Гибридное транспортное средство с вентильным двигателем
Владельцы патента RU 2629729:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к гибридным транспортным средствам. Гибридное транспортное средство с вентильным двигателем, содержит бортовой источник электроэнергии, накопитель электроэнергии, преобразователь электроэнергии накопителя в трехфазное переменное напряжение и привод колес, содержащий электрический двигатель. К бортовому источнику электроэнергии подключен накопитель, содержащий соединенные между собой аккумуляторные батареи. Каждый преобразователь электроэнергии содержит шесть транзисторных ключей. Каждый электропривод колес содержит вентильный двигатель со статорными обмотками, соединенными в звезду. Концы статорных обмоток подключены к накопителю электроэнергии. Базы ключей соединены с выходами блока микроконтроллера. Обеспечивается работоспособность транспортного средства при обрыве обмотки статора вентильного двигателя или отказе ключа преобразователя частоты. 1 ил.
Изобретение относится к транспортным средствам, а именно к гибридным транспортным средствам, выполненным на основе трехфазного вентильного электропривода.
Известно устройство привода для гибридного транспортного средства [RU 2371329 С1, МПК В60К 6/00 (2007.10), опубл. 27.10.2009], содержащее вращающееся электрическое устройство; механизм передачи мощности, комбинирующий мощность, генерируемую вращающимся электрическим устройством, с мощностью, генерируемой двигателем внутреннего сгорания, и подающий комбинированную мощность на вал привода, блок управления мощностью, управляющий вращающимся электрическим устройством, кожух, имеющий первый участок размещения, используемый для размещения блока управления мощностью, и второй участок размещения, используемый для размещения, по меньшей мере, вращающегося электрического устройства и объединенный с первым участком размещения, и элемент крышки, установленный на кожухе и закрывающий отверстие первого участка размещения. Блок управления мощностью содержит преобразователь постоянного напряжения в переменное, установленный в соответствии с вращающимся электрическим устройством, и преобразователь напряжения, выполненный с возможностью генерирования входного напряжения преобразователя постоянного напряжения в переменное.
Привод гибридного транспортного средства становится неработоспособен при отказах типа: «обрыв обмотки статора электрического двигателя» или «отказ ключа преобразователя частоты». Происходит полная остановка гибридного транспортного средства, так как круговое вращающееся поле рабочего двигателя после аварии становится пульсирующим с нулевым вращающим моментом.
Известен принятый за прототип гибридный автомобиль [RU 2481969 С2, B60L 11/18 (2006.01), Н02K 44/00 (2006.01), Н05Н 1/00 (2006.01), опубл. 20.05.2013], содержащий последовательно соединенные бортовой источник электрической энергии, накопитель электрической энергии, электронный преобразователь электрической энергии накопителя в трехфазное переменное напряжение и электрический привод колес, соединенные по сигнальным и управляющим входам/выходам через бортовую электронно-вычислительную машину с пультом управления автомобиля. Бортовой источник электрической энергии содержит плазмохимический реактор импульсного действия, на плазменном выходе которого последовательно установлены магнитогидродинамический генератор и каталитический аккумулятор, соединенные по выходному напряжению с накопителем электрической энергии. Электрический привод колес содержит электронный коммутатор питающего трехфазного напряжения и блок вентильных электрических двигателей для вращения колес автомобиля, статорные обмотки которых по питающему трехфазному напряжению соединены с выходом электронного преобразователя через электронный коммутатор, управляющий вход которого через бортовую ЭВМ соединен с пультом управления автомобиля. Вентильные электрические двигатели для вращения колес автомобиля выполнены с возможностью соединения их валов с валами вращения колес автомобиля через дифференциальную передачу или путем непосредственной установки колес на валах вращения вентильных двигателей.
