СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ И СНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ ПОЕЗДОВ ИЗ НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR TRAIN POWER GENERATION AND SUPPLY FROM LAND-BASED VEHICLES WITH ELECTRIC DRIVE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится, в основном, к легковым автомобилям с электроприводом, их энергоснабжению в процессе движения и организации их движения на дорогах в виде поездов. Изобретение может быть использовано также для грузового электрического транспорта и других транспортных средств.
В настоящее время предпринимаются попытки организации движения автомобилей на дорогах в виде автомобильных поездов. Известны автомобильные поезда, создаваемые специалистами из Англии, Испании, Германии и Швеции, объединенные проектом SARTRE. Цели SARTRE - повысить безопасность движения, эффективно распределять транспортные потоки, сократить время в пути, предоставить водителям больший комфорт, снизить расход топлива и уровни выбросов углекислого газа. Согласно этому проекту объединение автомобилей в поезд производится на основе информации спутниковой системы мониторинга (позиционирования) GPS транспортных средств. При этом автомобили должны быть оснащены датчиками GPS и компьютерами, использующими сигналы GPS для их управления. Интервалы управления между автомобилями в проектируемых поездах составляют порядка 6 м. Ведущим транспортным средством такого поезда является грузовой автомобиль, управляемый водителем.
К недостаткам такого способа формирования поездов можно отнести затруднения в обеспечении существенного уменьшения дистанции между движущимися автомобилями и, следовательно, увеличения пропускной способности дороги из-за погрешности системы GPS порядка 1 метра. По той же причине затруднительно осуществление автоматического управления поездом.
Имеют место предложения по созданию наземных линий энергоснабжения, прокладываемых на поверхности автомобильных дорог, к которым электромобили могли бы присоединяться. Так, например, в изобретении WO 2011081479 предлагается использовать множество электромагнитных устройств, располагаемых в дорожном полотне в направлении движения электротранспорта и создающих над поверхностью этого полотна переменное магнитное поле. Это поле воспринимается соответствующим устройством транспортного средства и преобразовывается в электрическую энергию. Таким образом, речь идет об электромагнитном способе передачи электроэнергии от линии энергоснабжения к транспортному средству. В изобретении US 6209694 используется принцип контактной передачи электроэнергии от линии энергоснабжения к транспортному средству. В нем, с целью безопасности линии энергоснабжения, проложенной по поверхности дорожного полотна, потенциальная шина делится на короткие участки, изолированные друг от друга. Причем длина участков определяется длиной транспортных средств, пользующихся линией энергоснабжения. Участки активируются подключением к изолированной сплошной потенциальной шине при расположении движущегося транспортного средства над этим участком.
В перечисленных изобретениях, как и основанных на тех же принципах других, имеется несколько серьезных недостатков:
- необходимость закладывать линии энергоснабжения в дорожное полотно приводит к потенциальной опасности для пешеходов, дороговизне и возможной потере электроэнергии за счет утечек и рассеяния,
- сложность конструктивного решения и возможность загрязнения от осадков и движущегося транспорта приводит к низкой надежности линии.
Наиболее близким к предлагаемому способу являются существующие воздушные линии энергоснабжения, такие как линии энергоснабжения троллейбусов. Они надежны, сравнительно дешевы, безопасны и хорошо себя зарекомендовали при эксплуатации. Их недостаток заключается в недоступности для легковых автомобилей из-за их расположения на большой высоте.
Известны устройства для связи электрического транспортного средства с линией воздушного энергоснабжения - так называемые токоприемники.
В качестве примера можно привести устройство, предложенное Иосифом Штейнбергом (TROLLEY-ELECTROMOBILE TRANSPORT AND ITS POWER SUPPLY SYSTEM). В нем предлагается токоприемник для связи троллейбуса с воздушной линией энергоснабжения.
Недостатками устройства являются:
- работа токоприемника не автоматизирована и его подключение к линии энергоснабжения производится водителем транспортного средства вручную;
- штанги токоприемника троллейбуса выполнены без возможности поворота их вокруг вертикальной оси, а их подъем и опускание происходит по команде водителя. По этой причине снижается безопасность вождения, т.к. водитель должен постоянно следить за тем, чтобы троллейбус находился точно под линией энергоснабжения и за ситуациями при маневрировании, когда нужно включать подъем или опускание штанг. По той же причине коридор движения троллейбуса подлинней энергоснабжения ограничен шириной шины контакта токоприемника, что должно составлять не более 2 м;
- линия энергоснабжения для этого устройства сложна и дорога, т.к. состоит из повторяющихся двух разнополярных участков проводов, разделенных изоляторами.
В качестве ближайшего аналога автоматического токоприемника для транспортных средств с электротягой, использующего воздушную линию энергоснабжения, является устройство по изобретению RU 2421348 С1, позволяющее решить задачу полной автоматизации работы токоприемника.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача увеличения пропускной способности дорог, экономии энергии и повышения безопасности движения за счет использования способа формирования автомобильных поездов с минимально возможными дистанциями между автомобилями, снабжения их электроэнергией от простой и сравнительно дешевой воздушной линии энергоснабжения, создания компактного и надежного устройства, автоматически соединяющего электрические системы движущихся автомобилей, и управление автомобильными поездами в автоматическом режиме.
