Система электропитания для транспортного средства с улучшенным энергетическим кпд и транспортное средство, содержащее такую систему электропитания - RU2340475C2
Код документа: RU2340475C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе электропитания для транспортного средства и к транспортному средству, содержащему такую систему, а более конкретно - к системе электропитания для транспортного средства, использующей матричный преобразователь, выполняющий преобразование "переменный ток - переменный ток", а также к транспортному средству, содержащему такую систему электропитания.
Уровень техники
При растущем интересе к проблемам энергосбережения и охраны окружающей среды большое внимание уделяется гибридному транспортному средству. Гибридное транспортное средство уже используется на практике и производится в промышленном масштабе.
Гибридное транспортное средство является транспортным средством, имеющим электропитание постоянного тока, инвертор и двигатель, запускаемый инвертором как источником электропитания, в дополнение к двигателю, являющемуся обычным двигателем внутреннего сгорания. То есть гибридное транспортное средство получает механический источник питания не только в результате запуска двигателя, но и в результате преобразования напряжения постоянного тока от электропитания постоянного тока в напряжение переменного тока, используя инвертор, чтобы вращать двигатель, питаемый полученным, в результате, напряжением переменного тока.
В японской выложенной заявке на патент №2002-374604 раскрыта конфигурация гибридного транспортного средства. Согласно этой конфигурации гибридное транспортное средство содержит электродвигатель-генератор для выработки энергии и электродвигатель-генератор для запуска. Электродвигатель-генератор для выработки энергии вырабатывает электрическую энергию, используя часть механической энергии от двигателя, и выработанная электрическая энергия используется, в свою очередь, в электродвигателе-генераторе для запуска. Колеса получают механическую энергию от двигателя и электродвигателя-генератора для вращения.
В гибридном транспортном средстве имеется потребность использовать энергию, выработанную электродвигателем-генератором, установленным на транспортном средстве, для вырабатывания энергии в качестве источника промышленного электропитания. То есть гибридное транспортное средство используется в качестве источника промышленного электропитания, если такой источник промышленного электропитания отсутствует, например, в условиях кемпинга или в случае аварии в сети питания.
С другой стороны, имеется также потребность запитать гибридное транспортное средство электрической энергией от внешнего промышленного источника электропитания. То есть потребность в том, чтобы батарея, хотя электрическая энергия может быть выработана генератором, используя механическую энергию от двигателя, выполняющего функцию источника электропитания постоянного тока, заряжалась от внешнего источника промышленного электропитания, чтобы обеспечить возможность использования электрического устройства в транспортном средстве без работы двигателя.
В японских выложенных заявках на патент №№2002-374604 и 2000-278808 раскрыто транспортное средство, содержащее сетевую розетку для 100 В переменного тока. Кроме того, в следующих документах также раскрыт уровень техники: в японской патентной публикации №2002-534050 и статье Patrick W. Wheeler et al., "Matrix Converters: A Technology Review" ("Матричные преобразователи: Обзор") в журнале "IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS" ("Труды Американского института инженеров-электриков и электроников в области промышленной электроники") апрель 2002 г., том 49, №2, стр.276-288.
На фиг.9 показана передача энергии в известном гибридном транспортном средстве.
Известное гибридное транспортное средство содержит двигатель 502 (фиг.9), электродвигатель-генератор MG1, инвертор 537, подсоединенный к электродвигателю-генератору MG1, электродвигатель-генератор MG2 и инвертор 536, подсоединенный к электродвигателю-генератору MG2.
Гибридное транспортное средство содержит батарею 512, конденсатор С501, стабилизирующий напряжение, приложенное к противоположным выводам батареи, планетарную передачу 516, подсоединенную к двигателю 502 и электродвигателям-генераторам MG1 и MG2, и шину 520 колеса, запускаемого планетарной передачей 516.
Планетарная передача 516 подсоединена к электродвигателям-генераторам MG1 и MG2 и двигателю 502 и служит в качестве устройства деления энергии, разделяющего механическую энергию между этими тремя устройствами.
В нормальном рабочем состоянии, хотя энергия, выработанная в результате вращения двигателя 502, частично передается для привода шины колеса (показано стрелкой Р3), энергия используется, главным образом, для вращения электродвигателя-генератора MG1 (показано стрелкой Р1), чтобы вырабатывать энергию.
Электроэнергия трехфазного переменного тока, выработанная электродвигателем-генератором MG1, преобразуется однократно в энергию постоянного тока посредством инвертора 537. Выход электроэнергии постоянного тока от инвертора 537 накапливается в батарее 512 или в конденсаторе С501. Инвертор 537 принимает, между прочим, электроэнергию постоянного тока от батареи 512 и конденсатора С501 и запускает электродвигатель-генератор MG2. Энергия вращения от электродвигателя-генератора MG2 запускает шину 520 колеса (показано стрелкой Р2).
Другими словами, в известном гибридном транспортном средстве наибольшая энергия передается от двигателя к электродвигателю-генератору MG1. Затем выработанная энергия преобразуется из переменного тока в постоянный ток и преобразуется вновь из постоянного тока в переменный ток посредством инвертора 536 и, наконец, превращается в механическую энергию в электродвигателе-генераторе MG2.
