PL220979B1 - Układ ładowania baterii akumulatorów zintegrowany z przekształtnikowym napędem elektrycznym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ ładowania baterii akumulatorów zintegrowany z przekształtnikowym napędem elektrycznym, w którym baterie akumulatorów zasilają przekształtnikowe układy napędowe, mający zastosowanie zwłaszcza w pojazdach o napędzie elektrycznym, natomiast układ ładowania ma strukturę obniżającą napięcie.

Znanych jest wiele układów energoelektronicznych do okresowego ładowania baterii akumulatorów. Amerykański opis patentowy nr 5500579 ujawnia układ napędowy z silnikiem elektrycznym służący do ładowania baterii akumulatorów, w którym uzwojenie wzbudzenia sprzężono z obwodem przetwornicy obniżającej napięcie, a uzwojenie twornika sprzężono z obwodem przetwornicy podwyższającej napięcie. W układzie zasilania szeregowo z obwodem wzbudzenia i szeregowo z obwodem twornika umieszczono łączniki półprzewodnikowe pracujące impulsowo do sterowania wartością średnią napięcia przyłożonego do tych uzwojeń oraz dodatkowe łączniki połączone szeregowo, odpowiednio z obwodem wzbudzenia oraz twornika do przełączania trybu pracy z napędowego na ładowanie. Dodatkowo w obwodzie twornika umieszczono dławik ograniczający amplitudę impulsów prądowych jakie występują przy sterowaniu impulsowym tranzystora mocy i połączono go szeregowo z uzwojeniem twornika. W przykładzie wykonania układu napędowego z silnikiem prądu stałego opisano sposób ładowania baterii akumulatorów polegający na wstępnym ładowaniu baterii w układzie obniżającym napięcie, a następnie w układzie podwyższającym napięcie.

W silniku prądu stałego napięcie doprowadzone jest do uzwojenia twornika przez szczotki komutatorowe i nie ma fizycznej możliwości wyeliminowania ich z obwodu ładowania i wykorzystania samych uzwojeń twornika. W czasie pracy napędowej szczotki silnika ulegają zużyciu, a więc zmieniają się również parametry obwodu twornika, dlatego taki układ wymaga należytego serwisowania i okresowej wymiany szczotek. Ponadto sterowanie ujawnionego układu napędowego opiera się na impulsowej pracy jednego łącznika półprzewodnikowego w obwodzie twornika i jednego łącznika półprzewodnikowego w obwodzie wzbudzenia, co wyklucza pracę nawrotną tego układu, a zatem ograniczony jest on tylko do pracy w jednym kierunku wirowania wirnika silnika.

Układ według wynalazku wyróżnia się tym, że zawiera co najmniej jedną impulsową przetwornicę obniżającą napięcie złożoną z elementu przełączającego, elementu indukcyjnego oraz elementu prostownikowego, gdzie elementami składowymi tej przetwornicy są elementy wielofazowej maszyny elektrycznej prądu przemiennego o uzwojeniach fazowych połączonych w gwiazdę z dostępnym punktem neutralnym i elementy przekształtnika energoelektronicznego. Elementem indukcyjnym tej przetwornicy jest jedno z uzwojeń twornika umieszczone na stojanie wielofazowej maszyny prądu przemiennego. Elementem przełączającym tej przetwornicy jest jeden ze sterowanych elementów mocy górnej grupy łączników przekształtnika energoelektronicznego. Elementem prostownikowym tej przetwornicy jest jedna z diod zwrotnych dolnej grupy łączników przekształtnika energoelektronicznego. Elementem zmieniającym tryb pracy z układu ładowania akumulatorów w układ zasilania maszyny elektrycznej jest element stycznikowy o co najmniej trzech zaciskach, przy czym pierwszy zacisk połączony jest z biegunem dodatnim baterii akumulatorów, drugi zacisk połączony jest z potencjałem wspólnym górnej grupy łączników przekształtnika oraz z potencjałem dodatnim prostownika sieciowego, a trzeci zacisk połączony jest z punktem neutralnym maszyny elektrycznej. Obwód pierwszej przetwornicy obniżającej napięcie składa się z elementu przełączającego w postaci pierwszego sterowanego elementu mocy górnej grupy łączników, z elementu indukcyjnego w postaci pierwszego uzwojenia fazowego oraz z elementu prostownikowego w postaci drugiej diody zwrotnej. Obwód drugiej przetwornicy obniżającej napięcie składa się z elementu przełączającego w postaci trzeciego sterowanego elementu mocy górnej grupy łączników, z elementu indukcyjnego w postaci drugiego uzwojenia fazowego oraz z elementu prostownikowego w postaci czwartej diody zwrotnej. Obwód trzeciej przetwornicy obniżającej napięcie składa się z elementu przełączającego w postaci piątego sterowanego elementu mocy górnej grupy łączników, z elementu indukcyjnego w postaci trzeciego uzwojenia fazowego oraz z elementu prostownikowego w postaci szóstej diody zwrotnej.

