Область техники

Настоящее изобретение относится к области электротранспортных средств (ЭС), и может быть применено как на ЭС с автономным источником питания, так и на ЭС, связанных с внешним источником питания (в трамваях, троллейбусах, поездах метро).

Более конкретно, изобретение относится к техническим решениям по рекуперации (накоплению) электроэнергии, при торможении транспортного средства.

Уровень техники

Уже известны различные решения, направленные на повышение эффективности использования рекуперационной энергии в процессе торможения электротранспортного средства.

Так, известен «3aпитывaeмый от аккумулятора тяговый электродвигатель с конденсаторным усилением* (патент FR 2757806 A1 , B60L 11/00, 03.07.1998). Устройство содержит мотор, связанный с колесами транспортного средства, с электронным управлением, питаемым от аккумуляторной батареи, конденсаторную батарею и логический блок. Выход логического блока подключен к катушке реле, контакты которого подключают конденсаторную батарею последовательно к аккумуляторной батарее. В основном конденсаторная батарея подключена в течение рекуперативного торможения и в период ускорения транспортного средства. Если рекуперативное торможение не обеспечивает полной зарядки конденсаторной батареи, используется отдельное зарядное устройство от аккумуляторной батареи.

Недостатком известного устройства является высокая габаритная мощность силового блока, обусловленная повышенным напряжением силового источника питания при последовательном соединении аккумуляторной батареи и конденсаторной батареи: и повышенная сложность устройства вследствие применения дополнительного блока дозарядки конденсаторной батареи.

Кроме того, при рекуперативном торможении ток заряда конденсаторной батареи, равный току заряда аккумуляторной батареи, определяется только состоянием указанных батарей и интенсивностью торможения и может превышать допустимое (рекомендуемое) значение, что приводит к сокращению длительности жизненного цикла аккумуляторной батареи.

Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ((Электропривод колес автомобиля* по авторскому свидетельству СССР Ns, 74107. Известное устройство содержит источник энергии, предназначенный для зарядки аккумуляторной батареи, которая через разделительный диод подключена к блоку молекулярных конденсаторов, присоединенному параллельно входу управляемого преобразователя напряжения. Регулирование скорости вращения осуществляется путем изменения выходного напряжения указанного преобразователя, который обеспечивает передачу электроэнергии на приводной электродвигатель с понижающим коэффициентом преобразования напряжения и рекуперацию электроэнергии приводного электродвигателя при его торможении с повышающим коэффициентом преобразования напряжения. При торможении передача аккумуляторной энергии к электродвигателю прекращается, и он переходит в режим генератора, при этом на колеса передается тормозящий момент, пропорциональный току, отдаваемому генератором, а преобразователь функционирует в режиме повышения напряжения от генератора. При дальнейшем движении подача энергии на преобразователь осуществляется от блока конденсаторов, причем этот процесс будет длиться до момента равенства напряжений на аккумуляторной батарее и блоке конденсаторов, после чего питание электропривода реализуется от аккумуляторной батареи.

Недостатком известного устройства является наличие разделительного диода между основным источником энергии аккумуляторной батареей, и основным потребителем - преобразователем с приводным электродвигателем, что обуславливает дополнительные потери на диоде в основном - двигательном режиме, а наличие радиатора разделительного диода, стоящего в силовой цепи, ухудшает массогабаритные показатели электротранспортного средства. При торможении по мере накопления энергии в блоке конденсаторов повышается напряжение на зажимах преобразователя. Это налагает дополнительные требования при выборе элементов усилителя мощности преобразователя - силовых транзисторов, конденсаторов силового фильтра, драйверов и т.п., что, как правило, приводит к завышению габаритной мощности и стоимости преобразователя, и усложняет логику (настройку) работы преобразователя, так как он 'должен работать с напряжением питания, меняющимся в широких пределах.

