего источника (зарядной станции).
Датчик тока (40) служит для контроля зарядного тока и изменения скважности импульсов DC/DC повышающего преобразователя ПН2 (9) для регулировки зарядного тока в соответствии с заданным уровнем.
Учитывая то, что максимальный КПД цикла заряда/разряда литий-ионного аккумулятора достигается при токе заряда равным 20-50% от емкости аккумулятора, данный алгоритм служит для более эффективной зарядки тяговых литий-ионных высоковольтных батарей, т.к. позволяет производить зарядку током, превышающим максимальное значение тока, которое можно получить от преобразования постоянного напряжения непосредственно от солнечных панелей (4).
В частных вариантах осуществления технического решения устройство дополнительно содержит:
модуль часов реального времени (41), например DS1307, подключенный к микроконтроллеру (34) по шине I2C;
модуль карты памяти (42) типа SD, подключенный к микроконтроллеру (34) по шине SPI;
модуль беспроводной связи Bluetooth/Wi-Fi (43) типа НМ-10 или аналог, подключенный к микроконтроллеру (34) по шине RS-232.
Модуль часов реального времени (41) служит для передачи значений текущей даты и времени в микроконтроллер (34), программа которого использует данные значения для включения в отчет, содержащий системную информацию работы устройства.
Модуль карты памяти (42) служит для хранения отчета, содержащего системную информацию работы устройства.
Модуль беспроводной связи Bluetooth/Wi-Fi (43) служит для беспроводного соединения с компьютером или смартфоном для калибровки, настройки, отладки устройства, передачи системной информации в режиме онлайн с устройства, а также для синхронизации устройства со специализированным приложением на смартфоне.
Представленная конструкция заявленной полезной модели позволяет эффективно преобразовывать энергию, полученную от солнца, и оптимальным образом перераспределить ее в электрических системах транспортного средства.