Таким образом, траектория для передачи энергии от электродвигателя-генератора MG1 через инверторы 537, 536 к электродвигателю-генератору MG2 проходит через инвертор дважды, что, в результате, приводит к низкому кпд преобразования энергии. Кроме того, когда электроэнергия, выработанная электродвигателем-генератором MG1, преобразуется в постоянный ток посредством инвертора 537, электроэнергия однократно накапливается в батарее 512 или конденсаторе С501, что в каждом случае обусловливает проблему срока службы батареи и необходимости иметь сравнительно большой конденсатор.
В выложенной заявке на патент Японии №2002-374604 предложен дополнительный преобразователь энергии, выделенный для 100 В переменного тока, чтобы выдавать на выходе 100 В переменного тока от транспортного средства. То есть имеется недостаток, заключающийся в том, что должен быть предусмотрен дополнительный преобразователь энергии, чтобы образовать на выходе гибридного транспортного средства источник промышленного электропитания 100 В переменного тока.
Краткое изложение существа изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание системы электропитания для транспортного средства с улучшенным энергетическим кпд, а также транспортного средства, содержащего такую систему.
Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания системы электропитания для транспортного средства, которая содержит первую вращающуюся электрическую машину, способную вырабатывать первую электроэнергию m-фазного переменного тока после приема механической энергии от двигателя внутреннего сгорания, где m представляет натуральное число не менее 3, вторую вращающуюся электрическую машину, приводящую в движение колесо после приема второй электроэнергии m-фазного переменного тока, равной первой электроэнергии m-фазного переменного тока в ряде фаз, и матричный преобразователь, преобразующий первую электроэнергию m-фазного переменного тока и выдающий на выходе полученную, в результате, электроэнергию переменного тока как, по меньшей мере, часть второй электроэнергии m-фазного переменного тока. Матричный преобразователь содержит (m×m) переключающих элементов, подсоединенных между каждым из выходов m-фазы первой вращающейся электрической машины и каждым из входов m-фазы второй вращающейся электрической машины.
Система электропитания для транспортного средства предпочтительно дополнительно содержит батарею и инвертор, преобразующий электропитание постоянного тока, полученное от батареи, и выдающий на выходе полученную, в результате, энергию как, по меньшей мере, часть второй электроэнергии m-фазного переменного тока.
Система электропитания для транспортного средства предпочтительно дополнительно содержит первый переключатель для электрического соединения батареи с инвертором и блок управления для управления преобразованием энергии посредством матричного преобразователя и для управления размыканием и замыканием первого переключателя при преобразовании энергии посредством матричного преобразователя.
Система электропитания для транспортного средства предпочтительно дополнительно содержит блок управления для управления преобразованием энергии посредством матричного преобразователя и для управления инвертором при преобразовании энергии посредством матричного преобразователя.
Переключающий элемент предпочтительно содержит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) типа обратного запирания.
Система электропитания для транспортного средства предпочтительно дополнительно содержит второй переключатель для электрического соединения матричного преобразователя со второй вращающейся электрической машиной и розетку, подсоединенную между вторым переключателем и матричным преобразователем и обеспечивающую на выходе электроэнергию однофазного переменного тока.
Система электропитания для транспортного средства предпочтительно дополнительно содержит третий переключатель для электрического соединения матричного преобразователя с первой вращающейся электрической машиной и розетку, подсоединенную между третьим переключателем и матричным преобразователем и обеспечивающую прием электроэнергии однофазного переменного тока за пределами транспортного средства.
Транспортное средство согласно изобретению содержит систему электропитания. Система электропитания для транспортного средства содержит первую вращающуюся электрическую машину, предназначенную для генерирования первой электроэнергии m-фазного переменного тока после приема механической энергии от двигателя внутреннего сгорания, где m представляет натуральное число не менее 3, вторую вращающуюся электрическую машину, приводящую в движение колесо после приема второй электроэнергии m-фазного переменного тока, равной первой электроэнергии m-фазного переменного тока в ряде фаз, и матричный преобразователь для преобразования первой электроэнергии m-фазного переменного тока и выдачи на выходе полученной, в результате, электроэнергии переменного тока как, по меньшей мере, части второй электроэнергии m-фазного переменного тока. Матричный преобразователь содержит (m×m) переключающих элементов, подсоединенных между каждым из выходов m-фазы первой вращающейся электрической машины и каждым из входов m-фазы второй вращающейся электрической машины.
Система электропитания для транспортного средства предпочтительно дополнительно содержит батарею и инвертор для преобразования электропитания постоянного тока, полученного от батареи, и выдачи на выходе полученной, в результате, энергии, по меньшей мере, как части второй электроэнергии m-фазного переменного тока.
Система электропитания для транспортного средства предпочтительно дополнительно содержит первый переключатель для электрического соединения батареи с инвертором и блок управления для управления преобразованием энергии посредством матричного преобразователя и управления размыканием и замыканием первого переключателя при преобразовании энергии посредством матричного преобразователя.
Система электропитания для транспортного средства предпочтительно дополнительно содержит блок управления для управления преобразованием энергии посредством матричного преобразователя и для управления инвертором при преобразовании энергии посредством матричного преобразователя.