В прототипе трехфазный вентильный двигатель подключен к преобразователю частоты. В этом случае в рабочем трехфазном режиме формируется круговое вращающееся поле и в обмотках двигателя протекают трехфазные токи с фазовым сдвигом 2π/3. При обрыве обмотки статора в приводном двигателе или отказе ключа в преобразователе частоты приводного двигателя круговое вращающееся поле рабочего двигателя после аварии становится пульсирующим с нулевым вращающим моментом, так как процесс формирования трехфазных токов зависит от протекающего тока в соседних фазах двигателя. Токи после аварии в двух работоспособных фазах будут иметь одинаковую амплитуды с фазовым сдвигом π. Поэтому приводной двигатель становится полностью неработоспособен.
Гибридный автомобиль становится неработоспособен при отказах типа: «обрыв обмотки статора электрического двигателя» или «отказ ключа преобразователя частоты», происходит полная остановкагибридного автомобиля.
Задачей изобретения является обеспечение живучести гибридного транспортного средства при обрыве обмотки статора вентильного двигателя или отказе ключа преобразователя частоты.
Предложенное гибридное транспортное средство с вентильным двигателем, так же как в прототипе, содержит бортовой источник электрической энергии, накопитель электрической энергии, преобразователь электрической энергии накопителя в трехфазное переменное напряжение и привод колес, содержащий электрический двигатель, микроконтроллер соединен с пультом управления, электрические двигатели для вращения колес транспортного средства выполнены с возможностью соединения их валов с валами вращения колес транспортного средства через дифференциальную передачу.
Согласно изобретению содержит n-преобразователей электрической энергии и n-приводов колес, где n=2, 4, 6, 8, … К бортовому источнику электрической энергии подключен накопитель электрической энергии, который содержит последовательно соединенные между собой аккумуляторные батареи. Каждый преобразователь электрической энергии содержит шесть транзисторных ключей. Эмиттеры первого, второго и третьего ключей соответственно подключены к коллекторам четвертого, пятого и шестого ключей. Эмиттеры первого, второго и третьего ключей соединены в первую общую точку, которая связана с накопителем электрической энергии. Коллекторы четвертого, пятого и шестого ключей соединены во вторую общую точку, которая связана со средней точкой между аккумуляторными батареями накопителя электрической энергии. Каждый электрический привод колес содержит вентильный двигатель со статорными обмотками, которые соединены по схеме звезда. Начало первой статорной обмотки подключено к эмиттеру второго транзисторного ключа. Начало второй статорной обмотки подключено к эмиттеру первого транзисторного ключа. Начало третьей статорной обмотки подключено к эмиттеру третьего транзисторного ключа. Концы статорных обмоток подключены к накопителю электрической энергии. Базы ключей соединены с выходами блока микроконтроллера.
Предложенное устройство обеспечивает формирование трехфазных токов в рабочем трехфазном режиме, однако протекание токов в одной фазе не зависит от двух соседних фаз, а значит, при потере работоспособности в одной из фаз в двух оставшихся фазах продолжают формироваться двухфазные токи с фазовым сдвигом 2π/3.
Поле в зазоре вентильного двигателя в этом случае будет эллиптическим, активная мощность двигателя падает на 33%, что не обеспечивает равномерность вращения вала двигателя, но обеспечивает ограничение функциональности с формированием свойства живучести привода транспортного средства для дифференциальной передачи при обрыве обмотки статора вентильного двигателя или отказе ключа преобразователя частоты.
На фиг. 1 показана схема гибридного транспортного средства с одним приводом и дифференциальной передачей на два ведущих колеса.
Гибридное транспортное средство с вентильным двигателем (фиг. 1) содержит бортовой источник электрической энергии 1 (ИЭЭ), накопитель электрической энергии 2 (НЭЭ), n-преобразователей электрической энергии 3 (ПЭЭ1), …, 3n (ПЭЭn) и n-электрических приводов колес 4 (ПК1), …, 4n (ПКn), где n=2, 4, 6, 8, …. К бортовому источнику электрической энергии 1 (ИЭЭ) подключен накопитель электрической энергии 2 (НЭЭ).
