Система электроснабжения транспортного средства

 

Изобретение относится к транспортному электрооборудованию. Система содержит аккумуляторную батарею из N однотипных соединенных последовательно гальванических элементов, генератор с регулируемым выходным напряжением, преобразователь напряжения и три шины для подачи электротока потребителям электроэнергии. Первая шина подключена к выводу батареи, соединенному с выходом N-го элемента, к выходу генератора и входу преобразователя напряжения. Вторая шина подключена к выходу преобразователя. Третья шина является общей и соединена с массой транспортного средства, общим выводом батареи, генератора и преобразователя. Аккумуляторная батарея имеет дополнительный третий вывод, соединенный с выходом К-го элемента батареи и со второй шиной. Преобразователь напряжения выполнен таким образом, что обеспечивает на своем выходе напряжение, равное входному напряжению, умноженному на коэффициент K/N. Изобретение позволяет создать компактную и дешевую двухуровневую систему электроснабжения транспортного средства. 2 ил.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано в конструкции системы электроснабжения транспортного средства, например автомобиля.

Известна двухуровневая система электроснабжения транспортного средства, см. патент US 8323608, публ. 27.11.2000 г., включающая в себя аккумуляторную батарею напряжением 36 В, составленную из двух отдельных, последовательно соединенных, аккумуляторных батарей, первая из которых является стандартной 12 В батареей, а вторая предпочтительно является электрическим конденсатором, генератор с регулируемым выходным напряжением 42 В, преобразователь напряжения, предназначенный для заряда обеих батарей, как стандартной 12 В, так и дополнительной 24 В. Система электроснабжения также включает в себя три шины для подачи электротока потребителям электроэнергии, причем первая шина предназначена для питания 42-вольтовых нагрузок, вторая - для питания 14-вольтовых нагрузок, а третья шина является общей. Общая шина питания предпочтительно соединена с массой транспортного средства, общим выводом стандартной 12 В батареи, а также с общими выводами генератора и преобразователя напряжения. Второй вывод стандартной 12 В батареи подключен ко второй шине и к первому выводу дополнительной аккумуляторной батареи, второй вывод дополнительной аккумуляторной батареи подключен к выходу генератора, первой шине и входу преобразователя напряжения, выход преобразователя подключен ко второму выводу стандартной 12 В батареи и к первому выводу дополнительной аккумуляторной батареи.

Недостатком этой системы электроснабжения транспортного средства является наличие дорогостоящего, требующего дополнительного объема для размещения на борту транспортного средства дополнительного аккумулятора, другого по отношению к первому аккумулятору типа, а также сложного и, соответственно, дорогого преобразователя напряжения для заряда обеих батарей.

За прототип взята двухуровневая система электроснабжения транспортного средства (см. фиг.1), содержащая две аккумуляторные батареи с напряжениями 36 В и 12 В, генератор с регулируемым выходным напряжением 42 В, а также преобразователь напряжения для заряда 12 В батареи и электроснабжения 14-вольтовых нагрузок. Система питания содержит также три шины для подачи электротока потребителям электроэнергии, причем первая шина предназначена для питания 42-вольтовых нагрузок, вторая - для питания 14-вольтовых нагрузок, а третья шина является общей. Общая шина предпочтительно соединена с массой транспортного средства, а также с первыми выводами обеих аккумуляторных батарей, генератора и преобразователя. Второй вывод первой аккумуляторной батареи (36 В), выход генератора и вход преобразователя подключены к первой шине. Второй вывод второй аккумуляторной батареи (12 В) и выход преобразователя напряжения подключены ко второй шине.

Достоинством данной системы электроснабжения является более простой преобразователь напряжения, предназначенный для заряда только одной аккумуляторной батареи.

Недостатком прототипа является наличие двух аккумуляторных батарей, что делает систему громоздкой и дорогой.

Задачей заявляемого технического решения является создание компактной и дешевой двухуровневой системы электроснабжения транспортного средства.

Указанная задача решается в заявляемой двухуровневой системе электроснабжения транспортного средства, например автомобиля, включающей в себя одну аккумуляторную батарею из N однотипных соединенных последовательно гальванических элементов, генератор с регулируемым выходным напряжением U, преобразователь напряжения и три шины для подачи электротока потребителям электроэнергии, причем первая шина подключена к выводу батареи, соединенному с выходом N-гo элемента, к выходу генератора и входу преобразователя напряжения, вторая шина подключена к выходу преобразователя, а третья шина является общей и соединена с массой транспортного средства, общим выводом батареи, генератора и преобразователя. Для компенсации импульсных перегрузок по второй шине аккумуляторная батарея имеет дополнительный третий вывод, подключенный к выходу К-го, элемента аккумуляторной батареи и соединенный со второй шиной, а преобразователь напряжения с целью обеспечения одинаковой степени заряженности гальванических элементов всей батареи выполнен таким образом, что обеспечивает на своем выходе напряжение, равное входному напряжению, умноженному на коэффициент K/N.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлена структурная схема системы электроснабжения по предложенному изобретению.