Переключающий элемент предпочтительно содержит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) типа обратного запирания.
Система электропитания для транспортного средства предпочтительно дополнительно содержит второй переключатель для электрического соединения матричного преобразователя со второй вращающейся электрической машиной и розетку, подсоединенную между вторым переключателем и матричным преобразователем и обеспечивающую на выходе электроэнергию однофазного переменного тока.
Система электропитания для транспортного средства предпочтительно дополнительно содержит третий переключатель для электрического соединения матричного преобразователя с первой вращающейся электрической машиной и розетку, подсоединенную между третьим переключателем и матричным преобразователем и обеспечивающую прием электроэнергии однофазного переменного тока за пределами транспортного средства.
Поэтому главным преимуществом настоящего изобретения является то, что потеря энергии может быть снижена, так как передача и прием энергии между двумя вращающимися электрическими машинами являются непосредственными.
Кроме того, другим преимуществом настоящего изобретения является то, что транспортное средство может иметь меньшие габариты из-за того, что нет необходимости в установке выделенного преобразователя энергии.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает конфигурацию гибридного транспортного средства согласно первому варианту воплощения изобретения;
Фиг.2 - принципиальную электрическую схему системы электропитания для транспортного средства согласно изобретению;
Фиг.3 - принципиальную схему первого варианта переключающего элемента SWA, использованного в матричном преобразователе, согласно изобретению;
Фиг.4 - принципиальную схему переключающего элемента SWB, представляющего второй вариант переключающего элемента, согласно изобретению;
Фиг.5 - принципиальную схему переключающего элемента SWC, представляющего третий вариант переключающего элемента, согласно изобретению;
Фиг.6 - принципиальную схему переключающего элемента SWD, представляющего четвертый вариант переключающего элемента, согласно изобретению;
Фиг.7 - принципиальную электрическую схему системы электропитания для транспортного средства, показанной на фиг.2, согласно изобретению;
Фиг.8 - принципиальную электрическую схему системы электропитания для транспортного средства согласно второму варианту воплощения изобретения;
Фиг.9 - схему передачи энергии в известном гибридном транспортном средстве.
Описание предпочтительных вариантов реализации изобретения
Первый вариант воплощения изобретения
Гибридное транспортное средство 1 (фиг.1) содержит передние колеса 20R, 20L, задние колеса 22R, 22L, планетарную передачу 16, систему 14 электропитания для транспортного средства, дифференциал 18 и шестерни 4, 6.
Система 14 электропитания для транспортного средства содержит батарею 12, размещенную сзади транспортного средства, блок 32 усилителя для усиления выхода электроэнергии постоянного тока от батареи 12, инвертор 36, передающий/принимающий электроэнергию постоянного тока к/от блока 32 усилителя, электродвигатель-генератор MG1, вырабатывающий электроэнергию после приема механической энергии от двигателя 2 через планетарную передачу 16, электродвигатель-генератор MG2, имеющий поворотный вал, подсоединенный к планетарной передаче 16, и матричный преобразователь 38, подсоединенный к электродвигателям-генераторам MG1, MG2 и инвертору 36 и выполняющий преобразование "переменный ток - переменный ток".
Планетарная передача 16 имеет первый-третий поворотные валы. Первый поворотный вал подсоединен к двигателю 2, второй поворотный вал подсоединен к электродвигателю-генератору MG1, и третий поворотный вал подсоединен к электродвигателю-генератору MG2.
Шестерня 4 прикреплена к третьему поворотному валу и обеспечивает передачу механической энергии к дифференциалу 18 посредством ведущей шестерни 6. Дифференциал 18 передает механическую энергию, принятую от шестерни 6, к передним колесам 20R, 20L и передает энергию вращения передних колес 20R, 20L к третьему поворотному валу планетарной передачи через шестерни 6 и 4.
Планетарная передача 16 предназначена для деления механической энергии между двигателем 2 и электродвигателями-генераторами MG1, MG2. То есть, если устанавливается вращение двух поворотных валов из трех поворотных валов планетарной передачи 16, автоматически устанавливается вращение одного оставшегося вала. Поэтому, тогда как двигатель работает в диапазоне, обеспечивающем самый высокий кпд, управляют количеством энергии, выработанной от электродвигателя-генератора MG1, и запускается электродвигатель-генератор MG2. Таким образом управляют скоростью двигателя, и реализуется, в целом, транспортное средство, обеспечивающее получение высокого энергетического кпд.
Батарея 12, выполняющая функцию электропитания постоянного тока, реализована в виде вторичной батареи, такой как батарея никель-металл-гидридных аккумуляторов или литий-ионная батарея. Батарея 12 подает на блок 32 усилителя электропитание постоянного тока и заряжается постоянным током от блока 32 усилителя.
Блок 32 усилителя усиливает напряжение постоянного тока, принятое от батареи 12, и подает усиленное напряжение постоянного тока к инвертору 36. Инвертор 36 преобразует поданное напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока и управляет приводом электродвигателя-генератора MG1 в момент запуска двигателя. После запуска двигателя энергия переменного тока, выработанная электродвигателем-генератором MG1, преобразуется в постоянный ток посредством инвертора 36 и затем в напряжение, требуемое для зарядки батареи 12 посредством блока 32 усилителя, в результате чего заряжается батарея 12.
