Электрическое транспортное средство с комбинированным накопителем энергии
ELECTRIC VEHICLE WITH COMBINED ENERGY STORAGE DEVICE

Изобретение относится к электрическому транспорту, для движения которого применяется тяговый электродвигатель, подключенный к тяговому преобразователю, который, в свою очередь, может питаться от контактной сети и от комбинированной электроустановки, в состав которой входят батареи аккумуляторов, батареи конденсаторов, устройства для зарядки батарей аккумуляторов и батарей конденсаторов, механические выключатели и диоды.
Известно транспортное средство с автономным ходом, патент на изобретение «Транспортное средство с автономным ходом» RU 2110419 С1, 1997 г. [1]. В данном транспортном средстве тяговый электродвигатель при основном ходовом режиме питается от контактной сети, а при автономном движении от энергоблока, выполненного в виде тяговой аккумуляторной батареи. Недостатком транспортного средства является малая дальность при движении в режиме автономного хода без контактной сети. Соединительный узел в составе транспортного средства выполнен с возможностью параллельного и последовательного включения батарей аккумуляторов для режима заряда и разряда соответственно и содержит в своем составе большое количество силовых полупроводниковых приборов, что приводит к большим потерям мощности в них и снижает эксплуатационную надежность соединительного узла и транспортного средства в целом. Наличие в соединительном узле диодов и тиристоров, включенных последовательно с батареей аккумуляторов в проводящем направлении в режиме протекания разрядного тока, препятствует возврату в батарею аккумуляторов энергии рекуперации, возникающей при торможении и движении под уклон электрического транспортного средства, что, в свою очередь, уменьшает дальность автономного хода.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является электрическое транспортное средство с автономным ходом, патент на полезную модель №162500 «Электрическое транспортное средство с автономным ходом», заявка №2015103081, приоритет полезной модели 30 января 2015 г., патентообладатели: ООО НПФ «Арс Терм», RU; ООО НПФ «Ирбис», RU [2], принимаемое за прототип. В данном электрическом транспортном средстве с автономным ходом содержится тяговый двигатель, имеющий возможность подключения через тяговый преобразователь к контактной сети при контактном ходовом режиме и возможность подключения через тяговый преобразователь к батареям аккумуляторов при бесконтактном ходовом режиме. Кроме того, содержится соединительный узел с возможностью параллельного и последовательного включения батарей аккумуляторов при заряде и разряде соответственно. Соединительный узел содержит две последовательно соединенные через механический выключатель батареи аккумуляторов, подключенные к минусовой шине тягового преобразователя минусовым выводом первой батареи аккумуляторов и к плюсовой шине тягового преобразователя плюсовым выводом второй батареи аккумуляторов. Соединительный узел также содержит два ограничителя тока. Первый ограничитель тока первым выводом подключен к плюсовому выводу второй батареи аккумуляторов, а вторым выводом подключен к плюсовому выводу первой батареи аккумуляторов. Второй ограничитель тока первым выводом подключен к минусовому выводу первой батареи аккумуляторов, а вторым выводом подключен к минусовому выводу второй батареи аккумуляторов. Недостатком известного электрического транспортного средства с автономным ходом является малый срок службы аккумуляторных батарей, обусловленный тем, что при движении в автономном режиме при разгоне и торможении транспортного средства в аккумуляторных батареях протекают большие разрядные и большие зарядные токи, значительно превышающие значения среднего тока, необходимого для движения электрического транспортного средства. Величины разрядного и зарядного токов при разгоне и торможении превышают рекомендованные режимы эксплуатации аккумуляторов в составе батарей аккумуляторов, что, в свою очередь, снижает ресурс заряд-разряд аккумуляторных батарей, что приводит к снижению срока службы накопителя энергии электрического транспортного средства.
Целью предлагаемого устройства является увеличение срока службы накопителя энергии электрического транспортного средства.