Zaletą układu według wynalazku jest wykorzystanie elementów układu napędowego w postaci uzwojenia twornika maszyny elektrycznej prądu przemiennego oraz łączników półprzewodnikowych przekształtnika energoelektronicznego, a także czujników pomiaru temperatury, prądu i napięcia zarówno w pracy w trybie napędowym jak i w trybie ładowania baterii akumulatorów. Układ ładowania baterii akumulatorów charakteryzuje się regulowaną wartością indukcyjności. Ładowanie baterii akumulatorów może zachodzić w obwodzie pojedynczej przetwornicy obniżającej napięcie, w obwodzie

PL 220 979 B1 dwóch przetwornic obniżających napięcie albo w obwodzie trzech przetwornic obniżających napięcie. Temperatura pracy uzwojeń maszyny elektrycznej podczas procesu ładowania baterii akumulatorów może być kontrolowana z wykorzystaniem czujnika temperatury maszyny elektrycznej. Topografia układu ładującego baterie akumulatorów może być więc zmieniana tak, aby na przykład równomiernie obciążać uzwojenia maszyny elektrycznej lub aby przyspieszyć proces ładowania przy wykorzystaniu trzech przetwornic. Włączenie jednego, dwóch albo trzech uzwojeń twornika zmienia wartość indukcyjności cewki przetwornicy obniżającej napięcie i kształtuje stromość narastania prądu ładowania. Ponadto układ według wynalazku umożliwia pracę nawrotną napędu, a ładowanie baterii akumulatorów może zachodzić przy różnej wartości napięcia zasilania.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogólny schemat ideowy układu według wynalazku połączonego z jednofazową siecią zasilającą układ ładowania, fig. 2 schemat elektryczny układu według wynalazku w konfiguracji ładowania baterii akumulatorów przy połączeniu układu ładowania z trójfazową siecią zasilającą, fig. 3 schemat elektryczny układu ładowania baterii akumulatorów w obwodzie pierwszej przetwornicy obniżającej napięcie zasilanej z sieci jednofazowej, fig. 4 schemat elektryczny układu ładowania baterii akumulatorów w obwodzie drugiej przetwornicy obniżającej napięcie zasilanej z sieci jednofazowej, fig. 5 schemat elektryczny układu ładowania baterii akumulatorów w obwodzie trzeciej przetwornicy obniżającej n apięcie zasilanej z sieci jednofazowej.

