Способ управления мощностью потребителей
Изобретение относится к области транспорта и может быть использовано для разогрева потребителей в транспортном средстве. Техническим результатом является уменьшение потерь мощности потребления. В способе и устройстве для управления мощностью электрических потребителей (34, 36) потребители (34, 36) последовательно расположены в электрической цепи (30), и по меньшей мере к одному соединению (50) между любыми двумя потребителями (34, 36) примыкает линия (52) ответвления, которую посредством связанного с ней ключевого устройства, содержащего по меньшей мере один ключ (38, 40, 42, 44) для управления мощностью, подключают к напряжению (46) сети и/или к массе (48). 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к способу управления мощностью потребителей, в частности для разогрева потребителей в транспортном средстве и к устройству для осуществления этого способа.
Системы энергоснабжения в транспортных средствах, как правило, включают в себя по меньшей мере одну аккумуляторную батарею для запасания электрической энергии. При этом аккумуляторная батарея обычно заряжается от генератора, который, в свою очередь, приводится в действие двигателем транспортного средства. Ранее в транспортных средствах обычно использовались бортовые сети напряжением 6 вольт, а позднее - 12 вольт. В будущем же найдут применение бортовые сети с более высокими напряжениями, в частности 24 вольт и 48 вольт, поскольку в современных транспортных средствах потребителям необходимо все больше энергии.
В публикации DE 102007035061 А1 описана система энергоснабжения для транспортного средства. Описанная система энергоснабжения включает в себя по меньшей мере две аккумуляторные батареи, генератор, а также по меньшей мере две бортовых сети, работающих с напряжениями разной величины. Кроме того, система энергоснабжения включает в себя устройство, соединяющее потребителей, предусмотренных для работы на первом, меньшем, напряжении бортовой сети, попеременно с двумя аккумуляторными батареями, что обеспечивает равномерность нагрузки на эти аккумуляторные батареи.
Еще одна система с двумя аккумуляторными батареями известна из публикации DE 10014243 В4. Эта система включает в себя стартерную батарею и батарею питания бортовой сети, причем потребители поделены на потребителей, обеспечивающих пуск двигателя, и на иных потребителей, включенных в бортовую сеть, и подключены к соответствующим батареям.
В транспортных средствах многие потребители, находясь в холодном состоянии, приводятся в действие более высоким напряжением, чем номинальное напряжение, чтобы быстрее разогреваться. С этой целью применяются потребители, номинальное напряжение работы которых меньше напряжения бортовой сети. В холодном состоянии потребители приводятся в действие напряжением бортовой сети. После разогрева потребителей их энергоснабжение осуществляется в тактовом режиме, благодаря чему в случае индуктивных потребителей устанавливается тот же ток, что и при питании номинальным напряжением. При этом период тактирования значительно меньше постоянной времени τ (тау)=L/R потребителя.
При этом необходимо учитывать, что для столь быстрого тактирования должны использоваться сложные и дорогостоящие электрические компоненты. Кроме того, нужно иметь в виду, что мощность потерь тем больше, чем выше частота тактирования. Кроме того, приходится считаться с потерями мощности в подводящих кабелях.
Объектом изобретения является способ управления мощностью электрических потребителей, последовательно расположенных в электрической цепи и приводимых в действие номинальным напряжением, причем по меньшей мере к одному соединению между любыми двумя потребителями примыкает линия ответвления, которую посредством связанного с ней ключевого устройства, содержащего по меньшей мере один ключ, для управления мощностью подключают к напряжению сети и/или к массе, и электрические потребители включают в себя три однородных потребителя, приводимых в действие одновременно напряжением сети.
Объектом изобретения также является устройство для управления мощностью электрических потребителей, последовательно расположенных в электрической цепи и приводимых в действие номинальным напряжением, причем по меньшей мере к одному соединению между любыми двумя потребителями примыкает линия ответвления, которая посредством связанного с ней ключевого устройства, содержащего по меньшей мере один ключ, является подключаемой к напряжению сети и/или к массе, и электрические потребители включают в себя три однородных потребителя с возможностью их одновременного приведения в действие напряжением сети.
Частные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения и описании.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в том, что с помощью простых ключей можно управлять мощностью последовательно включенных потребителей, в частности, кратковременно повышая их мощность за счет подключения к напряжению сети, для их быстрого прогрева, после чего потребители могут приводиться в действие номинальным напряжением, т.е. работать от номинального напряжения, причем без подачи напряжения в тактовом режиме.