Энергия трехфазного переменного тока, генерируемая MG1, передается к электродвигателю-генератору MG2 через матричный преобразователь 38. Электродвигатель-генератор MG2 помогает двигателю 2 вращать передние колеса 20R, 20L.
На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема системы 14 электропитания для транспортного средства по фиг.1.
Система 14 электропитания для транспортного средства содержит блок 32 усилителя, инвертор 36, матричный преобразователь 38, блок 40 управления, датчики 42-46 напряжения, контроллер 48, конденсаторы С1, С2, резистор R, линии L1, L2, L4 электропитания, переключатель S1, линию L3 "земли", линии LU1, LU2 U-фазы, линии LV1, LV2 V-фазы и линии LW1, LW2 W-фазы.
Электродвигатель-генератор MG1 выполняет функцию синхронного электродвигателя-генератора трехфазного переменного тока и подсоединен к линиям LU1, LV1 и LW1 U-фазы, V-фазы и W-фазы. Когда запускается двигатель 2, электродвигатель-генератор MG1 генерирует движущую силу с помощью энергии переменного тока, полученной от U-фазы, V-фазы и W-фазы линий LU1, LV1 и LW1. После запуска двигателя 2 электродвигатель-генератор MG1 получает механическую энергию от двигателя 2 через планетарную передачу 16 и преобразует механическую энергию в энергию переменного тока. После этого электродвигатель-генератор MG1 выдает на выходе полученную энергию переменного тока к линиям LU1, LV1 и LW1 U-фазы, V-фазы и W-фазы.
Электродвигатель-генератор MG2 выполняет функцию синхронного электродвигателя трехфазного переменного тока и подсоединен к линиям LU2, LV2 и LW2 U-фазы, V-фазы и W-фазы. Электродвигатель-генератор MG2 генерирует движущую силу с помощью энергии переменного тока, принятой от линий LU2, LV2 и LW2 U-фазы, V-фазы и W-фазы. Электродвигатель-генератор MG2 выполняет рекуперативное торможение при замедлении. То есть электродвигатель-генератор MG2 преобразует механическую энергию от шины колеса в электрическую энергию и генерирует на выходе электрическую энергию к линиям LU2, LV2 и LW2 U-фазы, V-фазы и W-фазы.
Следует заметить, что электродвигатели-генераторы MG1 и MG2 содержат датчики 50 и 52 для определения соответствующего повернутого положения MG1 и MG2.
Блок 32 усилителя содержит элементы Q11, Q12 биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ), диоды D11, D12 и катушку L индуктивности.
Элементы Q11, Q12 биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) подсоединены последовательно между линией L2 электропитания и линией L3 "земли" и принимают управляющий сигнал от блока 40 управления на каждом затворе. Диод D11 подсоединен между коллектором и эмиттером элемента Q11 БТИЗ, так что направление от эмиттера к коллектору является прямым направлением. Диод D12 подсоединен между коллектором и эмиттером элемента Q12 БТИЗ, так что направление от эмиттера к коллектору является прямым направлением.
Линия L1 электропитания подсоединена к положительному электроду батареи 12. Катушка L индуктивности имеет один конец, подсоединенный к линии L1 электропитания. Катушка L индуктивности имеет другой конец, подсоединенный к эмиттеру элемента Q11 БТИЗ и коллектору элемента Q12 БТИЗ.
Катушка L индуктивности накапливает ток, протекающий через обмотку в соответствии с операцией переключения элемента Q12 БТИЗ, в качестве энергии магнитного поля, чтобы усилить напряжение постоянного тока от батареи 12. Усиленное напряжение постоянного тока подается к линии L2 электропитания через диод D11 синхронно с моментом выключения элемента Q12 БТИЗ.
Блок 32 усилителя усиливает таким образом напряжение постоянного тока, принятое от батареи 12 на основании управляющего сигнала от блока 40 управления, и подает усиленное напряжение к линии L2 электропитания. С другой стороны, блок 32 усилителя снижает напряжение постоянного тока, принятое от инвертора 36, до уровня, пригодного для напряжения зарядки, чтобы зарядить батарею 12.
Конденсатор С1 подсоединен между линией L1 электропитания и линией L3 "земли" и снижает влияние на батарею 12 и блок 32 усиления воздействий флуктуации напряжения.
Переключатель S1 подключен между линией L4 электропитания и линией L2 электропитания, при этом включением/выключением переключателя S1 управляют с помощью блока 40 управления.
Инвертор 36 содержит плечо 36U U-фазы, плечо 36V V-фазы и плечо 36W W-фазы, подсоединенные параллельно между линией L4 электропитания и линией L3 "земли".
Плечо 36U U-фазы содержит элементы Q31, Q32 БТИЗ, подсоединенные последовательно между линией L4 электропитания и линией L3 "земли", диод D31, подсоединенный параллельно, так, чтобы направление от эмиттера к коллектору элемента Q31 БТИЗ было прямым направлением, и диод D32, подсоединенный параллельно, так, чтобы направление от эмиттера к коллектору элемента Q32 БТИЗ было прямым направлением.