Układ zawiera trójfazowy w pełni sterowany przekształtnik energoelektroniczny 1 składający się z trzech gałęzi, z których każda ma górny łącznik i dolny łącznik. Grupę łączników górnych tworzą tranzystory T1, T3 i T5 oraz diody zwrotne D1, D3 i D5, a grupę dolną tranzystory T2, T4 i T6 oraz diody D2, D4 i D6. Pierwsza gałąź zawiera tranzystory T1 i T2 oraz diody D1 i D2, druga gałąź zawiera tranzystory T3 i T4 oraz diody D3 i D4, a trzecia gałąź zawiera tranzystory T5 i T6 oraz diody D5 i D6. Do środka każdej gałęzi połączony jest początek uzwojenia fazowego maszyny elektrycznej, odpowiednio do pierwszej gałęzi początek uzwojenia 2a, do drugiej gałęzi początek uzwojenia 2b i do trzeciej gałęzi początek uzwojenia 2c, Ponadto układ zawiera stycznik 4, baterię akumulatorów 5, kondensatory filtrujące 6a i 6b oraz prostownik 7, który w wersji jednofazowej składa się z elementów prostowniczych 7a, 7b, 7c i 7d połączonych w mostek. Źródłem zasilania układu ładowania jest jednofazowa sieć 8 prądu przemiennego. Końce uzwojeń 2a, 2b i 2c są połączone ze sobą, tworząc punkt neutralny 3, który połączony jest z trzecim zaciskiem 4c stycznika 4. Pierwszy zacisk 4a stycznika 4 jest połączony z biegunem dodatnim baterii akumulatorów 5 oraz z pierwszym wyprowadzeniem pierwszego kondensatora filtrującego 6a. Drugi zacisk 4b stycznika 4 jest zwarty z biegunem dodatnim przekształtnika 1, biegunem dodatnim prostownika 7 i pierwszym wyprowadzeniem drugiego kondensatora filtrującego 6b. Drugie wyprowadzenie pierwszego kondensatora 6a i drugie wyprowadzenie drugiego kondensatora 6b są zwarte z biegunem ujemnym przekształtnika 1, biegunem ujemnym prostownika 7 i biegunem ujemnym baterii akumulatorów 5. Podczas pracy w trybie napędowym pierwszy zacisk 4a i dragi zacisk 4b stycznika 4 są zwarte, a trzeci zacisk 4c jest izolowany. W takiej konfiguracji bateria akumulatorów zasila przekształtnikowy układ napędowy. Podczas pracy w trybie ładowania baterii akumulatorów 5 pierwszy zacisk 4a stycznika 4 jest zwarty z trzecim zaciskiem 4c, modyfikując połączenia elektryczne przekształtnika 1, w taki sposób, że powstaje topografia przetwornicy obniżającej napięcie. Napięcie wyprostowane na wyjściu prostownika 7 jest filtrowane przez drugi kondensator 6b i przekształcane na napięcie o niższej wartości przez przetwornicę obniżającą napięcie złożoną z tranzystora T1, diody D2 i cewki 2a. Dioda D1 jest spolaryzowana zaporowo i nie przewodzi prądu elektrycznego, a tranzystor T2 nie jest wprowadzany w stan przewodzenia przez kontroler 9. Dzięki temu, że maszyna elektryczna posiada trzy uzwojenia, a przekształtnik 1 jest trójfazowy powstaje połączenie równoległe trzech przetwornic obniżających wyprostowane napięcie źródła 8. Przetwornica obniżająca napięcie powstaje także w układzie tranzystora T3, diody D4 i cewki 2b oraz w układzie tranzystora T5, diody D6 i cewki 2c. Kontroler 9 steruje pracą przekształtnika 1, generując impulsy sterujące 10 i odczytując sygnały pomiaru napięcia 11 baterii 5, pomiaru prądu 12 baterii 5 i temperatury 13 uzwojeń stojana. Włączenie do pracy wybranej przetwornicy następuje poprzez wysłanie przez kontroler 9 impulsów sterujących 10 na tranzystor T1, T3 albo T5. Wygenerowanie synchronicznych impulsów sterujących 10 na tranzystor T1, T3 i T5 spowoduje pracę równoległą trzech przetwornic obniżających napięcie. Możliwa jest zatem regulacja parametrów ładowania baterii akumulatorów, a także ich kontrola. Wartość indukcyjności cewki włączonej w obwód ładowania może być regulowana skokowo i równa jest odpowiednio całości, połowie lub jednej trzeciej wartości indukcyjności fazowej uzwojenia maszyny elektrycznej. Proces ładowania jest kontrolowany poprzez pomiar

PL 220 979 B1 napięcia 11 baterii akumulatorów oraz pomiar prądu ładowania 12. Większość maszyn elektrycznych posiada wbudowane czujniki temperatury, umożliwiające pomiar temperatury uzwojeń stojana maszyny. W czasie ładowania akumulatorów maszyna elektryczna pracuje w stanie zwarcia z uwagi na nieruchomy wirnik i brak siły elektromotorycznej. Okresowa zmiana przewodzących tranzystorów przekształtnika 1 pozwala na równomierne obciążanie uzwojeń maszyny elektrycznej i ograniczenie nagrzewania się stojana. Dzięki informacji 13 o temperaturze uzwojeń można dokonać okresowych zmian w konfiguracji obwodu ładowania akumulatorów i chronić uzwojenia przed nadmiernym wzrostem wydzielanego ciepła.

