Гибридное транспортное средство с асинхронным двигателем

Изобретение относится к гибридным транспортным средствам. Гибридное транспортное средство с асинхронным двигателем содержит бортовой источник электроэнергии, к которому подключен накопитель, содержащий соединенные аккумуляторные батареи. Каждый преобразователь энергии содержит шесть транзисторных ключей. Сток первого, второго и третьего ключей подключен к истоку четвертого, пятого и шестого ключей. Стоки первого, второго и третьего ключей соединены в первую общую точку, связанную с накопителем электроэнергии. Истоки четвертого, пятого и шестого ключей соединены во вторую общую точку, связанную со средней точкой между аккумуляторными батареями. Каждый электропривод колес содержит асинхронный двигатель со статорными обмотками, соединенными в звезду. Начало первой обмотки подключено к стоку второго ключа, второй - к стоку первого ключа, третьей - к стоку третьего ключа. Концы обмоток подключены к накопителю электроэнергии. Затворы ключей соединены с микроконтроллером. Валы электродвигателей соединены с валами колес через передачу мотор-колесо. Повышается надежность привода. 1 ил.

 

Изобретение относится к транспортным средствам, а именно к гибридным транспортным средствам, выполненным на основе трехфазного асинхронного электропривода.

Известно устройство привода для гибридного транспортного средства [RU 2371329 С1, МПК B60K 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), H02K 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 асинхронных 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. Асинхронные электрические двигатели для вращения колес автомобиля выполнены с возможностью соединения их валов с валами вращения колес автомобиля.

В рабочем трехфазном режиме работы гибридного автомобиля формируется круговое вращающееся поле и в обмотках асинхронных электрических двигателей протекают трехфазные токи с фазовым сдвигом 2π/3. При обрыве обмотки статора в одном из двигателей или отказе ключа в электронном преобразователе, круговое вращающееся поле других двигателей 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 двигатель становится полностью неработоспособен.

Гибридный автомобиль становится неработоспособен при отказах типа: «обрыв обмотки статора электрического двигателя или «отказ ключа электронного преобразователя» и происходит полная остановка гибридного автомобиля.

Предлагаемое изобретение направлено на обеспечение живучести гибридного транспортного средства при обрыве обмотки статора асинхронного двигателя или отказе ключа преобразователя частоты.

Гибридное транспортное средство с асинхронного двигателем, так же как в прототипе, содержит бортовой источник электрической энергии, накопитель электрической энергии, преобразователь электрической энергии накопителя в трехфазное переменное напряжение и электрический привод колес, содержащий электрический двигатель для вращения колес автомобиля, причем микроконтроллер соединен с пультом управления, электрические двигатели для вращения колес транспортного средства выполнены с возможностью соединения их валов с валами вращения колес транспортного средства.

Согласно изобретению гибридное транспортное средство содержит n преобразователей электрической энергии и n приводов колес, где n=2, 4, 6, 8, …. К бортовому источнику электрической энергии подключен накопитель электрической энергии, содержащий последовательно соединенные между собой аккумуляторные батареи. Каждый преобразователь электрической энергии содержит шесть транзисторных ключей. Сток первого, второго и третьего ключей соответственно подключен к истоку четвертого, пятого и шестого ключей. Стоки первого, второго и третьего ключей соединены в первую общую точку, которая связана с накопителем электрической энергии. Истоки 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 асинхронный двигатель со статорными обмотками, которые соединены по схеме звезда. Начало первой статорной обмотки подключено к стоку второго транзисторного ключа. Начало второй статорной обмотки подключено к стоку первого транзисторного ключа. Начало третьей статорной обмотки подключено к стоку третьего транзисторного ключа. Концы статорных обмоток подключены к накопителю электрической энергии. Затворы ключей соединены с выходами блока микроконтроллера. Валы асинхронных электрических двигателей соединены с валами вращения колес транспортного средства через передачу мотор-колесо.

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 асинхронного 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 мотор-колеса при обрыве обмотки статора асинхронного двигателя или отказе ключа преобразователя частоты.

На фиг. 1 показана схема гибридного транспортного средства с одним приводом и мотор-колесом на два ведущих колеса.

Гибридное транспортное средство с асинхронным 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. Сток первого 3.1, второго 3.2 и третьего 3.3 ключей соответственно подключен к истоку четвертого 3.4, пятого 3.5 и шестого 3.6. ключей.

Стоки первого 3.1, второго 3.2 и третьего 3.3 ключей соединены в первую общую точку, которая связана с накопителем электрической энергии 2 (НЭЭ). Истоки 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 асинхронный двигатель 6 (АД) со статорными обмотками 6.1, 6.2, 6.3, которые соединены по схеме звезда. Вал вращения 7 асинхронного электрического двигателя 6 (АД) соединен с валами вращения колес транспортного средства через передачу мотор-колесо 8.

Начало статорной обмотки 6.1 подключено к стоку второго 3.2 транзисторного ключа. Начало статорной обмотки 6.2 подключено к стоку первого 3.1 транзисторного ключа. Начало статорной обмотки 6.3 подключено к стоку третьего 3.3 транзисторного ключа. Концы статорных обмоток 6.1, 6.2, 6.3 подключены к накопителю электрической энергии 2 (НЭЭ).

Затворы 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 асинхронным 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 асинхронного двигателя 6 (ВД) в выбранное направление вращения приводов колес 4 (ПК1), …, 4n (ПКn). Электрические двигатели для вращения колес транспортного средства выполнены с возможностью соединения их валов с валами вращения колес 7 (ПК1) транспортного средства через передачу мотор-колесо 8 (ПК1). 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 асинхронного двигателя 6 (ВД) на обратное движение и для изменения частоты напряжения, пропорциональной силе нажатия на педаль тормоза. При этом асинхронный 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 асинхронного 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 асинхронного 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 асинхронного 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 асинхронным двигателем, содержащее бортовой источник электрической энергии, накопитель электрической энергии, преобразователь электрической энергии накопителя в трехфазное переменное напряжение и электрический привод колес, содержащий электрический двигатель для вращения колес автомобиля, причем микроконтроллер соединен с пультом управления, электрические двигатели для вращения колес транспортного средства выполнены с возможностью соединения их валов с валами вращения колес транспортного средства, отличающееся 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, содержащий последовательно соединенные между собой аккумуляторные батареи, а каждый преобразователь электрической энергии содержит шесть транзисторных ключей, при этом сток первого, второго и третьего ключей соответственно подключен к истоку четвертого, пятого и шестого ключей, стоки первого, второго и третьего ключей соединены в первую общую точку, которая связана с накопителем электрической энергии, а истоки 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 асинхронный двигатель со статорными обмотками, которые соединены по схеме звезда, начало первой статорной обмотки подключено к стоку второго транзисторного ключа, начало второй статорной обмотки подключено к стоку первого транзисторного ключа, начало третьей статорной обмотки подключено к стоку третьего транзисторного ключа, концы статорных обмоток подключены к накопителю электрической энергии, затворы ключей соединены с выходами блока микроконтроллера, валы асинхронных электрических двигателей соединены с валами вращения колес транспортного средства через передачу мотор-колесо.