Плечо 36V V-фазы содержит элементы Q33, Q34 БТИЗ, подсоединенные последовательно между линией L4 электропитания и линией L3 "земли", диод D33, подсоединенный параллельно, чтобы направление от эмиттера к коллектору элемента Q33 БТИЗ было прямым направлением, и диод D34, подсоединенный параллельно, так, чтобы направление от эмиттера к коллектору элемента Q34 БТИЗ было прямым направлением.
Плечо 36W W-фазы содержит элементы Q35, Q36 БТИЗ, подсоединенные последовательно между линией L4 электропитания и линией L3 "земли", диод D35, подсоединенный параллельно, чтобы направление от эмиттера к коллектору элемента Q35 БТИЗ было прямым направлением, и диод D36, подсоединенный параллельно, чтобы направление от эмиттера к коллектору элемента Q36 БТИЗ было прямым направлением.
Линия LU2 подсоединена между точкой разветвления элементов Q31, Q32 БТИЗ плеча 36U U-фазы и одним концом обмотки U-фазы электродвигателя-генератора MG2. Линия LV2 подсоединена между точкой разветвления элементов Q33, Q34 БТИЗ плеча 36V V-фазы и одним концом обмотки V-фазы электродвигателя-генератора MG2. Линия LW2 подсоединена между точкой разветвления элементов Q35, Q36 БТИЗ плеча 36W W-фазы и одним концом обмотки W-фазы электродвигателя-генератора MG2. Другие концы U-фазы, V-фазы и W-фазы обмоток электродвигателя-генератора связаны с нейтральной точкой.
Инвертор 36 преобразует напряжение постоянного тока, принятое от линии L4 электропитания, в напряжение переменного тока по управляющему сигналу от блока 40 управления и выдает напряжение переменного тока к линиям LU2, LV2 и LW2 U-фазы, V-фазы и W-фазы.
Конденсатор С2 подсоединен между линией L2 электропитания и линией L3 "земли" и снижает влияние на инвертор 36 и блок 32 усилителя воздействий флуктуации напряжения. Резистор R выполняет функцию разрядного резистора, подсоединенного между линией L2 электропитания и линией L3 "земли".
Матричный преобразователь 38 содержит двунаправленные переключающие элементы SAa-SAc, SBa-SBc и SCa-SCc и линии электропитания LA-LC и La-Lc.
Линии LA-LC электропитания подсоединены соответственно к линии LU2 U-фазы, линии LV2 V-фазы, линии LW2 W-фазы инвертора 36. Линии La-Lc электропитания подсоединены соответственно к линии LU1 U-фазы, линии LV1 V-фазы и линии LW1 W-фазы, подсоединенным соответственно к электродвигателю-генератору MG1.
Другими словами, матричный преобразователь содержит (3×3) переключающих элементов SAa-SAc, SBa-SBc и SCa-SCc, подсоединенных между линиями La-Lc электропитания, служащими трехфазными выходами электродвигателя-генератора MG1, и линиями LA-LC электропитания, соответственно, служащими трехфазными выходами электродвигателя-генератора MG2.
Более конкретно, девять переключающих элементов SAa-SAc, SBa-SBc и SCa-SCc образуют матрицу, состоящую из трех рядов и трех столбцов. Двунаправленный переключающий элемент SAa подсоединен между линией LA электропитания и линией La электропитания. Двунаправленный переключающий элемент SBa подсоединен между линией LB электропитания и линией La электропитания. Двунаправленный переключающий элемент SCa подсоединен между линией LC электропитания и линией La электропитания.
Двунаправленный переключающий элемент SAb подсоединен между линией LA электропитания и линией Lb электропитания. Двунаправленный переключающий элемент SBb подсоединен между линией LB электропитания и линией Lb электропитания. Двунаправленный переключающий элемент SCb подсоединен между линией LC электропитания и линией Lb электропитания.
Двунаправленный переключающий элемент SAc подсоединен между линией LA электропитания и линией Lc электропитания. Двунаправленный переключающий элемент SBc подсоединен между линией LB электропитания и линией Lc электропитания. Двунаправленный переключающий элемент SCc подсоединен между линией LC электропитания и линией Lc электропитания.
Каждый из двунаправленных переключающих элементов выполняет операцию переключения в ответ на сигнал управления из блока 40 управления. Когда включен двунаправленный переключающий элемент, двунаправленный ток получает возможность протекать между соответствующими двумя линиями электропитания. Кроме того, когда выключен каждый из двунаправленных переключающих элементов, он электрически изолирует одну от другой две соответствующие линии электропитания.
Матричный преобразователь выполняет функцию преобразования энергии, выполняя прямое преобразование переменного тока в переменный ток, имеющий другую частоту. Используя ШИМ (широтно-импульсную модуляцию) и двунаправленный переключатель, можно генерировать энергию синусоидального переменного тока любой частоты.
Что касается характеристик схемы, в которой используется матричный преобразователь, вначале не требуется элемент накопления энергии, такой как сглаживающий конденсатор постоянного тока, так как преобразование энергии выполняется без постоянного тока.