Недостатком известного решения является также то, что использование энергии, запасенной в блоке конденсаторов, т.е. их разряд начинается при трогании транспортного средства, когда скорость транспортного средства начинает изменяться от нуля (минимального значения) до нового (заданного) значения. При этом мощность, потребляемая преобразователем, и, соответственно, ток источника питания изменяется от нуля (минимального значения) до максимального значения, соответствующего максимальной скорости транспортного средства. В связи с изложенным представляется более целесообразным использование энергии конденсаторов при разгоне на среднее и выше значение скорости для того, чтобы уменьшить нагрузку на источник питания и уменьшить максимальный потребляемый ток источника питания.

В статье «Гepмeтизиpoвaнныe свинцово-кислотные aккyмyлятopы» (www.роwеriпfо.гu/ассumulаtогtуре.рhр) представлена зависимость срока службы свинцово-кислотной батареи от глубины разряда. Как видно из представленных кривых, уменьшение глубины разряда более, чем в два раза увеличивает количество циклов, т.е. срок службы батареи. Аналогичные зависимости имеют место для аккумуляторных батарей других типов.

При использовании в ЭС двух независимых электроприводов колес на одной или каждой из осей возникает проблема рационального управления независимыми электроприводами.

Близким по технической сущности к настоящему изобретению является и «Элeктpoмoбиль», раскрытый в RU 2048309 C1. Известное устройство содержит: комбинированный источник питания, коммутационную аппаратуру для выбора направления движения «впepeд-нaзaд», режима задне-, передне- или полноприводной; и педалей движения и тормоза, связанных с соответствующими реостатами, а также обратимые электроприводы передних и задних колес. Для обеспечения одинаковых скоростей электроприводы передних, и, соответственно, задних колес попарно соединены последовательно.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности раздельного управления величиной скорости и/или момента колес оси.

При повороте ЭС скорость всех четырех колес в общем случае разная и чем меньше радиус поворота, тем больше разница скоростей. Кроме того, общий ток электродвигателей оси обуславливает одинаковый момент на колесах оси. Между тем, в общем случае момент сопротивления на колесах оси является разным и требуемый двигательный или тормозной момент на колесах оси также должен быть разным. Например, при попадании одного колеса на мокрый лед, а другого на сухой асфальт, коэффициенты трения отличаются на разных колесах более, чем на порядок, и первое колесо в известном решении будет вращаться с максимальной скоростью, а второе стоять - аналогично тому, как это имеет место в случае с механическим дифференциалом. Разная скорость колес при повороте ЭС при одинаковом задании скорости приведет к различной загрузке двигателей. В то же время выбор величины задания скорости колеса очень важен. Если фактическая скорость колеса больше заданной, то привод переходит в тормозной (генераторный) режим и колесо начинает тормозить ЭС - это может привести к потере устойчивости ЭС.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является устранение ряда отмеченных недостатков известных устройств и повышение тем самым коэффициента использования рекуперируемой энергии при торможении, снижение массогабаритных и стоимостных показателей ЭС, увеличение срока службы автономного обратимого источника питания, а также улучшение эксплуатационных характеристик ЭС, таких, как маневренность, управляемость, устойчивость, экономичность регулирования, дальность пробега на одной зарядке аккумуляторной батареи.

Указанные цели достигаются в предлагаемом электротранспортном средстве. Оно содержит, по меньшей мере, один электродвигатель, связанный с колесами транспортного средства через механическую передачу или без нее, и систему управления, включающую в себя один или несколько обратимых преобразователей, обеспечивающих регулирование скорости и/или момента указанного электродвигателя, конденсатор большой емкости и балластный резистор с разрядным ключом, и дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один реверсивный преобразователь постоянного тока в постоянный ток повышающего/понижающего типа с системой управления, два датчика тока, два датчика напряжения, датчик скорости электродвигателя, причем один или несколько преобразователей подключены непосредственно к зажимам источника питания; конденсатор подключен к зажимам источника питания через указанный реверсивный преобразователь; первый датчик тока определяет величину и направление тока обратимого источника питания; второй датчик тока контролирует ток индуктивности, входящей в состав реверсивного преобразователя; первый датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах источника питания; второй датчик напряжения измеряет напряжение на зажимах конденсатора; выходы указанных датчиков подключены ко входам системы управления реверсивного преобразователя, выходы которой подключены к управляющим входам реверсивного преобразователя и разрядного ключа.

