УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к области электрических транспортных средств, в частности к жидкостной системе охлаждения тягового электродвигателя, тягового инвертора и вспомогательного инвертора, содержащая контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий в себя параллельные магистрали охлаждения инверторов и электродвигателя, циркуляционный насос, алюминиевый радиатор, салонный отопитель, механические краны, термостат, электрический кран, датчики температуры.
Поддержание требуемого производителем температурного режима электродвигателя обеспечивает и гарантирует его работу с эффективными характеристиками и максимальным ресурсом. Особенностью при проектировании систем охлаждения тягового привода электротранспорта являются жесткие требования производителей компонентов к расходу жидкости и максимальному давлению, а не к количеству отводимой тепловой энергии. Это связано с конструктивными особенностями электрокомпонентов.
В технике и литературе существует значительное число технических решений, содержащих разнообразные варианты системы охлаждения двигателец и отопления салонов транспортных средств [авторское свидетельство №2137929, кл. F01P 7/16, 20.09.1999. Никифоров Сергей Николаевич, Система охлаждения двигателя и отопления салона автомобиля], [патент № ЕР 2935822 В1, кл. F01P 3/12, 18.12.2012. Scania CV АВ. Kardos, Zoltan, Hall, Ola, Cooling system in a vehicle], [патент №US 2015/0114323 A1, кл. F01P 3/12, 24.10.2014. Robert Bosch GmbH. Vitali Paetkau, Milos Medvecky, Cooling system for an electric vehicle and method for producing a cooling system].
В качестве электрического тягового привода наземных транспортных средств наиболее часто используются асинхронные и синхронные электромашины. Выделение тепла происходит в результате протекания больших токов через обмотки электродвигателя и силовые ключи преобразователя. При повышении эксплуатационной температуры устройства происходит снижение его мощностных характеристик. Исходя из этого, чем большее количество тепла возможно отводить, тем большие токи можно пропускать.
Для асинхронных двигателей, как правило, применяется воздушная система охлаждения с развитым оребрением корпуса. Особенностью второго типа электродвигателей является наличие в конструкции редкоземельных магнитов, которые ограничивают перегрев машины. Для двигателей машин с постоянными магнитами наиболее часто применяется жидкостная система охлаждения.
Охлаждение также требуется для вспомогательных электрических систем тягового электропривода. В первую очередь это относится к вспомогательным инверторам, которые выделяют много тепловой энергии. Зачастую системы тягового электропривода представляют собой готовый комплект, состоящий из двигателя и инверторов, главного и вспомогательных. При рассмотрении транспортных средств с электрическим или гибридным приводом можно сделать вывод, что в условиях плотной компоновки агрегатов наибольшее распространение получили системы, где все компоненты включены в общий контур системы охлаждения.
Конструкции систем терморегуляции тяговых приводов электромобилей, получивших наибольшее распространение, схожи, как по принципиальной схеме, так и по конструктивному исполнению. Двигатель и инверторы имеют в своем корпусе каналы, образующие водяную рубашку, для отвода тепла. Для сохранения преимущества компактности электропривода каналы выполняются с достаточно малым сечением, но в большом количестве для отбора тепла от наиболее термонагруженных элементов.
Для прокачки и направления жидкости применяются электрические помпы, электромагнитные клапаны, дроссели. Радиаторы, используемые для охлаждения жидкости конструктивно идентичны алюминиевым автомобильным. Контроль давления и температуры осуществляются с помощью датчиков, установленных на различных участках гидросистемы.
Производители указывают требования к охлаждению каждого элемента электропривода, соблюдение которых не приводят к выходу его из строя. Регламентируются следующие характеристики:
состав рабочей жидкости;
расход рабочей жидкости;
максимальная температура на входе в агрегат;
максимальное допустимое давление на входе в агрегат.
В качестве рабочей жидкости применяется смесь гликоля с дистиллированной водой в пропорции 50% к 50%. Возможно увеличение доли гликоля при эксплуатации электромобиля при низких температурах. Требуемый расход жидкости определяет характеристики применяемого водяного насоса. Выбор радиатора и других агрегатов, предназначенных для отвода тепла, обуславливается количеством отводимой тепловой мощности. Максимальная температура и давление на входе в каждый компонент должны быть точно соблюдены, так как превышение параметров отключает тяговый электропривод или приводит к выходу из строя узла.