Во-вторых, если сравнивать с примером, в котором переменный ток однократно преобразуется в постоянный ток с помощью инвертора, а полученный в результате постоянный ток преобразуется в переменный ток с помощью другого инвертора, размер отдельного переключающего элемента может быть меньше, несмотря на рост числа переключающих элементов. В целом, может быть получена система электропитания для транспортного средства небольшого размера и большой мощности.
Хотя не представлено подробное описание, был предложен ряд решений для управления ШИМ (3×3) матричным преобразователем, например в публикации Патрика В. Уиллера и др. раскрыто управление ШИМ.
Матричный преобразователь 38 преобразует напряжение трехфазного переменного тока от электродвигателя-генератора MG1 непосредственно в напряжение трехфазного переменного тока для запуска электродвигателя-генератора MG2 и выдает на выходе полученное напряжение трехфазного переменного тока без выпрямления в напряжение трехфазного переменного тока, генерируемого электродвигателем-генератором MG1 в напряжение постоянного тока, как в примере, использующем известный инвертор трехфазного двухполупериодного выпрямления.
Когда напряжение, генерируемое электродвигателем-генератором MG1, передается к электродвигателю-генератору MG2, блок 40 управления устанавливает переключатель S1 в выключенное положение.
Когда напряжение от батареи 12 и напряжение, генерируемое электродвигателем-генератором MG1, используются для запуска электродвигателя-генератора MG2, управляют положениями "включен" и "выключен" переключателя S1 в режиме разделения времени.
В момент времени, когда напряжение, генерируемое электродвигателем-генератором MG1, передается к электродвигателю-генератору MG2, управляют переключателем S1 для достижения положения "выключен", и работой инвертора 36 управляют для достижения состояния "остановлен". Затем переключающий элемент внутри матричного преобразователя 38 подвергают соответствующему управлению ШИМ, чтобы генерировать напряжение для запуска электродвигателя-генератора MG2.
С другой стороны, в момент времени, когда напряжение от батареи 12 передается к электродвигателю-генератору, управляют переключателем S1 для достижения положения "включен", при этом напряжение постоянного тока от батареи 12 усиливается блоком 32 усилителя и преобразуется в напряжение трехфазного переменного тока с помощью инвертора 36, которое, в свою очередь, используется для запуска электродвигателя-генератора MG2. В данном случае всеми переключающими элементами в матричном преобразователе 38 управляют для достижения положения "выключен".
В системе 14 электропитания для транспортного средства передача и прием электропитания трехфазного переменного тока между электродвигателями-генераторами MG1 и MG2 могут быть выполнены непосредственно с помощью матричного преобразователя 38. Поэтому потеря энергии может быть снижена по сравнению с известным примером, в котором напряжение трехфазного переменного тока однократно преобразуется в напряжение постоянного тока.
На фиг.3-6 представлены принципиальные схемы, показывающие примеры выполнения переключающего элемента, использованного в матричном преобразователе.
Как показано на фиг.3, переключающий элемент SWA содержит элемент 62 БТИЗ, имеющий эмиттер, подсоединенный к клемме X, и коллектор, подсоединенный к клемме Y, и элемент 64 БТИЗ, имеющий эмиттер, подсоединенный к клемме Y, и коллектор, подсоединенный к клемме X. Оба элемента 62, 64 БТИЗ представляют элементы БТИЗ с функцией обратного запирания. Элемент БТИЗ с функцией обратного запирания имеет выдерживаемое напряжение, достаточное, чтобы выдержать обратное напряжение, и этот элемент недавно привлек к себе большое внимание.
Переключающий элемент SWA используется в качестве переключающих элементов SAa-SAc, SBa-SBc и SCa-SCc. Блок 40 управления управляет элементами 62, 64 БТИЗ, так что они достигают электрически соединенного положения посредством активации затворов элементов 62, 64 БТИЗ. Если на клемме Y напряжение больше, чем на клемме X, ток потечет через элемент 62 БТИЗ. Хотя к элементу 64 БТИЗ приложено обратное напряжение, ток не потечет через элемент 64 БТИЗ, так как он является элементом БТИЗ типа обратного запирания.
С другой стороны, если на клемме X напряжение больше, чем на клемме Y, ток потечет через элемент 64 БТИЗ. Хотя к элементу 62 БТИЗ приложено обратное напряжение, ток не потечет через элемент 62 БТИЗ, так как он является элементом БТИЗ типа обратного запирания. Таким образом, переключающий элемент SWA работает, как двунаправленный переключающий элемент.
На фиг.4 представлена схема переключающего элемента SWB, представляющего второй пример переключающего элемента.
Переключающий элемент SWA содержит элемент 72 БТИЗ, имеющий эмиттер, подсоединенный к узлу N1, и коллектор, подсоединенный к клемме Y, диод 73, подсоединенный между узлом N1 и клеммой X, так что направление от узла N1 к клемме X является прямым направлением, элемент 74 БТИЗ, имеющий коллектор, подсоединенный к клемме X, и эмиттер, подсоединенный к узлу N1, и диод 75, подсоединенный между узлом N1 и клеммой Y, так что направление от узла N1 к клемме Y является прямым направлением.
Переключающий элемент SWB обеспечивает возможность двунаправленного протекания тока, когда активированы оба затвора элементов 72, 74 БТИЗ.