В случае использования автономного обратимого источника питания целесообразно применение в качестве его аккумуляторной батареи, возможно дополненной электрохимическим генератором на топливных батареях.

Реверсивный преобразователь может быть реализован на базе четырех транзисторных ключей, шунтированных четырьмя обратными диодами, и индуктивности дросселя, причем коллектор первого транзистора подключен к зажиму источника питания, эмиттер первого связан с коллектором второго транзистора и первым выходом дросселя; коллектор третьего транзистора связан с зажимом конденсатора; эмиттер третьего связан с коллектором четвертого и вторым выводом дросселя; эмиттер второго связан с эмиттером четвертого, вторым зажимом конденсатора и вторым зажимом источника питания.

Реверсивный преобразователь обеспечивает предварительный заряд конденсатора до максимального напряжения заданным током и дозаряд его при недостаточно уровне энергии рекуперации. Система управления в предлагаемом транспортном средстве определяет величину статического тока при пуске транспортного средства по моменту трогания на основании информации датчика скорости.

Система управления также обеспечивает ограничение тока источника питания за счет запаса энергии в конденсаторе при разгоне транспортного средства, заряд конденсатора за счет энергии рекуперации электродвигателя при торможении транспортного средства при изменении полярности выходного сигнала первого датчика тока, и заряд конденсатора, ограничивая ток заряда источника питания на заданном уровне, а также подключение балластного резистора к зажимам источника питания при превышении напряжения на зажимах источника питания над заданным уровнем; и плавное регулирование тока балластного резистора от нуля до максимального значения.

При промежуточных значениях скорости транспортного средства (между нулевым и максимальным значениями) система управления обеспечивает уровень напряжения в конденсаторе, достаточный для обеспечения пускового тока транспортного средства при разгоне от промежуточного значения до максимального значения скорости и поддерживает возможность накопления в конденсаторе энергии рекуперации при торможении транспортного средства от промежуточного значения до полной остановки.

Кроме того, при использовании двух независимых электроприводов колес на одной или каждой из осей в предлагаемом ЭС, связанном с внешним -источником питания или содержащим автономный источник питания, имеется рекуператор энергии, образованный указанным реверсивным преобразователем с дросселем и суперконденсатором; орган задания момента и скорости движения; орган задания момента торможения; переключатель выбора режима движения; два или четыре приводных электродвигателя, связанные соответственно с двумя или четырьмя колесами транспортного средства; два или четыре реверсивных преобразователя для регулирования момента приводных электродвигателей и снабженное датчиком поворота руля и системой управления верхнего уровня (СУВУ), причем указанные органы задания и переключатель выбора режима движения вместе с датчиком поворота руля подключены ко входам СУВУ, а выходы СУВУ подключены к управляющим входам реверсивных преобразователей, которые выполнены обратимыми, с раздельным заданием уровня ограничения тока в двигательном и тормозном режимах. Кроме того, ко входам СУВУ также могут быть подключены выходы преобразователей, несущие информацию о токе и скорости электродвигателей. СУВУ осуществляет формирование задания скорости (момента) двигателей с учетом положения руля и педалей газа и тормоза.

Для обеспечения требуемой (управляемой) плавности разгона ЭС при начальном положении педали газа СУВУ задает нулевое значение тока (момента) и минимальное значение скорости. При нажимании на педаль газа вначале увеличивается значение задания тока (момента) при постоянном (минимальном) задании скорости. После достижения уровня предельного уровня токоограничения дальнейшее нажатие на педаль газа увеличивает задание скорости.