Задача терморегуляции в настоящей полезной модели решается посредством создания системы, которая характеризуется элементами, указанными в отличительной части п. 1 формулы полезной модели.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящей полезной модели, система содержит несколько параллельных ветвей, обеспечивающих требуемый расход охлаждающей жидкости посредством подбора гидравлического сопротивления в ветвях. Помимо собственных характеристик сопротивления магистралей ветвей существенное влияние оказывает падение давления на агрегатах, требующих охлаждения. В патентуемой полезной модели вводятся механические краны на участках параллельных магистралей для «тонкой» настройки расходов жидкости. Частичное закрытие дросселя (механического регулируемого крана) создает местное сопротивление в ветви.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящей полезной модели, система содержит электрический кран, имеющий один входной и два переключаемых выходных канала. Управляемое разветвление потоков позволяет направить рабочее тело системы в полном объеме для теплоотдачи через салонные жидкостные отопители. Таким образом, не происходит выделение тепла в атмосферу с помощью основного радиатора, и повышается энергоэффективность системы обогрева салона электрического транспортного средства.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящей полезной модели, перераспределение нагретой охлаждающей жидкости происходит с помощью автомобильного термостата, который устанавливается за электродвигателем. Таким образом, происходит прямая оценка температуры электродвигателя и автоматическое принудительное направление горячей охлаждающей жидкости на радиатор в случае превышения ее допустимого значения. Температура срабатывания термостата должна соответствовать рабочей температуре электродвигателя.
Предпочтительный вариант осуществления настоящей полезной модели описывается далее с помощью примера со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором:
фиг. 1 - Система охлаждения тягового электропривода с термостатом согласно одному из вариантов осуществления полезной модели.
фиг. 2 - Система охлаждения тягового электропривода с электрическим краном согласно одному из вариантов осуществления полезной модели.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
На фиг. 1 и фиг. 2 показана система охлаждения тягового привода электрического транспортного средства. На условном транспортном средстве установлено тяговое электрооборудование, включающее электродвигатель 1 и тяговый инвертор 2, а также вспомогательный инвертор 3, для управления дополнительным оборудованием. Данные агрегаты имеют жидкостное охлаждение. Электродвигатель 1 включен в гидросистему с инверторами. Ветви электродвигателя и инверторов соединены параллельно, так как требуемый расход жидкости через двигатель и инверторы различаются. Электрическая водяная помпа 11 подобрана с учетом требуемого суммарного расхода охлаждающей жидкости и падения давления в системе. Полученное соотношение расходов жидкости в параллельных магистралях системы регулируется посредством механического крана 7. При изменении состава системы, включении новых компонентов или исключении одного, или нескольких агрегатов может быть произведена перенастройка распределения расходов охлаждающей жидкости по ветвям системы.
Расширительный бачок 10 с трубкой развоздушивания системы применен для заполнения системы рабочей жидкостью, а также контроля ее уровня.
На фиг. 1 изображена система с термостатом 6, который установлен на ветви электродвигателя 1 после него. Термостат 6 имеет один входной и два выходных поочередно открывающихся канала. Канал, открытый при температурах охлаждающей жидкости, не превышающих допустимых для используемого электродвигателя 1, направляет поток по ветви с салонным жидкостным отопителем 5. Таким образом, осуществляется принудительная подача нагретой жидкости на отопитель 5 в холодное время года. Второй канал термостата 6, открывающийся при температуре охлаждающей жидкости, соответствующей максимальной для электродвигателя, осуществляет принудительную подачу жидкости в основной радиатор 4 системы. Параллельная ветвь, включающая тяговый и вспомогательный инверторы 2 и 3, всегда соединена с основным радиатором 4. Это обусловлено жесткими требованиями по максимальной рабочей температуре инверторов 2 и 3, которая не должна превышать 40 градусов. Отбор тепла на отопление салона с данной ветви нецелесообразен. Для снижения общего гидравлического сопротивления в системе предусматриваются обратные клапаны 12. Механический ручной кран 8 предназначен для принудительного обхода салонного отопителя 5 в теплое время года вне зависимости от температурного режима электродвигателя. Датчик температуры 9 подает сигнал на приборную панель в случае превышения допустимой входной температуры охлаждающей жидкости, служит для запуска вентилятора основного радиатора 4.
На фиг. 2 изображен альтернативный вариант осуществления настоящей полезной модели. Отличие от системы, изображенной на фиг. 1, состоит в отсутствии термостата и наличии электрического крана 8, который в соответствии с показаниями датчика температуры 9 перенаправляет поток охлаждающей жидкости на основной радиатор 4 или салонный отопитель 5. Алгоритм работы электрического крана 8 вариативен, в зависимости от температурных условий эксплуатации транспортного средства и подбора охлаждаемых электрокомпонентов.
Полезная модель не ограничивается никаким образом вариантами осуществления, к которым относятся чертежи, и может свободно изменяться в рамках формулы полезной модели.