Praca w trybie ładowania baterii akumulatorów 5 może odbywać się przy zasilaniu układu z jednofazowej albo trójfazowej sieci 8 prądu przemiennego, o różnych wartościach częstotliwości i amplitudy napięcia, gdy wartość napięcia wyprostowanego w prostowniku 7 jest większa od napięcia baterii akumulatorów 5. Przy zasilaniu z sieci trójfazowej 8 prostownik 7 składa się z dodatkowych diod 7e i 7f.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ ładowania baterii akumulatorów zintegrowany z przekształtnikowym napędem elektrycznym sterowany za pośrednictwem kontrolera, zawierający wielofazową maszynę prądu przemiennego, zasilający tą maszynę przekształtnik energoelektroniczny, który składa się z górnej grupy łączników i dolnej grupy łączników, przy czym każdy łącznik ma jeden sterowany element mocy i jedną diodę zwrotną połączone przeciwsobnie, oraz co najmniej jeden element stycznikowy o co najmniej trzech wyprowadzeniach, a także prostownik sieciowy, znamienny tym, że zawiera co najmniej jedną impulsową przetwornicę obniżającą napięcie złożoną z elementu przełączającego, elementu indukcyjnego oraz elementu prostownikowego, gdzie elementami składowymi tej przetwornicy są elementy wielofazowej maszyny elektrycznej prądu przemiennego o uzwojeniach fazowych połączonych w gwiazdę z dostępnym punktem neutralnym (3), i elementy przekształtnika energoelektronicznego (1), przy czym elementem indukcyjnym tej przetwornicy jest jedno z uzwojeń twornika (2a), (2b), (2c) umieszczone na stojanie wielofazowej maszyny prądu przemiennego, elementem przełączającym tej przetwornicy jest jeden ze sterowanych elementów (T1), (T3), (T5) mocy górnej grupy łączników przekształtnika energoelektronicznego (1), elementem prostownikowym tej przetwornicy jest jedna z diod zwrotnych (D2), (D4), (D6) dolnej grupy łączników przekształtnika energoelektronicznego (1), natomiast elementem zmieniającym, tryb pracy z układu ładowania akumulatorów w układ zasilania maszyny elektrycznej jest element stycznikowy (4) o co najmniej trzech zaciskach (4a), (4b), (4c), przy czym pierwszy zacisk (4a) połączony jest z biegunem dodatnim baterii akumulatorów (5), drugi zacisk (4b) połączony jest z potencjałem wspólnym górnej grupy łączników przekształtnika (1) oraz z potencjałem dodatnim prostownika sieciowego (7), a trzeci zacisk (4c) połączony jest z punktem neutralnym (3) maszyny elektrycznej.
2. 2. Układ ładowania według zastrz. 1, znamienny tym, że obwód pierwszej przetwornicy obniżającej napięcie składa się z elementu przełączającego w postaci pierwszego elementu (T1) mocy, z elementu indukcyjnego w postaci pierwszego uzwojenia fazowego (2a) oraz z elementu prostownikowego w postaci drugiej diody zwrotnej (D2).
3. 3. Układ ładowania według zastrz. 1, znamienny tym, że obwód drugiej przetwornicy obniżającej napięcie składa się z elementu przełączającego w postaci trzeciego elementu (T3) mocy, z elementu indukcyjnego w postaci drugiego uzwojenia fazowego (2b) oraz z elementu prostownikowego w postaci czwartej diody zwrotnej (D4).
4. 4. Układ ładowania według zastrz. 1, znamienny tym, że obwód trzeciej przetwornicy obniżającej napięcie składa się z elementu przełączającego w postaci piątego elementu (T5) mocy, z elementu indukcyjnego w postaci trzeciego uzwojenia fazowego (2c) oraz z elementu prostownikowego w postaci szóstej diody zwrotnej (D6).