Накопитель электрической энергии 2 (НЭЭ) содержит последовательно соединенные между собой аккумуляторные батареи.
Каждый преобразователь электрической энергии 3 (ПЭЭ1), …, 3n (ПЭЭn) содержит шесть транзисторных ключей 3.1, …, 3.6. Эмиттеры первого 3.1, второго 3.2 и третьего 3.3 ключей соответственно подключены к коллекторам четвертого 3.4, пятого 3.5 и шестого 3.6. ключей.
Эмиттеры первого 3.1, второго 3.2 и третьего 3.3 ключей соединены в первую общую точку, которая связана с накопителем электрической энергии 2 (НЭЭ). Коллекторы четвертого 3.4, пятого 3.5 и шестого 3.6. ключей соединены во вторую общую точку, которая связана со средней точкой 5 между аккумуляторными батареями накопителя электрической энергии 2 (НЭЭ). Каждый электрический привод колес 4 (ПК1), …, 4n (ПКn) содержит вентильный двигатель 6 (ВД) со статорными обмотками 6.1, 6.2, 6.3, которые соединены по схеме звезда. Вал вращения 7 вентильного электрического двигателя 6 (ВД) соединен с валами вращения колес транспортного средства через дифференциальную передачу 8.
Начало статорной обмотки 6.1 подключено к эмиттеру второго 3.2 транзисторного ключа. Начало статорной обмотки 6.2 подключено к эмиттеру первого 3.1 транзисторного ключа. Начало статорной обмотки 6.3 подключено к эмиттеру третьего 3.3 транзисторного ключа. Концы статорных обмоток 6.1, 6.2, 6.3 подключены к накопителю электрической энергии 2 (НЭЭ).
Базы ключей 3.1, …, 3.6 соединены с выходами блока микроконтроллера 9 (МК), который соединен с пультом управления 10 (ПУ).
В качестве бортового источника электрической энергии 1 (ИЭЭ) может быть использован BoschS4 Silver, содержащий последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания (или дизельный двигатель), выпрямитель и генератор,
В накопителе электрической энергии 2 (НЭЭ) могут быть использованы аккумуляторные батареи типа S46B24R «ATLAS». Пульт управления 10 (ПУ) представляет собой пульт дистанционного управления типа 8974552030 TOYOTA, состоящий из монитора, руля, педалей.
Гибридное транспортное средство с вентильным двигателем работает следующим образом.
Водитель транспортного средства с пульта управления 10 (ПУ) съемным ключом зажигания подает на микроконтроллер 9 (МК) сигнал включения бортового источника 1 (ИЭЭ) электропитания гибридного транспортного средства. Начинается процесс движения. При этом микроконтроллер 9 (МК) подает управляющий сигнал на преобразователи электрической энергии 3 (ПЭЭ1), …, 3n (ПЭЭn) для подключения к аккумуляторным батареям накопителя электрической энергии 2 (НЭЭ) и преобразования постоянного напряжения указанных аккумуляторных батарей в переменное трехфазное напряжение. Далее водитель включает направление движения транспортного средства рычагом «вперед-назад». При этом микроконтроллер 9 (МК) через пульт управления 10 (ПУ) выдает сигнал для переключения статорных обмоток 6.1, 6.2, 6.3 вентильного двигателя 6 (ВД) в выбранное направление вращения приводов колес 4 (ПК1), …, 4n (ПКn). Затем водитель педалью скорости движения транспортного средства задает через микроконтроллер 9 (МК) на преобразователи электрической энергии 3 (ПЭЭ1), …, 3n (ПЭЭn) частоту трехфазного напряжения, пропорциональную скорости вращения приводов колес 4 (ПК1), …, 4n (ПКn). При этом трехфазное напряжение заданной частоты преобразователей электрической энергии 3 (ПЭЭ1), …, 3n (ПЭЭn) подается одновременно на статорные обмотки двигателей 6.1, 6.2, 6.3, передних и/или задних приводов колес 4 (ПК1), …, 4n (ПКn) в зависимости от выбранного водителем режима движения исходя из качества дороги и скоростных ограничений. Нажатие водителем на педаль тормоза обеспечивает выдачу микроконтроллером 9 (МК) через пульт управления 10 (ПУ) команд на преобразователи электрической энергии 3 (ПЭЭ1), … 3n (ПЭЭn) для переключения обмоток статора вентильного двигателя 6 (ВД) на обратное движение и для изменения частоты напряжения, пропорциональной силе нажатия на педаль тормоза. При этом вентильный двигатель 6 (ВД) переходит на режим генерации электроэнергии, а именно преобразования при торможении колес энергии инерции транспортного средства в электрическую энергию. Электроэнергия торможения с обмоток вентильного двигателя 6.1, 6.2, 6.3 через преобразователи электрической энергии 3 (ПЭЭ1), …, 3n (ПЭЭn) и накопитель электрической энергии 2 (НЭЭ) возвращается для подзарядки его силовых аккумуляторных батарей.