Поставленная задача решается использованием в качестве головного транспортного средства автомобильного поезда специализированного автоматического автомобиля (в дальнейшем - локомотив), подключенного к воздушной линии энергоснабжения и передающего энергию после соответствующего преобразования к электрическим разъемам автомобилей поезда с помощью достаточно простых автоматических соединителей, позволяющих осуществлять соединение во время движения автомобилей; при этом сокращение дистанций между движущимися автомобилями, управление параметрами их движения, а также управление работой автоматических соединителей достигается за счет установленных на автомобилях лазерных локаторов, позволяющих с большой точностью определять взаимные угловые положения и дистанции между движущимися автомобилями, а также способностью бортовых компьютеров, объединенных в локальную сеть, создавать оптимальные управляющие сигналы на основе полученной от локаторов информации.
Особенности и преимущества изобретения станут более наглядными из описания предпочтительных вариантов реализации изобретения, данных исключительно в качестве примеров, со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
Фиг.1 - схематически изображено расположение локомотива и автомобилей в формируемом поезде ~
Фиг.2 - схематически изображено устройство автоматического соединителя электрического разъема (узел А Фиг.1) в замкнутом состоянии.
Фиг.3 - то же, в разомкнутом состоянии.
Способ формирования и снабжения электроэнергией автомобильного поезда 1 (Фиг.1) включает присоединение локомотива 2 к воздушной линии энергоснабжения 3 с помощью токоприемника 4, расположенного на крыше локомотива 2, преобразование электроэнергии воздушной линии 3 энергоснабжения с помощью преобразователя (на фигуре не указан), установленного на корпусе локомотива 2, и передачу преобразованной энергии первому автомобилю 5 поезда 1 с помощью автоматического соединителя электрического разъема 6.
Электроэнергия от первого автомобиля 5 с помощью автоматического соединителя 6 передается на последующие автомобили 7, 8 и т.д., присоединяющиеся к поезду 1. Все автомобили 5, 7, 8 и т.д. поезда 1, а также локомотив 2 оборудован бортовыми компьютерами (на фигуре не показаны), объединенными в локальную сеть, позволяющую управлять в автоматическом режиме движением каждого автомобиля, поездом в целом, а также управлять работой автоматических соединителей электрических разъемов 6. Необходимая информация об автомобилях 5, 7, 8 и т.д. поезда 1 по силовым проводам передается на центральный компьютер 9, подключенный к воздушной линии энергоснабжения 3.
При этом в качестве локомотива 2 может быть использован как специализированный электрический автомобиль, так и любое грузовое транспортное средство, оснащенное необходимым оборудованием.
Автоматический токоприемник 4 локомотива 2 содержит два лазерных локатора и бортовой компьютер, например согласно изобретению RU 2421346, и преобразователь электроэнергии воздушной линии энергоснабжения 3, создающий на выходе напряжение, соответствующее параметрам электрооборудования автомобилей 5, 7, 8 и т.д. поезда 1, например напряжение 220 вольт постоянного тока. Использование в токоприемнике 4 двух лазерных локаторов и бортового компьютера позволяет осуществлять без участия водителя движение транспортного средства вдоль воздушной линии энергоснабжения 3 и отслеживать ситуацию на дороге впереди поезда 1.
Автоматический соединитель 6 электрических разъемов (Фиг.2, Фиг.3) состоит из электрического гнезда 21, установленного в задней части как локомотива 2, так и каждого из автомобилей 5, 7, и 8, и электрической вилки 22, установленной на штоке 23 гидроцилиндра 24, закрепленного в передней части днища каждого из автомобилей 5, 7, 8. При этом гнездо 21 и вилка 22, установленные на одном автомобиле, электрически соединены между собой. В автоматическом соединителе 6 установлен лазерный локатор 25, закрепленный в передней части каждого из автомобилей 5, 7 и 8.
Гнездо 21 разъема 6, закрепленное на задней части локомотива 2 и автомобилей 5, 7 и 8 поезда 1, содержит контактную пару, представляющую собой два концентрических цилиндра, разделенных изолятором. На гнезде 21 закреплен воронкообразный улавливатель 26 вилки 22. Гнездо 21 содержит также защелку (на рисунке не показана), зажимающую вилку 22 при ее соединении с гнездом 21. При этом на бортовой компьютер заднего из любой пары объединяющихся автомобилей посылается сигнал наличия контакта. Справа и слева от гнезда 21 закреплены два вертикальных отражателя 27 полукруглого сечения, отражающих луч лазерного локатора 25.
Вилка 22 представляет собой контактную пару из штыря и концентричного с ним цилиндра, конструктивно сочетающуюся с гнездом 21. Вилка 22 механически соединена со штоком 23 гидроцилиндра 24 с помощью цилиндрической пружины 28. Такая конструкция разъема 6 снимает с сочленения гнезда 21 и вилки 22 излишние механические нагрузки, возникающие при любом типе ограниченных взаимных смещений двух автомобилей относительно друг друга во время их движения.