Для исключения потери сцепления колес с покрытием дороги

(пробуксовки) СУВУ контролирует производную скорости колес при разгоне и при превышении заданной величины ограничивает уровень тока (момента), то есть обеспечивает антипробуксовочный режим.

Для повышения экономичности регулирования, обеспечения требуемой (управляемой) интенсивности торможения и устойчивости при интенсивном торможении СУВУ при уменьшении сигнала задания скорости и переходе привода в тормозной режим при начальном положении педали тормоза задает значение тормозного тока (момента): нулевое (режим свободного выбега) или определенное, наперед заданное (аналог торможения двигателем в автомобиле) и при нажатии на педаль тормоза увеличивает задание тормозного тока (момента). При этом СУВУ на основе информации о скорости колес контролирует интенсивность торможения «cвepxy» и при необходимости ограничивает величину тормозного момента либо формирует пульсирующую составляющую момента для предотвращения блокировки колес.

Целесообразно для повышения удобства управления и устойчивости использовать датчики поперечного ускорения, выходы которых подключаются к входам СУВУ, реализуя при этом функцию обеспечения курсовой устойчивости. Другие особенности и преимущества данного изобретения будут ясны из его последующего описания и чертежей, на которых изображены:

На фиг. 1 представлена электрическая схема предлагаемого ЭС без СУВУ.

На фиг. 2 изображен пример выполнения электрической схемы реверсивного преобразователя.

На фиг. 3 представлена функциональная схема предлагаемого ЭС с СУВУ.

На фиг. 4 представлены зависимости выходных сигналов СУВУ, задания скорости и момента от положения педали «гaзa».

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого ЭС, содержащего автономный (расположенный на борту ЭС) или связанный с внешним обратимым источник питания с зажимами 1 и 2, напряжение на которых измеряется датчиком напряжения, а ток измеряется датчиком тока. К зажимам 1 и 2 подключены: последовательно соединенные балластный резистор R (шунтированный обратным диодом D) и разрядный ключ PK; и реверсивные преобразователи ПP1 ...ПРi, обеспечивающие регулирование скорости и/или момента электродвигателей ЭД1...ЭДi, связанных с колесами ЭС через механическую передачу или без нее (мотор-колеса) - на схеме не показаны.

Схема содержит также суперконденсатор (CK), напряжение на котором измеряется датчиком 2ДH, CK подключен к выходным зажимам реверсивного преобразователя (РПР) 4 и 2, входные зажимы которого 3 и 2 подключены к зажимам 1 и 2 источника 1.

На фиг. 2 приведен пример реализации РПР на базе четырех транзисторных ключей K1...K4, зашунтированных обратными диодами DL..D4 и индуктивности L, ток которой измеряется датчиком 2ДT.

К системе управления (СУ) подключены выходы вышеперечисленных датчиков, в том числе и выход датчика скорости, связанного с одним из электродвигателей.

Выходы СУ подключены к управляющим входам РПР и PK.

Система управления верхнего уровня ЭС, связывающая сигналы датчика угла поворота руля, положения педалей газа (задания скорости и/или момента электродвигателя) и тормоза (задания момента торможения), ручного (стояночного) тормоза, переключателя режима (вперед, назад и т.п.) с ПP1...ПPi показана на схеме фиг. 3.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

По команде оператора (водителя) при повороте ключа зажигания СУ осуществляет заряд CK от источника 1 посредством РПР. Вначале изменением от нуля до единицы скважности (длительности подключения) транзистора K1 CK заряжается до напряжения источника 1. Затем при постоянно включенном транзисторе K1 изменением от нуля до максимального значения скважности ключа K4 CK заряжается до напряжения Uскмакс.