Поставленная цель достигается тем, что в известное электрическое транспортное средство с автономным ходом, содержащее тяговый двигатель, имеющий возможность подключения через тяговый преобразователь к контактной сети при контактном ходовом режиме и возможность подключения через тяговый преобразователь к батареям аккумуляторов при бесконтактном ходовом режиме, соединительный узел с возможностью параллельного и последовательного включения батареей аккумуляторов при заряде и разряде соответственно, при этом соединительный узел содержит две последовательно соединенные через первый механический выключатель батареи аккумуляторов, подключенные к минусовой шине тягового преобразователя минусовым выводом первой батареи аккумуляторов и к плюсовой шине тягового преобразователя плюсовым выводом второй батареи аккумуляторов, а также содержит первый ограничитель тока, первым выводом подключенный к плюсовому выводу второй батареи аккумуляторов, и второй ограничитель тока, первым выводом подключенный к минусовому выводу первой батареи аккумуляторов, в соединительный узел дополнительно введено две последовательно соединенные через второй механический выключатель батареи конденсаторов, подключенные к минусовой шине тягового преобразователя минусовым выводом первой батареи конденсаторов и к плюсовой шине тягового преобразователя плюсовым выводом второй батареи конденсаторов, а также первый диод, подключенный в последовательную цепь батарей аккумуляторов и первого механического выключателя между батареями аккумуляторов, при этом проводящее направление первого диода соответствует направлению разрядного тока батарей аккумуляторов, второй и третий диоды, подключенные анодами ко второму выводу первого ограничителя тока, при этом катод второго диода подключен к плюсовому выводу первой батареи аккумуляторов, а катод третьего диода подключен к плюсовому выводу первой батареи конденсаторов, четвертый и пятый диоды, подключенные катодами ко второму выводу второго ограничителя тока, при этом анод четвертого диода подключен к минусовому выводу второй батареи конденсаторов, а анод пятого диода подключен к минусовому выводу второй батареи аккумуляторов.
На фиг. 1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства.
Устройство работает следующим образом.
Исходное состояние - электрическое транспортное средство (ЭТС) находится в контактном ходовом режиме. Тяговый электродвигатель (ТД) 1 через тяговый преобразователь (ТП) 2 питается от контактной сети 3. Напряжение контактной сети 3 присутствует на плюсовой и минусовой шинах ТП 2. Соединительный узел 4 находится в режиме параллельного включения батарей аккумуляторов (БА1, БА2) 6, 7 и параллельного включения батарей конденсаторов (БК1, БК2) 11, 12. Механический выключатель K1 5 и механический выключатель К2 10 разомкнуты. Батарее аккумуляторов БА1 6 и батарее аккумуляторов БА2 7 требуется дозарядка. Батарея конденсаторов БК1 11 и батарея конденсаторов БК2 12 разряжены до нуля. Ограничители тока (ОТ1, ОТ2) 8, 9 выключены. При включении ограничителя тока ОТ1 8 и ограничителя тока ОТ2 9 происходит заряд БК1 11 и БК2 12 от соответствующих ограничителей тока ОТ1 8 и ОТ2 9, при этом БК1 11 и БК2 12 заряжаются ограниченными, исходно заданными по величине токами. Батарея конденсаторов БК1 11 заряжается по цепи: плюсовая шина ТП 2, ОТ1 8, диод V3 15, БК1 11, минусовая шина ТП 2. Батарея конденсаторов БК2 12 заряжается по цепи: плюсовая шина ТП 2, БК2 12, диод V4 16, ОТ2 9, минусовая шина ТП2. Напряжение на БК1 11 и напряжение на БК2 12 нарастает и сравнивается с напряжениями на БА1 6 и БА2 7 соответственно. Дальнейший заряд БК1 11 и БК2 12 прекращается, диод V3 15 закрывается, диод V4 16 закрывается, диод V2 14 открывается, диод V5 17 открывается. Далее ограничители тока ОТ1 8 и ОТ2 9 заряжают батареи аккумуляторов БА1 6 и БА2 7 ограниченными наперед заданными по величине токами, оптимальными по условиям заряда аккумуляторов. Заряд БА1 6 и БА2 7 осуществляется в режиме параллельного включения аналогично описанному выше режиму для БК1 11 и БК2 12. Электрическое транспортное средство (ЭТС) двигается в контактном режиме, питаясь в контактной сети 3, БА1 6 и БА2 7 заряжаются от контактной сети, оптимальными, рекомендованными токами заряда до уровня полной зарядки. После завершения заряда БК1 Ни БК2 12 механический выключатель К2 10 замыкается. Последовательно соединенные через К2 10 батареи конденсаторов БК1 11 и БК2 12 запасают энергию рекуперации, поступающую от ТД 1 через ТП 2 при торможении ЭТС, и отдают запасенную энергию ТД 1 через ТП 2 при разгоне и движении ЭТС, что повышает энергоэффективность ЭТС в режиме контактного хода.
При бесконтактном ходовом режиме контактная сеть 3 отсутствует, К1 5 замкнут, ЭТС питается от накопителя энергии в виде ранее полностью заряженных, последовательно соединенных через К1 5 батареей аккумуляторов БА1 6 и БА2 7, подключенных к минусовой и плюсовой шинам ТП 2. Батареи конденсаторов БК1 11 и БК2 12 через замкнутый К2 10 включены последовательно и подключены к минусовой и плюсовой шинам ТП 2. При торможении ЭТС энергия рекуперации от ТД 1 через ТП 2 поступает в БК1 11 и БК2 12 в виде большого зарядного тока. Напряжение на последовательно включенных БК1 11 и БК2 12 растет и становится больше напряжения на последовательно включенных БА1 6 и БА2 7, диод V1 13 закрывается. Большой зарядный ток рекуперации протекает только в БК1 11 и в БК2 12. Энергия торможения ЭТС запасается в БК1 11 и БК2 12. Закрытое состояние V1 препятствует протеканию большого зарядного тока в цепи БА1 6 и БА2 7. В этом режиме БА1 6 и БА2 7, при необходимости подзаряда, могут заряжаться от ОТ1 8 и ОТ2 9 соответственно через V2 14 и V5 17 заданным, ограниченным на уровне рекомендуемого, зарядным током.
