RU2851784C1 - Усилитель мощности на основе суперконденсаторов для индивидуального электрического средства передвижения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к усилителю мощности на основе суперконденсаторов для индивидуального электрического средства передвижения. Усилитель состоит из преобразователя постоянного тока и нескольких последовательно установленных между собой суперконденсаторов. Преобразователь постоянного тока установлен последовательно между выходом аккумулятора электрического средства передвижения и входом электрического привода указанного средства передвижения. Суперконденсаторы установлены параллельно преобразователю постоянного тока. Преобразователь постоянного тока содержит байпасный переключатель. Достигается обеспечение достижения максимальной мощности двигателя индивидуального электрического средства передвижения за короткий промежуток времени. 1 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к устройству в области электротехники и предназначено для электропитания нагрузки от аккумулятора, например, электрохимического или конденсаторного, для индивидуальных электрических средств передвижения, таких как электромотоциклы, электромобили и т.п.

В настоящее время индивидуальные электрические средства передвижения являются альтернативой автомобилям с двигателями внутреннего сгорания, особенно с целью поездок на короткие расстояния в черте города. Как правило, такие средства передвижения имеют простую систему питания, состоящую из источника энергии, инвертора и электродвигателя. Источником энергии обычно является литий-ионный аккумулятор с системой управления аккумулятором. В последнее время активно разрабатываются компактные и надежные электрические средства передвижения, а также надежные электрические приводы для управления ими. Однако технология, разработанная в заявляемом изобретении, связана с источником энергии - аккумулятором. Индивидуальным средствам передвижения обычно требуется усиление мощности для обгона других транспортных средств, для подъема в гору или просто для начала движения. Это повышение мощности обеспечивается аккумулятором, и пока оно обеспечивается, напряжение аккумулятора падает, что приводит к падению напряжения в аккумуляторе. По мере того, как батарея аккумулятора разряжается, падение напряжения увеличивается, из-за чего электрический привод не может передавать максимальную мощность на колеса, поэтому результатом является снижение мощности по мере того, как батарея становится все более разряженной.

Из уровня техники известны аналогичные решения, одно из них (см. патент FR2757806, опубл. 05.02.1999 г.) предлагает использовать суперконденсаторы, последовательно соединенные с аккумуляторами на определенные моменты времени во время движения автомобиля. Недостатком решения является то, что работа суперконденсаторов ограничена, а ток в батарее не контролируется должным образом, что повышает риски снижения срока службы батареи.

Решением этого недостатка стало использование двух преобразователей энергии: одного для батареи, а другого для суперконденсатора. Например, устройство преобразования мощности двигателя (см. патент CN208424249, 22.01.2019 г.) позволило добиться повышения мощности и рекуперативного торможения, однако, указанное устройство недостаточно эффективно и надежно, поскольку энергия проходит через два преобразователя напряжения. Аналогичное решение (см. патент CN211265582, опубл., 14.08.2020 г.) было ориентировано на свинцово-кислотные аккумуляторы и системы обогрева автомобилей. Существует также решение (см. патент CN211543271, 22.09.2020 г.), в котором аккумулятор и суперконденсатор соединены дополнительными преобразователем напряжения постоянного тока (DC/DC) и преобразователем постоянного напряжения в переменное (DC/AC). Однако использование этой альтернативы подразумевает наличие большего количества компонентов, что делает ее систему более громоздкой, более дорогой и менее надежной.

Другое решение предполагает использование трех источников энергии (см. патент CN114179632, опубл. 15.03.2022 г.), двух независимых блоков суперконденсаторов для подъема и торможения и одной батареи для движения без ускорения. Это решение не лучшим образом подходит для электрических средств передвижения из-за ограниченного объема транспортного средства. Другие подобные изобретения связаны с методами управления для достижения наилучших характеристик гибридной системы (см. патент CN109450063, опубл. 13.05.2022 г.).

Задача, на решение которой направлено техническое решение, заключается в создании устройства, добавляющего энергию основному ее источнику индивидуального электрического средства передвижения, для обеспечения возможности достичь максимальную мощность двигателя за короткий промежуток времени.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении возможности достижения максимальной мощности двигателя индивидуального электрического средства передвижения за короткий промежуток времени, а также в повышении срока службы аккумулятора электрического средства передвижения за счет обеспечения возможности контроля тока аккумулятора.

Технический результат достигается тем, что усилитель мощности на основе суперконденсаторов для индивидуального электрического средства передвижения состоит из преобразователя постоянного тока и нескольких последовательно установленных между собой суперконденсаторов, причем преобразователь постоянного тока установлен последовательно между выходом аккумулятора электрического средства передвижения и входом электрического привода указанного средства передвижения, а суперконденсаторы установлены параллельно преобразователю постоянного тока, при этом преобразователь постоянного тока содержит байпасный переключатель.

Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурой, на которой изображена его структурная схема. Цифрами обозначено следующее:

1 – аккумулятор электрического средства передвижения,

2 – электрический привод средства передвижения,

3 – преобразователь постоянного тока,

4 – суперконденсаторы.

Предлагаемое изобретение заключается в добавлении к основному источнику энергии, аккумулятору 1 средства передвижения, дополнительного источника энергии – суперконденсаторов 4, которые могут быстро доставлять необходимое количество энергии для поддержания максимальной мощности средства передвижения при объезде, подъеме или трогании с места. По сравнению с известными техническими решениями заявляемое является более гибким, так как может быть установлено на любое индивидуальное электрическое средство передвижения (например, электромотоцикл, электровелосипед, электромобиль и т.п.). Изобретение не является полноценной силовой системой, а является дополнением к существующей силовой системе, поэтому его можно установить на любое индивидуальное электрическое средство передвижения.

Изобретение представляет собой единое устройство - комплект суперконденсаторов 4, последовательно соединенных друг с другом, байпасный переключатель и преобразователь постоянного тока 3, который должен быть подключен между электрическим приводом 2 и аккумулятором 1 электрического средства передвижения. Таким образом, обеспечивается контроль тока аккумулятора 1, а также контроль входного напряжения электрического привода 2 преобразователем тока 3 с суперконденсаторами 4. Кроме того, изобретение является надежным, поскольку в случае отсутствия энергии в суперконденсаторах 4, устройство шунтируется и подключается аккумулятор 1, как и в случае отсутствия дополнительного источника энергии в энергосистеме.

Количество суперконденсаторов 4, используемых в усилителе мощности, является минимальным и достаточным для обеспечения достижения максимальной мощности двигателя средства передвижения за короткий промежуток времени, рекомендуемым является комплект из 15 суперконденсаторов. При этом их может быть больше, но вес транспортного средства также будет больше. Количество суперконденсаторов может быть меньше. Так, минимальное количество единиц для использования топологии полумостового преобразователя ограничено минимальным напряжением комплекта суперконденсаторов. Для использования полумостовых преобразователей рекомендовано, чтобы минимальное напряжение комплекта суперконденсаторов составляло не менее 25 % от ожидаемого напряжения на выходе. Например, ожидаемое напряжение составляет 96 В, поэтому минимальное напряжение комплекта суперконденсаторов составляет 24 В, а значит, необходимо 15 суперконденсаторов (заряженных на половину напряжения, 1,5 В). Количество суперконденсаторов 4, используемых в заявляемом устройстве, пропорционально времени, в течение которого водитель может использовать эту дополнительную энергию. Например, если время использования дополнительной энергии - от 3 до 10 секунд, то в устройстве используется 10 суперконденсаторов. Пример указан для мощности электродвигателя 15кВт и суперконденсаторов номинальной емкостью 3000 Ф напряжением до 3 В. Точное время использования дополнительной энергии может быть настроено пользователем. Например, использование дополнительной энергии минимальное время (3 секунды) происходит, когда суперконденсаторы передают всю энергию, а батарея аккумулятора не вносит в нее никакого вклада. Однако батарея аккумулятора также может доставлять некоторое количество энергии. Таким образом, и батарея аккумулятора, и суперконденсаторы могут распределять нагрузку и иметь увеличенное время работы. В данном конкретном примере более 10 секунд будет слишком большим током для аккумулятора.

В изобретении в качестве преобразователя постоянного тока 3 используется двунаправленный преобразователь для управления током аккумуляторной батареи и поддержания готовности суперконденсаторов 4 к работе. Устройство активируется нажатием триггерной кнопки, подключенной по каналу связи к микроконтроллеру преобразователя постоянного тока 3. При нажатии кнопки суперконденсаторы 4 высвобождают энергию за счет увеличения входного напряжения электрического привода 2 двигателя, чтобы он мог выдавать максимальную мощность. Эта мощность передается в течение примерно 8 секунд. Время регулируется пользователем от 1 до 10 с. Также возможно срабатывание в автоматическом режиме. В этом случае триггером является не кнопка, а установленный в настройках преобразователя постоянного тока 3 ток, потребляемый электрическим приводом 2.

Использование только одного преобразователя постоянного тока 3 позволяет усилителю мощности обладать простой конструкцией из минимума компонентов и меньшим размером. В случае отсутствия энергии в суперконденсаторах 4 или его неисправности, подключение аккумулятора 1 осуществлено непосредственно к электрическому приводу 2 с помощью байпасного переключателя, расположенного внутри преобразователя постоянного тока 3, что повышает надежность системы.

Усилитель мощности представляет собой подключаемое устройство, заключенное в металлический корпус, который можно подключить к любому индивидуальному электрическому средству передвижения, которое будет иметь новые функции: защиту тока аккумулятора 1, повышение мощности с помощью суперконденсаторов 4 для подъема, запуска и обгона транспортных средств за короткий промежуток времени, рекуперацию энергии без ограничений по току рекуперации, присущих аккумуляторным батареям.