При пуске ЭС СУ контролирует ток обратимого источника 1 посредством датчика тока 1ДT и при трогании ЭС (момент которого определяется по сигналу датчика скорости) фиксирует уровень источника 1 , который соответствует статическому моменту ЭС. Начиная с этого момента (трогания) СУ начинает разряжать CK на ПP1...ПPi, поддерживая ток источника 1 на фиксированном уровне. Тем самым обеспечивается ограничение пускового тока источника 1.

При торможении ЭС и рекуперации энергии на выходе датчика тока 1ДT меняется полярность выходного сигнала. При превышении указанным сигналом заданного значения, соответствующего номинальному (допустимому) зарядному току обратимого источника питания (АБ) СУ начинает заряжать CK, поддерживая зарядный ток источника 1 на заданном уровне.

Величина напряжения на CK измеряется датчиком напряжения 2ДH.

Величина емкости CK выбирается из условия поглощения запаса кинетической энергии ЭС, соответствующей максимальной скорости и максимальной загрузке ЭС, т.е. максимального значения. При достижении допустимой величины напряжения на CK (Uскмакс) СУ прекращает зарядку CK. Если при этом процесс рекуперации не прекратился (т.е. процесс торможения не закончился) - например, затяжной спуск ЭС с горы, то при этом начинает расти напряжение на зажимах 1 и 2. СУ на основании сигнала 2ДH подает управляющие сигналы на разрядный ключ PK. При этом СУ осуществляет плавное изменение тока PK через балластный резистор R, который шунтирует источник (зажимы 1 и 2) и обеспечивает плавное ограничение напряжения на зажимах 1 и 2.

При недостаточном уровне напряжения на зажимах CK после окончания торможения СУ посредством РПР дозаряжает CK из источника 1.

Таким образом, в предлагаемом ЭТС обеспечивается предварительный заряд и, при необходимости, дозаряд CK до требуемого уровня напряжения при стоянке, разряд CK на нагрузку при разгоне ЭС, при этом обеспечивается ограничение тока источника питания на уровне статического тока (момента) ЭС. Благодаря РПР CK (при необходимости) разряжается до Uскмин, ниже напряжения источника питания 1. При движении с промежуточной скоростью (меньше максимальной скорости ЭС) в CK хранится запас энергии, достаточный для обеспечения пускового тока источника при необходимости разгона до максимальной скорости, и в CK сохраняется возможность приема (накопления) электроэнергии, рекуперируемой при торможении с промежуточной скорости до остановки.

Часть рекуперируемой энергии закачивается в обратимый источник энергии при соблюдении требований режима заряда источника энергии.

Предлагаемое устройство обеспечивает снижение потерь регулирования за счет повышения коэффициента использования рекуперируемой энергии, увеличение срока службы автономного обратимого источника питания (стоимость которого составляет значительную часть в стоимости всего ЭС) и снижение массогабаритных и стоимостных показателей CK за счет расширения диапазона изменения напряжения на зажимах CK и возврата части рекуперируемой энергии в обратимый источник питания при соблюдении условий режима заряда источника.

Предлагаемое устройство может быть использовано как в электромобилях с автономным источником питания, так и в городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро) с внешним (связанным) источником питания. В последнем случае свойство обратимости может быть реализовано посредством установки конденсаторной батареи на входе ЭС (зажимах 1 и 2). Исполнительные электродвигатели могут быть любого типа - постоянного или переменного тока.

Преобразователи должны обеспечивать работу электропривода во всех четырех квадрантах электромеханической характеристики и обладать свойством обратимости, т.е. осуществлять рекуперацию энергии при торможении.