На фиг.2 представлен пример реализации преобразователя напряжения.

Система электроснабжения транспортного средства, например автомобиля (см. фиг.1), включает в себя в предпочтительном варианте аккумуляторную батарею 1, состоящую из N=18 гальванических элементов с выходным напряжением 2 В каждый. Батарея имеет вывод 1а с напряжением 36 В, соединенный с выходом N-гo гальванического элемента, вывод 1в с напряжением 12 В, соединенный с выходом К=6 гальванического элемента и общий вывод 1с. Система также включает в себя преобразователь 2 напряжения, имеющий вход 2а, выход 2в и общий вывод 2с. Мощность преобразователя выбирается из расчета обеспечения питания 14 В нагрузок в непрерывном режиме, без учета импульсных перегрузок. Система включает в себя генератор 3, имеющий выход 3а и общий вывод 3в. В качестве генератора 3 могут быть использованы различные типы электрических машин, например, синхронные с возбуждением от обмотки возбуждения (электромагнита) или с постоянными магнитами, имеющие также возможность работать, как в режиме генератора, так и в режиме мотора. Система электроснабжения имеет общую шину 4, первую шину 5 для питания 42-вольтовых нагрузок 6, подключенных между первой шиной 5 и общей шиной 4 и вторую шину 7 для питания 14-вольтовых нагрузок 8, подключенных между второй шиной 7 и общей шиной 4. Общий вывод 1с аккумуляторной батареи 1, общий вывод 2с преобразователя 2 напряжения и общий вывод 3в генератора 3 подключены к общей шине 4. Вывод 3а генератора 3 и вход 2а преобразователя 2 подключены к первой шине 5. Выход 2в преобразователя 2 и вывод 1в аккумуляторной батареи 1 подключены ко второй шине 7.

Предлагаемая система электроснабжения работает в двух режимах в зависимости от того, вырабатывает или нет генератор 3 электрическую энергию.

При неработающем генераторе 3 (двигатель транспортного средства не работает) на шине 5 присутствует напряжение U_1a ≈ 36 В с вывода 1а батареи 1, а ток через вывод 3а близок к нулю. Энергоснабжение нагрузок 6 и 8 производится от аккумуляторной батареи 1. Питание нагрузок 6 производится непосредственно с вывода 1 а батареи 1, а питание нагрузок 8 производится через преобразователь 2 напряжения. При этом ток питания нагрузок 6 протекает от вывода 1а батареи и через первую шину 5 и нагрузки 6, далее через общую шину 4 на общий вывод 1с аккумуляторной батареи 1. Ток питания нагрузок 8 протекает от вывода 1а батареи 1 на вход 2а преобразователя 2 напряжения, с выхода 2в преобразователя 2 через вторую шину 7, нагрузки 8 и общую шину 4 на общий вывод 1с аккумуляторной батареи 1. Преобразователь 2 напряжения поддерживает на выходе 2в напряжение

U_2B=U_2a × K/N≈36×6/18≈12 В.

При работающем генераторе 3 (двигатель транспортного средства запущен) на его выводе 3а (и, соответственно, на шине 5) появляется напряжение U_3a ≈ 42 В, аккумуляторная батарея 1 переходит в режим заряда и становится нагрузкой генератора 3. При этом напряжение U_3а на выходе генератора 3 регулируется таким образом, что обеспечивается необходимый ток заряда аккумуляторной батареи 1. Регулирование выходного напряжения U_3a генератора 3 может быть выполнено известными методами, в зависимости от типа электрической машины, используемой в качестве генератора 3. Например, для синхронной электрической машины с обмоткой возбуждения регулирование может быть выполнено путем изменения тока в обмотке возбуждения. Ток заряда батареи 1 протекает от выхода 3а генератора 3 через первую шину 5 к выводу 1а аккумуляторной батареи 1 и далее через общую шину 4 на общий вывод 3в генератора 3. Ток питания нагрузок 6 протекает от выхода 3а генератора 3 через первую шину 5 к нагрузкам 6 и далее через общую шину 4 на общий вывод 3в генератора 3. Ток питания нагрузок 8 протекает от выхода 3а генератора 3 через первую шину 5 на вход 2а преобразователя 2 напряжения, с выхода 2в преобразователя 2 через вторую шину 7 к нагрузкам 8 и далее через общую шину 4 на общий вывод 3в генератора 3. Преобразователь 2 напряжения поддерживает на своем выходе 2в напряжение

U_2в=U_2a × K/N≈42×6/18≈14 В.