Изобретение обеспечивает, таким образом, возможность работы потребителей с переменной мощностью. При этом могут использоваться недорогие электронные компоненты, тактовая частота которых ограничена. Мощность потерь при уменьшенной мощности остается небольшой.
Другие преимущества изобретения и варианты его осуществления раскрываются в нижеследующем описании и на прилагаемых чертежах.
При этом подразумевается, что в рамках сущности настоящего изобретения указанные выше и рассматриваемые ниже признаки могут использоваться не только в соответствующих комбинациях, но и в других комбинациях либо по отдельности.
В качестве цели, преследуемой при управлении мощностью, ниже для наглядности изложения в качестве примера указан разогрев потребителей. Разумеется, что управление мощностью может использоваться и в других целях, например для согласования по мощности или регулирования мощности.
На фиг. 1 показана электрическая цепь, известная из уровня техники.
На фиг. 2 показана электрическая цепь с предлагаемым в изобретении устройством в одном варианте его выполнения.
На фиг. 3 показана электрическая цепь с предлагаемым в изобретении устройством в еще одном варианте его выполнения.
Сущность изобретения поясняется на примерах его осуществления, схематически представленных на чертежах и подробно описываемых со ссылкой на эти чертежи.
На фиг. 1 представлена электрическая цепь, обозначенная в целом номером позиции 10. Такая электрическая цепь обычно применяется в транспортном средстве (автомобиле). На схеме показаны первый потребитель 12 и второй потребитель 14, которые в эксплуатации приводятся в действие номинальным напряжением.
Для разогрева обоих потребителей 12 и 14 они приводятся в действие напряжением бортовой сети, превышающим номинальное напряжение. После разогрева энергоснабжение потребителей осуществляется в тактовом режиме посредством первого ключа 16, второго ключа 18 и третьего ключа 20. При этом потенциал напряжения бортовой сети обозначен номером позиции 22, а масса обозначена номером позиции 24. Однако для необходимого при этом тактирования необходимы дорогостоящие электрические компоненты.
На фиг. 2 представлена электрическая цепь, которая обозначена в целом номером позиции 30 и в которой реализовано и применяется предлагаемое в изобретении устройство 32.
В представленном на фиг. 2 решении в цепь последовательно включены два однородных потребителя, а именно первый потребитель 34 и второй потребитель 36. Номинальное напряжение потребителей 34 и 36 соответствует половине напряжения сети. Два потребителя 34 и 36 могут включаться совместно посредством комбинации верхнего и нижнего ключей (т.е. ключей верхнего и нижнего плеча, расположенных со стороны высокого и низкого потенциалов), включающей в себя первый ключ 38 и второй ключ 40. При этом напряжение сети обозначено номером позиции 46, а масса обозначена номером позиции 48. При этом оба потребителя 34, 36 вместе взятые приводятся в действие напряжением 46 сети, а каждый потребитель 34, 36 в отдельности приводится в действие номинальным напряжением.
Дополнительно, соединение 50 двух потребителей 34, 36 выведено посредством линии 52 ответвления в блок управления (на чертеже не показан). Эта линия 52 ответвления через полумост 60, содержащий третий ключ 42 и четвертый ключ 44, может соединяться либо с напряжением 46 сети, либо с массой 48. Для обеспечения более быстрого разогрева потребителей 34, 36 они попеременно приводятся в действие напряжением 46 сети.
При этом период, в течение которого происходит быстрый разогрев потребителей 34, 36, значительно больше постоянной времени τ (тау)=L/R потребителей 34, 36. Во время фазы включения при удвоенном напряжении протекает удвоенный ток. Это соответствует вчетверо большей тепловой мощности во время фазы включения. Среднее значение тепловой мощности за несколько фаз включения соответствует тепловой мощности, удвоенной по сравнению с работой от делителя напряжения, питаемого напряжением сети.
Вместо двух потребителей можно последовательно включить и большее количество потребителей. При этом предусматривается, что каждое электрическое соединение двух потребителей соединено с линией ответвления в полумосте, который обычно предусмотрен в блоке управления.
Отношение максимальной мощности Р_макс. в режиме разогрева к мощности Р_номин. в нормальном режиме работы посредством делителя напряжения определяется числом n потребителей в последовательных соединениях согласно выражению:
Р_макс./Р_номин. = n.