При возникновении аварии: обрыве фазы обмотки статора вентильного двигателя 6.1, 6.2, 6.3 или отказе ключа 3.1, …, 3.6 преобразователя электрической энергии 3 (ПЭЭ1), …, 3n (ПЭЭn) происходит падение мощности, падает скорость движения. По управляющему входу в микроконтроллер 9 (МК) поступает информация о снижении потребления тока преобразователями электрической энергии 3 (ПЭЭ1), …, 3n (ПЭЭn) и на пульте управления 10 (ПУ) появляется информация об аварии и о доступном остаточном ресурсе по мощности вентильного двигателя 6 (ВД). Скорость движения уменьшается. Водитель или продолжает движение с учетом ограничений по мощности, или, если ресурс мощности позволяет, водитель педалью скорости движения компенсирует потерю мощности на 33%.
В случае пуска транспортного средства после неустраненной аварии процесс начала движения транспортного средства не отличается от нормальной эксплуатации с учетом ограничений по сниженной мощности приводов колес 4 (ПК1), …, 4n (ПКn), которая сохраняется в микроконтроллере 9 (МК) и выводится на пульт управления 10 (ПУ).
Гибридное транспортное средство с вентильным двигателем, содержащее бортовой источник электрической энергии, накопитель электрической энергии, преобразователь электрической энергии накопителя в трехфазное переменное напряжение и привод колес, содержащий электрический двигатель, микроконтроллер соединен с пультом управления, электрические двигатели для вращения колес транспортного средства выполнены с возможностью соединения их валов с валами вращения колес транспортного средства через дифференциальную передачу, отличающийся тем, что содержит n преобразователей электрической энергии и n приводов колес, где n=2, 4, 6, 8, …, к бортовому источнику электрической энергии подключен накопитель электрической энергии, который содержит последовательно соединенные между собой аккумуляторные батареи, каждый преобразователь электрической энергии содержит шесть транзисторных ключей, при этом эмиттеры первого, второго и третьего ключей соответственно подключены к коллекторам четвертого, пятого и шестого ключей, эмиттеры первого, второго и третьего ключей соединены в первую общую точку, которая связана с накопителем электрической энергии, а коллекторы четвертого, пятого и шестого ключей соединены во вторую общую точку, которая связана со средней точкой между аккумуляторными батареями накопителя электрической энергии, каждый электрический привод колес содержит вентильный двигатель со статорными обмотками, которые соединены по схеме звезда, начало первой статорной обмотки подключено к эмиттеру второго транзисторного ключа, начало второй статорной обмотки подключено к эмиттеру первого транзисторного ключа, начало третьей статорной обмотки подключено к эмиттеру третьего транзисторного ключа, концы статорных обмоток подключены к накопителю электрической энергии, базы ключей соединены с выходами блока микроконтроллера.