То есть, если на клемме Y напряжение больше, чем на клемме X, ток потечет от клеммы Y к клемме X через элемент 72 БТИЗ и диод 73. С другой стороны, если на клемме X напряжение больше, чем на клемме Y, ток потечет от клеммы X к клемме Y через элемент 74 БТИЗ и диод 75.
Так как в эту конфигурацию включены диоды 73 и 75, элементы 72, 74 БТИЗ не должны быть элементами БТИЗ с функцией обратного запирания, как показано на фиг.3. Если не используется элемент БТИЗ с функцией обратного запирания, обратный ток не может быть заперт даже в случае, если затвор не является активированным в течение периода времени, когда приложено обратное напряжение к противоположным концам.
Если на клемме Y напряжение станет больше, чем на клемме X, прямое напряжение будет приложено к элементу 72 БТИЗ. Поэтому, когда не активирован затвор элемента 72 БТИЗ, ток не потечет через элемент 72 БТИЗ. Кроме того, так как обратное напряжение приложено к диоду 75, ток не потечет через него. Поэтому ток от клеммы Y к узлу N1 может быть заперт.
С другой стороны, если на клемме X напряжение станет больше, чем на клемме Y, будет приложено прямое напряжение к элементу 74 БТИЗ. Поэтому, когда не активирован затвор элемента 74 БТИЗ, ток не потечет через элемент 74 БТИЗ. Кроме того, так как обратное напряжение приложено к диоду 73, ток не потечет через него. Поэтому ток от клеммы X к узлу N1 может быть заперт.
Как описано выше, переключающий элемент SWB может быть использован в качестве двунаправленного переключателя.
На фиг.5 представлен третий пример переключающего элемента SWC.
Переключающий элемент SWC содержит элемент 82 БТИЗ, имеющий коллектор, подсоединенный к клемме Y, и эмиттер, подсоединенный к узлу N2, диод 83, подсоединенный между узлом N2 и клеммой X, так что направление от узла N2 к клемме X является прямым направлением, элемент 84 БТИЗ, имеющий эмиттер, подсоединенный к узлу N2A, и коллектор, подсоединенный к клемме X, и диод 85, подсоединенный между узлом N2А и клеммой Y, так что направление от узла N2А к клемме Y является прямым направлением.
Переключающий элемент SWC может быть также использован в качестве двунаправленного переключателя способом, аналогичным способу использования переключающего элемента SWB, показанного на фиг.4.
На фиг.6 показан четвертый пример переключающего элемента SWD.
Переключающий элемент SWD содержит диод 92, подсоединенный между клеммой X и узлом N3, так что направление от клеммы X к узлу N3 является прямым направлением, и диод 93, подсоединенный между клеммой Y и узлом N3, так что направление от клеммы Y к узлу N3 является прямым направлением.
Переключающий элемент SWD дополнительно содержит диод 94, подсоединенный между клеммой X и узлом N4, так что направление от узла N4 к клемме X является прямым направлением, диод 95, подсоединенный между клеммой Y и узлом N4, так что направление от узла N4 к клемме Y является прямым направлением, и элемент 91 БТИЗ, имеющий коллектор, подсоединенный к узлу N3, и эмиттер, подсоединенный к узлу N4.
Когда активируется затвор элемента 91 БТИЗ и если на клемме X напряжение более высокое, чем на клемме Y, образуется траектория, по которой потечет ток последовательно через диод 92, элемент 91 БТИЗ и диод 95. С другой стороны, если на клемме Y напряжение более высокое, чем на клемме X, образуется траектория, по которой потечет ток последовательно через диод 93, элемент 91 БТИЗ и диод 94.
В вышеприведенном примере ток всегда течет в направлении от узла N3 к узлу N4. То есть потенциал всегда выше на узле N3, чем на узле N4. Поэтому, если не активирован затвор элемента 91 БТИЗ в этот момент времени, клемма X и клемма Y электрически изолированы одна от другой.
Матричный преобразователь 38 согласно настоящему изобретению может быть реализован любым из переключающих элементов, показанных в качестве примера на фиг.3-6. Однако, если используется элемент БТИЗ с функцией обратного запирания (фиг.3), диод не представлен на траектории, по которой протекает ток. Поэтому такой пример достигает более высокого кпд, чем кпд в примере, в котором используется другой переключающий элемент, и превышает его на величину тепловой потери, вызванной прохождением тока через диод. Следовательно, предпочтительно используют пример, приведенный на фиг.3.
На фиг.7 показан вариант системы электропитания для транспортного средства.
Конфигурация системы 14А электропитания для транспортного средства отличается от системы 14 электропитания для транспортного средства (фиг.2) тем, что переключатель S1 удален, а линия L4 электропитания связана с линией L2 электропитания.
В этой конфигурации блок 40 управления одновременно осуществляет управление ШИМ инвертором 36 и матричным преобразователем 38 в соответствии с энергией, требующейся в электродвигателе-генераторе MG2.