На фиг. 3 показана еще одна электрическая цепь 70, включающая в себя первый потребитель 72, второй потребитель 74 и третий потребитель 76. Напряжение сети обозначено номером позиции 78, а масса обозначена номером позиции 80. К соединению 84 между первым потребителем 72 и вторым потребителем 74 примыкает первая линия 86 ответвления. К соединению 88 между вторым потребителем 74 и третьим потребителем 76 примыкает вторая линия 90 ответвления. Предусмотрены также первый верхний ключ 92, первый нижний ключ 94, второй верхний ключ 96 и второй нижний ключ 98, они образуют ключевое устройство 100.
В представленном на фиг. 3 случае количество потребителей 72, 74 и 76 является нечетным, а направление тока для потребителей 72, 74, 76 не играет роли. Все потребители 72, 74, 76 могут снабжаться напряжением 78 сети одновременно. В этом случае максимальная мощность не втрое, а в девять раз выше номинальной мощности потребителей. Кроме того, линии 86, 90 ответвления могут запитываться, вместо полумостов, простыми верхними и нижними ключами или выходными каскадами.
Это устройство устойчиво к одиночным сбоям. Каждый потребитель может быть надежно выключен в любое время. Одиночный сбой не ограничивает эксплуатационную готовность. При электрическом сбое в любом выходном каскаде или в любой линии по меньшей мере один из потребителей кратковременно остается работоспособным.
Стратегия выходных каскадов, реализуемая посредством рассмотренного выше способа, позволяет использовать более дешевые электронные компоненты. Кроме того, преимущество изобретения заключается в снижении мощности потерь в выходных каскадах и подводящих линиях.
Изобретение может использоваться применительно к таким потребителям, как газовые форсунки (газовые впускные клапаны), калильные свечи и кислородные датчики.
В газовых двигателях внутреннего сгорания используются несколько газовых форсунок одного типа. При очень низких температурах газовые форсунки могут залипать или обмерзать. Поэтому форсунки нужно как можно быстрее размораживать и в холодном состоянии открывать как можно более высоким усилием, чтобы вывести из залипшего или обмерзшего состояния. В 24-вольтных системах могут использоваться стандартные 12-вольтные форсунки.
В дизельных двигателях на каждый цилиндр используется калильная свеча. В 24-вольтных системах можно использовать, по выбору, две 12-вольтные калильные свечи либо три 8-вольтные калильные свечи, в обоих случаях включенные последовательно.
В двухпоточных системах выпуска отработавших газов используются два кислородных датчика одного типа. Тогда в 24-вольтных системах можно использовать два 12-вольтных кислородных датчика.
1. Способ управления мощностью электрических потребителей (34, 36, 72, 74, 76), последовательно расположенных в электрической цепи (30, 70) и приводимых в действие номинальным напряжением, причем по меньшей мере к одному соединению (50, 84, 88) между любыми двумя потребителями (34, 36, 72, 74, 76) примыкает линия (52, 86, 90) ответвления, которую посредством связанного с ней ключевого устройства (100), содержащего по меньшей мере один ключ (38, 40, 42, 44), для управления мощностью подключают к напряжению (46, 78) сети и/или к массе (48, 80), и электрические потребители включают в себя три однородных потребителя (34, 36, 72, 74, 76), приводимых в действие одновременно напряжением (46, 78) сети.
2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что предусмотрено два однородных потребителя (34, 36, 72, 74, 76), которые для управления мощностью попеременно приводят в действие напряжением (46, 78) сети.
3. Способ по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что в качестве потребителей (34, 36, 72, 74, 76) используют газовые форсунки.
4. Способ по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что в качестве потребителей (34, 36, 72, 74, 76) используют калильные свечи.
5. Способ по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что в качестве потребителей (34, 36, 72, 74, 76) используют кислородные датчики.
6. Устройство для управления мощностью электрических потребителей (34, 36, 72, 74, 76), последовательно расположенных в электрической цепи (30, 70) и приводимых в действие номинальным напряжением, причем по меньшей мере к одному соединению (50, 84, 88) между любыми двумя потребителями (34, 36, 72, 74, 76) примыкает линия (52, 86, 90) ответвления, которая посредством связанного с ней ключевого устройства (100), содержащего по меньшей мере один ключ (38, 40, 42, 44), является подключаемой к напряжению (46, 78) сети и/или к массе (48, 80), и электрические потребители включают в себя три однородных потребителя (34, 36, 72, 74, 76) с возможностью их одновременного приведения в действие напряжением (46, 78) сети.
7. Устройство по п. 6, в котором ключевое устройство (100) содержит полумост (60).
8. Устройство по п. 7, в котором полумост (60) выполнен с возможностью осуществляемого по выбору подключения связанной с ним линии (52, 86, 90) ответвления к напряжению (46, 78) сети или к массе (48, 80).