При движении или разгоне ЭТС ТД 1 через ТП 2 потребляет большой ток, необходимый для разгона ЭТС, из последовательно соединенных БК1 11 и БК2 12, в которых ранее была запасена энергия рекуперации. Большой ток разгона из БА1 6 и БА2 7 не потребляется, так как напряжение на последовательно соединенных БК1 11 и БК2 12 все еще больше напряжения на последовательно соединенных БА1 6 и БА2 7 и диод V1 закрыт.По мере завершения разгона ЭТС напряжение на БК1 11 и БК2 12 снижается, запасенная энергия рекуперации тратится на разгон и движение ЭТС. При снижении напряжения на БК1 11 и БК2 12 до уровня напряжения на БА1 6 и БА2 7 энергия, необходимая для преодоления сил сопротивления движению ЭТС, потребляется преимущественно из батарей аккумуляторов. Таким образом, в бесконтактном ходовом режиме ЭТС большие токи заряда и разряда, обеспечивающие торможение и разгон ЭТС, потребляются преимущественно из батарей конденсаторов. В батареях аккумуляторов большие токи разряда и заряда не протекают. Ток заряда БА1 6 и БА2 7 активно формируется на заданном, рекомендуемом для данного типа аккумуляторов уровне. Ток разряда БА1 6 и БА2 6 определяется средним током, необходимым для осуществления процесса движения ЭТС, который существенно меньше токов при разгоне и торможении ЭТС.
Оценить продолжительность срока службы накопителя энергии можно следующим образом.
На фиг. 2 приведен типовой график потребления тока силовым приводом троллейбуса, характерным для всех электрических транспортных средств.
Начало графика - ток потребления при разгоне троллейбуса, в средней части - движение в режиме «выбег» по инерции без потребления тока, последний участок - торможение с возвратом части энергии торможения в контактную сеть или в накопитель энергии (режим рекуперации).
Накопитель энергии можно эксплуатировать до тех пор, пока он сможет обеспечить максимальное значение тока, требуемое для разгона троллейбуса. В этом случае ограничение по сроку службы накопителя наступает не из-за падения начальной емкости накопителя, а по причине роста в ходе эксплуатации внутреннего сопротивления батарей накопителя.
Допустим, что внутреннее сопротивление накопителя линейно увеличивается в зависимости от времени эксплуатации
0
где R - начальное внутреннее сопротивление батареи,
t - текущее время эксплуатации накопителя,
k - постоянный коэффициент, определяемый из соотношения ,
вн1
здесь R - внутреннее сопротивление батарей накопителя в конце первого года эксплуатации.
п
В соответствии с требованиями технических условий производителя батарей накопителя падение напряжения U на внутреннем сопротивлении ограничивается. Для нашего случая это величина
m
где I - максимальное значение тока, потребляемое от накопителя (см. фиг. 2). Из соотношений (1) и (2) получим время эксплуатации накопителя, состоящего только из аккумуляторных батарей:
m
ср
m
ср
Применение в комбинированном накопителе батареи конденсаторов позволяет снизить максимальный ток потребления от батарей накопителя I до средней величины тока I (см. фиг. 2). В этом случае в соответствии с выражением (3) во столько же раз возрастет время эксплуатации комбинированного накопителя. Для приведенных на фиг. 2 значений I и I срок службы комбинированного накопителя может быть увеличен по сравнению с накопителем на аккумуляторных батареях примерно в 4 раза.
Ресурс заряд-разряд батарей конденсаторов практически не ограничен и многократно превышает ресурс заряд-разряд батарей аккумуляторов. В батареях аккумуляторов протекают токи разряда и заряда, соответствующие рекомендуемым, оптимальным значениям, что существенно увеличивает их срок службы и обусловливает выполнение поставленной цели - увеличение срока службы накопителя энергии электрического транспортного средства.
Литература
1. Патент на изобретение «Транспортное средство с автономным ходом» RU 2110419 С1, 1997 г.
2. Патент на полезную модель №162500 «Электрическое транспортное средство с автономным ходом», заявка №2015103081. Приоритет полезной модели 30 января 2015 г. Патентообладатели: ООО НПФ «Арс Терм», RU; ООО НПФ «Ирбис», RU.