Гидроцилиндр 24 перемещает шток 23 в обоих направлениях вдоль продольной оси автомобиля согласно состоянию гидрораспределителя 29, установленного на нижней части каждого автомобиля 5, 7, 8 рядом с гидроцилиндром 24. Управление гидрораспределителем 29, сервоприводом руля и двигателем каждого автомобиля 5, 7, 8 осуществляется бортовыми компьютерами системы управления на основе информации от лазерных локаторов 25 каждого автомобиля 5, 7, 8.
Процесс формирования автомобильного поезда 1 происходит следующим образом (Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3).
Водитель автомобиля 5, принявший решение присоединиться к поезду 1, приближает свой автомобиль сзади к движущемуся локомотиву 2 до момента, когда локатор 25 не обнаруживает отраженный сигнал от отражателей 27 локомотива 2. После этого автомобиль 5 переводится на автоматическое управление, при котором:
- скорость автомобиля 5 соответствует скорости локомотива 2, а дистанция между локомотивом 2 и автомобилем 5 поддерживается в заданном диапазоне;
- с помощью бокового перемещения автомобиль 5 устанавливается так, чтобы расстояния от локатора 25 до отражателей 27 локомотива 2 стали бы равными. При этом продольные оси автомобиля 5 и локомотива 2 совпадают;
- подается команда на гидрораспределитель 29 автомобиля 5, выдвигающего шток 23 с вилкой 22 в сторону гнезда 21 локомотива 2. При возникновении электрического контакта между вилкой 22 автомобиля 5 и гнездом 21 локомотива 2, в гнезде 21 срабатывает защелка (на фиг. не показана), препятствующая перемещению вилки 22 автомобиля 6 в продольном направлении относительно локомотива 2, о чем на бортовой компьютер автомобиля 5 поступает сигнал. После этого гидроцилиндр 24 автомобиля 5 переводится в режим гидравлического демпфера, связывающего локомотив 2 с автомобилем 5. Такой режим обеспечивается за счет объединения с помощью гидропровода полости штока 23 и полости поршня гидроцилиндра 24 автомобиля 5. При аварийном сближении локомотива 2 с автомобилем 5, с бортового компьютера на гидрораспределитель 29 подается команда о закрытии клапанов. При этом шток 23-не может перемещаться относительно гидроцилиндра 24 автомобиля 5, что уменьшает вероятность столкновение автомобиля 5 с локомотивом 2.
По алгоритму, аналогичному вышеописанному, происходит присоединение автомобилей 7, 8 и т.д. к поезду 1.
Для выхода любого автомобиля, например автомобиля 7 (Фиг.1), из состава поезда 1 водитель переводит гидрораспределитель 29 в режим размыкания разъема 6 и шток 23 убирается в нерабочее состояние, уменьшает скорость автомобиля 7 и при достижении безопасной дистанции до автомобиля 5 покидает поезд 1.
При этом
- автомобиль 8 автоматически переводится в состояние локомотива для оставшейся задней части поезда 1, а водитель автомобиля 8 берет управление на себя и восстанавливает поезд 1, соединяя свой автомобиль с автомобилем 5. На время маневра задняя часть поезда 1 автоматически переводится на автономное питание.
Преимущества
Формирование автомобильных поездов из движущихся по дороге электрических легковых автомобилей позволяет увеличить пропускную способность дороги и сократить расход энергии.
Использование специализированного транспортного средства в качестве локомотива автомобильного поезда позволяет получать энергию для легковых автомобилей с электротягой от надежной и сравнительно дешевой воздушной линии энергоснабжения, предназначенной для снабжения энергией тяжелых транспортных средств с электротягой. Наличие у локомотива преобразователя энергии позволяет отказаться от установки таких преобразователей на каждом автомобиле, что уменьшает стоимость электрооборудования автомобилей поезда. Кроме того, параметры преобразованной электроэнергии позволяют в процессе движения подзаряжать аккумуляторы электромобилей, движущихся в составе поезда со скоростью, во много раз большей, нежели при их зарядке от домашней электросети (см. материалы).
Использование автоматического соединителя электрических разъемов позволяет формировать группы движущихся автомобилей в виде поездов с небольшими дистанциями между автомобилями, при этом происходит объединение электрических и информационных цепей автомобилей поезда. Автоматические соединители позволяют покидать поезд, по мере необходимости, любому автомобилю в процессе движения.
Система автоматического управления локомотивом каждым автомобилем и поездом в целом позволяет освободить водителей от управления, что способствует увеличению безопасности движения на дороге, в том числе за счет снижения усталости водителей.
Наличие системы для передачи всей информации об автомобилях поезда на центральный компьютер позволяет оценивать ситуацию на дороге, расход энергии автомобилями и т.д.
Особенности и решения, принятые в предлагаемом изобретении позволяют применить его также по отношению к грузовому транспорту, троллейбусам и автобусам.