Работа усилителя мощности осуществляется следующим образом. Усилитель мощности подключают между аккумулятором 1 и электрическим приводом 2 средства передвижения. Электрическое средство передвижения заводят и управляют движением известным способом. В этот момент усилитель мощности не активен, и вся мощность поступает от аккумулятора 1. Суперконденсаторы 4 содержат определенный запас мощности, заряжаясь небольшим током (порядка 0.1-0.2 Кл для 5-10 A) от аккумулятора 1. Энергия сохраняется до тех пор, пока водитель не решит высвободить дополнительную энергию для увеличения выходной мощности автомобиля (в моменты обгона, заезда на препятствие и т.п.). При возникновении такой необходимости водитель нажимает триггерную кнопку, подавая сигнал на микроконтроллер преобразователя постоянного тока 3. Преобразователь постоянного тока 3 адаптирует свои значения для высвобождения энергии из суперконденсаторов 4 и суперконденсаторы 4 выделяют энергию, тем самым обеспечивая ей электрический привод 2 и электродвигатель средства передвижения как от аккумулятора 1, так и от суперконденсаторов 4. Иными словами, преобразователь постоянного тока 3 принимает энергию со входа аккумулятора 1 и энергию с суперконденсаторов 4 с помощью устройств кратковременного хранения энергии (магнитных элементов), а затем высвобождает эту энергию при более высоком напряжении на выходе, где суперконденсаторы 4 получают эту энергию и обеспечивают непрерывную максимальную мощность электрическому приводу 2 и электродвигателю, которую двигатель может выдержать в течение нескольких секунд, достаточную для того, чтобы обогнать другое транспортное средство, подняться на холм или выполнить другие усилия за короткое время. При этом конструкция устройства не повреждает и не сокращает срок службы аккумулятора 1, так как ток аккумулятора будет ограничен предлагаемым устройством. Последовательное включение усилителя мощности с аккумулятором 1 и электрическим приводом 2, который управляет двигателем, позволяет контролировать ток аккумулятора 1, когда он превышает установленные в преобразователе тока 3 пределы, избегая его пиков. Значения ограничены от 1 до 3 Кл (например, 150 А) и контролируются пользователем транспортного средства. При этом 1 Кл обеспечивает более длительный срок службы батареи аккумулятора, а 3 Кл обеспечивает ее большую доступную мощность. Таким образом, обеспечивается продление срока службы аккумулятора 1. Количество секунд на ускорение и показатели мощности обратно пропорциональны друг другу за счет фиксированного количества энергии, содержащейся в суперконденсаторах 4. Например, мощность можно увеличить на 50% за 5 секунд или на 25% за 10 секунд. Настройку показателей можно отрегулировать программно, изменив параметры в системе управления преобразователя тока 3.

При истощении суперконденсаторов 4, когда они не могут продолжать способствовать передаче энергии, но сохраняется необходимость обеспечения дополнительной мощности, автоматически включается байпасный переключатель. В случае неисправности суперконденсаторов 4 байпасный переключатель также будет активен.

После разрядки суперконденсаторы 4 заряжаются известным способом, при этом время их зарядки зависит от размера батареи аккумулятора 1 и количества суперконденсаторов 4. Чем больше количество суперконденсаторов, тем дольше время их зарядки, чем больше емкость батареи, тем наоборот быстрее заряд. Суперконденсаторы 4 следует заряжать низким током, который не мешает нормальной работе аккумуляторной батареи. Рекомендуемый максимальный зарядный ток «C/5». Таким образом, для стандартной аккумуляторной батареи емкостью 50 Ач требуется около 100 секунд, чтобы она была готова к использованию. Время зарядки можно адаптировать к конкретному аккумулятору 1.

Представленное изобретение ориентировано на улучшение использования аккумуляторной батареи, увеличение мощности средства передвижения в критические моменты и использование преимуществ рекуперативного торможения. Усилитель мощности можно подключить к любому индивидуальному электрическому средству передвижения, аккумулятор которого подключен к электрическому приводу, управляющему электрическим двигателем. В заявляемом устройстве используются как аккумуляторная батарея, так и суперконденсаторы, когда пользователю требуется максимальная мощность за несколько секунд. Эта функция контролируется байпасным переключателем, что отличает изобретение от известных из уровня техники решений, в которых пользователь не имеет контроля тока аккумулятора, в то время как заявляемое решение позволяет извлекать энергию из двух источников энергии, когда требуется максимальное ее количество.

Claims (1)

1. Усилитель мощности на основе суперконденсаторов для индивидуального электрического средства передвижения, состоящий из преобразователя постоянного тока и нескольких последовательно установленных между собой суперконденсаторов, причем преобразователь постоянного тока установлен последовательно между выходом аккумулятора электрического средства передвижения и входом электрического привода указанного средства передвижения, а суперконденсаторы установлены параллельно преобразователю постоянного тока, при этом преобразователь постоянного тока содержит байпасный переключатель.