В варианте, показанном на фигуре 3, ЭС содержит или подключено к источнику питания ИП (1), рекуператор энергии (2), орган задания скорости (момента) движения (педаль газа (3), орган задания момента торможения (педаль тормоза) (4), переключатель режима движения (вперед, назад, стоп) (5). В устройство введены обратимые преобразователи ПP1... ПP4 двигателей (6), связанных с колесами или встроенных в колеса (мотор- колеса) MK1...MK4 (7), датчик угла поворота руля (8) и система управления верхнего уровня (СУВУ) (9), причем упомянутые органы задания и режима вместе с датчиком угла поворота руля подключены ко входам СУВУ, а выходы СУВУ подключены к управляющим входам преобразователей ПP1...ПP4.

Источник питания (ИП) может быть реализован аккумуляторной батареей (АБ) и/или электрохимическим генератором на базе топливных элементов. Возможно также использование системы двигатель внутреннего сгорания - генератор, которая в сочетании с АБ образует так называемую комбинированную энергоустановку (КЭУ). ИП может быть внешним, как у троллейбуса.

Рекуператор - узел, содержащий накопители электроэнергии, например, суперконденсаторы, обеспечивающий прием энергии, вырабатываемой электродвигателями при торможении (рекуперации); хранение и возврат энергии в силовую цепь при разгоне и движении ЭС по команде СУВУ, описан выше.

Преобразователи ПP1...ПP4 обеспечивают регулирование скорости и/или момента приводных двигателей MK1...MK4 в соответствии с заданием СУВУ. Преобразователи обладают свойством обратимости - при работе двигателей в тормозном (генераторном) режиме осуществляют возврат энергии в питающую сеть.

Исполнительные двигатели MK1...MK4 могут быть различного исполнения - постоянного или переменного тока, коллекторные или бесколлекторные. В частности, могут быть использованы обращенные синхронные трехфазные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов ( у которых ротор - наружная вращающаяся часть, а статор - внутренняя неподвижная часть), встроенные в колесо (мотор-колесо).

На фигуре 4 представлена зависимость выходных сигналов СУВУ, задания скорости ω и тока (момента) I(M) от положения педали F _ra3 a- При стоящем ЭС и начальном положении педали газа СУВУ задает ω _мин и нулевой уровень тока (момента). При нажатии на педаль газа оператор (водитель) задает момент, развиваемый MK. При достижении текущим (задаваемым) моментом значения статического момента сопротивления ЭС трогается и разгоняется с динамическим моментом, определяемым разностью задаваемого и статического моментов, т.е. определяемым оператором. По мере разгона ЭС при достижении текущим значением скорости уровня ω _MИн ЭП работает в системе поддержания заданного значения скорости, а момент в ЭП ограничен на уровне M _пpe д- Таким образом, обеспечивается пуск (трогание) ЭС с интенсивность, определяемой водителем.

При уменьшении величины задания скорости (или при полном отпускании педали газа) ЭП переходит в тормозной режим с минимальным (или нулевым) моментом торможения (свободный выбег). Наличие или величина минимального тормозного момента в этом режиме выставляется заранее из удобства (привычки) водителя - аналог «тopмoжeния двигателем в aвтoмoбилe».

Для увеличения тормозного момента водитель нажимает на педаль тормоза, задавая требуемую величину и обеспечивая требуемую интенсивность торможения. СУВУ на основании информации о скорости MK отслеживает динамику процесса торможения и при необходимости ограничивает величину тормозного момента, обеспечивая антиблокировочный режим.

Аналогичным способом, контролируя интенсивность разгона, СУВУ обеспечивает антипробуксовочный режим, ограничивая величину двигательного момента.

При установке датчиков поперечного ускорения СУВУ в состоянии при наличии требуемого программного обеспечения обеспечить также и систему курсовой устойчивости. Но в отличие от реализации указанных режимов на известных транспортных средствах в предлагаемом ЭС указанные режимы обеспечиваются только электрическим способом - ограничением величин двигательного и/или тормозного моментов каждого колеса индивидуально, что при обеспечении режима рекуперации значительно повышает экономичность регулирования и повышает дальность пробега ЭС на одной зарядке аккумуляторных батарей.