При одновременном ШИМ-управлении энергия, генерируемая электродвигателем-генератором MG1 и энергия с выхода от матричного преобразователя 38, добавляется к энергии, поданной от батареи 12 и с выхода инвертора 36, и эта сумма энергий может быть подана к электродвигателю-генератору MG2. Следовательно, когда электродвигатель-генератор MG2 достигает своего максимального выхода, может быть снижена нагрузка, созданная инвертором 36. В этом случае возможно обеспечить максимальный выход электродвигателя-генератора MG2, например, когда транспортное средство работает на высокой скорости.
Когда максимальный выход электродвигателя-генератора MG2 устанавливался, например, на 50 кВт, максимальный выход в 50 кВт был необходим в инверторе 36 в примере запуска в режиме разделения времени (фиг.2).
В конфигурации на фиг.7, наоборот, энергия, выработанная электродвигателем-генератором MG1, может быть добавлена к энергии от инвертора 36, и сумма энергий может быть подана к электродвигателю-генератору MG2. Поэтому инвертор 36 должен только покрыть падение количества энергии, генерируемой электродвигателем-генератором MG1 во время, когда электродвигатель-генератор MG2 достигнет своего максимального выхода. Поэтому по сравнению с примером, показанным на фиг.2, выход инвертора 36 может быть снижен с 50 кВт до приблизительно 30 кВт.
Второй вариант воплощения изобретения
На фиг.8 представлена система 114 электропитания для транспортного средства согласно второму варианту воплощения изобретения.
Конфигурация системы 114 электропитания для транспортного средства отличается от конфигурации системы 14 электропитания для транспортного средства, описанной со ссылкой на фиг.2, тем, что переключатель S2 установлен между линиями LU2, LV2 и линиями LA, LB, а выходная розетка 122 для 100 В переменного тока подсоединена между переключателем S2 и линиями LA, LB.
Кроме того, переключатель S3 установлен между линиями LU1, LV1 и линиями La, Lb, а входная розетка 124 для 100 В переменного тока подсоединена между переключателем S3 и линиями LA, LB, т.е. имеются различия между системой 114 (фиг.8) электропитания для транспортного средства и системой 14 (фиг.2) электропитания для транспортного средства. В других отношениях система 114 электропитания для транспортного средства остается такой же, что и система 14 электропитания для транспортного средства.
Система 114 электропитания для транспортного средства может использовать транспортное средство в качестве электростанции, подающей промышленное электропитание переменного тока. В данном случае блок 40 управления устанавливает переключатели S1, S2 в положение "выключен" и устанавливает переключатель S3 в положение "включен". Затем запускается двигатель, и электроэнергия генерируется посредством электродвигателя-генератора MG1. Полученный трехфазный переменный ток преобразуется в 100 В однофазный переменный ток посредством матричного преобразователя 38. Блок 40 управления устанавливает переключающие элементы SCa-SCc в матричном преобразователе 38 в выключенное положение и осуществляет ШИМ-управление переключающими элементами SAa-SAc и SBa-SBc.
Кроме того, система 114 электропитания для транспортного средства может также заряжать батарею 12, установленную на транспортном средстве, и подавать электропитание к электрической системе транспортного средства, используя промышленный источник электропитания 100 В переменного тока. В этом случае блок 40 управления устанавливает переключатель S3 в положение "выключен", а переключатели S1, S2 устанавливает в положение "включен".
Поле этого матричный преобразователь 38 однократно преобразует вход промышленного источника электропитания 100 В переменного тока от розетки 124 в трехфазный переменный ток. Блок 40 управления устанавливает переключающие элементы SAc, SBc и SCc в матричном преобразователе 38 в выключенное положение и осуществляет ШИМ-управление переключающими элементами SAa-SAb, SBa-SBb и SCa-SCb.
Трехфазный переменный ток, преобразованный матричным преобразователем 38, преобразуется в напряжение постоянного тока посредством инвертора 36 и преобразуется в напряжение, подходящее для зарядки батареи 12, посредством блока 32 усилителя.
Согласно второму варианту воплощения в дополнение к результату, достигнутому первым вариантом воплощения, промышленный источник электропитания может быть снят с транспортного средства, и установленная на транспортном средстве батарея может быть заряжена от промышленного источника электропитания.
Кроме того, согласно второму варианту воплощения выделенный инвертор для выработки напряжения промышленного переменного тока не является необходимым, как и катушка индуктивности или конденсатор, которые обычно устанавливались в преобразователе "переменный ток - переменный ток". Следовательно, можно уменьшить габариты гибридного транспортного средства.
Хотя настоящее изобретение было подробно описано и проиллюстрировано, понятно, что это было сделано лишь в качестве иллюстрации и примера и не ограничивает ни в коей степени духа и объема патентной защиты, который определяется прилагаемой формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к системе электропитания для транспортного средства. По первому варианту система электропитания транспортного средства дополнительно содержит первый переключатель, предназначенный для электрического соединения батареи с инвертором, блок управления для управления преобразованием энергии посредством матричного преобразователя и управления размыканием и замыканием первого переключателя в зависимости от преобразования энергии посредством матричного преобразователя. По второму варианту система электропитания транспортного средства дополнительно содержит блок управления для управления преобразованием энергии посредством матричного преобразователя и управления инвертором в зависимости от преобразования энергии посредством матричного преобразователя. Технический результат заключается в повышении КПД. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.