Отдельно следует рассмотреть работу системы электроснабжения по предлагаемому изобретению при импульсных перегрузках и перенапряжениях, возникающих при включении и выключении, а также в процессе работы различных нагрузок 6 и 8. Они возникают по причине конечного времени реакции преобразователя 2 напряжения и генератора 3 на изменение тока нагрузки. В случае возникновения подобных перегрузок и перенапряжений, аккумуляторная батарея 1 служит компенсирующим элементом для их сглаживания. При этом их компенсация в шине 5 производится всей аккумуляторной батареей, а в шине 7 - частью батареи 1, подключенной к шине 7. Это может приводить к неравномерности заряда и разряда 12-вольтовой и 24-вольтовой секций аккумуляторной батареи 1, что является недопустимым для батареи.

Согласно предлагаемому техническому решению, преобразователь 2 напряжения выполнен таким образом, что на его выходе 2в поддерживается определенная часть напряжения всей батареи 1, а именно, U_2в=U_2a × K/N. Это позволяет достичь одинакового состояния заряда обеих секций батареи.

Рассмотрим два случая.

Первый - возникновение импульсной перегрузки в шине 7, которая компенсируется дополнительным током с вывода 1в батареи 1 в нагрузки 8. Это означает, что после окончания перегрузки элементы 12-вольтовой секции будут разряжены больше (или, заряжены меньше), чем элементы 24-вольтовой секции, т.е. напряжение на выходе 1в станет меньше, чем напряжение U_2в=U_2a × K/N. Возникнет разность потенциалов U_2в>U_1в, в результате которого дополнительно к току зарядки батареи от генератора возникнет ток зарядки элементов 12-вольтовой секции от преобразователя 2 до восстановления равенства U_2в=U_1в·

Во втором случае, при сбросе нагрузки в шине 7 возникнет перенапряжение, которое будет компенсировано за счет дополнительного тока зарядки элементов 12-вольтовой секции, поступающего из шины 7 на вывод 1в батареи 1 и через общую шину 4 - на общий вход нагрузок 8. Тогда возникнет рассогласование U_2в<U, что приведет к снижению напряжения на выходе 2в преобразователя в результате чего от 12-вольтовой секции батареи нагрузками 8 будет потреблена часть заряда до восстановления равенства U_2в=U_1в. Таким образом, напряжение на каждом из элементов батареи поддерживается равным U_1a/К, т.е. степень заряженности всех элементов батареи будет одинаковая.

Как известно (см. например, фиг.2) преобразователь постоянного тока в постоянный ток (DC/DC) включает в себя узел формирования опорного напряжения, которое задает требуемое напряжение на выходе преобразователя, узел сравнения опорного напряжения и выходного напряжения и преобразующий (регулирующий) орган. Преобразователь производит сравнение выходного напряжения с опорным напряжением и по результату сравнения производит корректирующее воздействие на преобразующий орган.

Преобразователь 2, по предлагаемому изобретению (см. фиг.2) представляет собой DC/DC преобразователь, например, импульсного типа, включает в себя делитель 10 напряжения, узел 11 сравнения и регулирующий орган 12, в котором вместо стандартного узла формирования опорного напряжения, например, на основе стабилитрона или другого источника стабильного опорного напряжения используется резистивный делитель входного напряжения для получения заданного коэффициента преобразования (деления) входного напряжения. Согласно изобретению, коэффициент преобразования равен K/N, т.е. в рассмотренном примере.

K/N=6/18=1/3. Преобразователь работает следующим образом. Узел 11 сравнения сравнивает напряжения на входе 2а, поделенное в данном примере реализации делителем 10 на 3, с напряжением на выходе 2в и по результату сравнения производит корректирующее действие на регулирующий орган 12 до тех пор, пока эта разница не приблизится к нулю. В результате на выходе 2в преобразователя поддерживается напряжение, равное одной третьей части напряжения на входе 2а.

Литература

1. Randy Frank et al., Semiconductor and 42-V power supplies. Automotive Engineering International, October 2000, p.p. 140-145.

2. Электротехнический справочник: в 3-х т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства. /Под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И.Н.Орлов) - 7-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986 г. - стр. 649.

Формула изобретения

Система электроснабжения транспортного средства, содержащая батарею из N однотипных соединенных последовательно гальванических элементов, генератор с регулируемым выходным напряжением, преобразователь напряжения и три шины для подачи электротока потребителям электроэнергии, причем первая шина подключена к выводу батареи, соединенному с выходом N-го элемента, к выходу генератора и входу преобразователя напряжения, вторая шина подключена к выходу преобразователя, а третья шина является общей и соединена с массой транспортного средства, общим выводом батареи, генератора и преобразователя, отличающаяся тем, что аккумуляторная батарея имеет дополнительный третий вывод, соединенный с выходом К-го элемента батареи и со второй шиной, а преобразователь напряжения выполнен таким образом, что обеспечивает на своем выходе напряжение, равное входному напряжению, умноженному на коэффициент K/N.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2