UA60493A

UA60493A - power supply system FOR A hybrid electric vehicle

Info

Publication number: UA60493A
Application number: UA2002108226A
Authority: UA
Inventors: Анатолій Корнійович Шидловський; Анатолий Корнеевич Шидловський; Віктор Борисович Павлов; Виктор Борисович Павлов; Олег Миколайович Юрченко; Олег Николаевич Юрченко
Original assignee: Інститут Електродинаміки Національної Академії Наук України; Институт Электродинамики Национальной Академии Наук Украины
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2003-10-15

Abstract

The proposed power supply system for a hybrid electric vehicle contains two power-supply units and a dc-to-ac converter. The first power-supply unit is designed as an electrochemical generator with high power capacity, and the second power-supply unit is designed as a buffer battery. The dc-to-ac converter converts direct voltage into three-phase alternating voltage, which is used for feeding the traction asynchronous motor of the electric vehicle. The positive terminal of the buffer battery is connected to the corresponding terminal of the dc-to-ac converter via a controlled switching element, which is shunted by an inverse-connected thyristor. The positive terminal of the electrochemical generator is connected to the corresponding terminal of the dc-to-ac converter via an isolating diode. The anode of the shunting thyristor is connected to the common terminal of the circuit of the controlled switching element, the dc-to-ac converter and the isolating diode. The negative terminals of both power-supply units are connected to the negative terminal of the dc-to-ac converter.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до електротехніки, переважно може бути використаний в схемах електромобілів (ЕМ) та 2 в тяговому електроприводі колісних машин з живленням від декількох автономних джерел енергії.The invention relates to electrical engineering, it can mainly be used in the circuits of electric vehicles (EM) and 2 in the traction electric drive of wheeled vehicles with power from several autonomous energy sources.

Відома система електроприводу (1), яка має тягову акумуляторну батарею (АБ) та інвертор, що перетворює енергію постійного струму АБ в енергію трифазного змінного струму при роботі приводу в режимі двигуна та енергію гальмування в енергію заряду АБ при роботі тягового двигуна в генераторному режимі. Однак, наявність одного силового джерела енергії (АБ) зменшує ефективність роботи системи електроприводу, одна й та сама АБ 70 використовується як при запуску привода, так і при усталеному режимі руху, що зменшує міжзарядний пробіг електромобіля.An electric drive system (1) is known, which has a traction storage battery (AB) and an inverter that converts DC energy of the AB into three-phase alternating current energy when the drive is operating in engine mode and braking energy into charge energy of the AB when the traction motor is operating in generator mode. However, the presence of a single power source of energy (AB) reduces the efficiency of the electric drive system, the same AB 70 is used both at the start of the drive and in the steady state of movement, which reduces the range of the electric vehicle between charges.

Найбільш близьким технічним рішенням є система електроживлення електромобіля |21, яка містить дві АБ, інвертор, що живить тяговий асинхронний електродвигун трифазною змінною напругою, систему управління тяговим та рекуперативним режимами, а також системи контролю стану заряду обох АБ, регулювання струмів 12 заряду та перерозподіл електроенергії між батареями. При цьому одна з АБ забезпечує високу щільність енергії, що віддається, а інша - забезпечує високу щільність енергії, що приймається при роботі тягового двигуна ЕМ в генераторному режимі, заряджаючи потім першу АБ при її розряді.The closest technical solution is the power supply system of the electric car |21, which contains two ABs, an inverter that feeds the traction asynchronous electric motor with three-phase alternating voltage, a traction and regenerative mode control system, as well as a system for monitoring the state of charge of both ABs, regulation of 12 charge currents and redistribution of electricity between batteries. At the same time, one of the ABs provides a high energy density, which is given, and the other provides a high energy density, which is received during the operation of the EM traction engine in the generator mode, then charging the first AB when it is discharged.

Однак, в цій системі відсутня можливість регулювання віддачі енергії інвертору від АБ. Так батарея з високою щільністю енергії, що приймається, має можливість без перешкод розряджатися на навантаження при роботі інвертора, що знижує її рівень зарядженості, та, відповідно, кількість енергії, що віддається в першу батарею. При цьому може виникнути такий режим роботи, коли АБ з високою щільністю енергії, що приймається виявиться повністю розрядженою, тому що величина енергії рекуперативного гальмування може виявитися недостатньою для відновлення її ємності. В цьому випадку порушується штатний режим роботи такої системи електроживлення. 29 Тому в дану систему вводять додатковий генератор з приводом від двигуна внутрішнього згоряння, що « забезпечує підзаряд обох АБ. Однак це призводить до збільшення масогабаритних показників системи електроживлення та зниження її надійності.However, in this system, there is no possibility to adjust the energy return of the inverter from the AB. Thus, a battery with a high energy density received has the ability to discharge without interference to the load during the operation of the inverter, which reduces its charge level and, accordingly, the amount of energy given to the first battery. At the same time, such a mode of operation may occur, when the AB with a high energy density received will be completely discharged, because the amount of regenerative braking energy may be insufficient to restore its capacity. In this case, the regular mode of operation of such a power supply system is violated. 29 Therefore, an additional generator driven by an internal combustion engine is introduced into this system, which "provides recharging of both ABs." However, this leads to an increase in the weight and size indicators of the power supply system and a decrease in its reliability.

Слід також зазначити, що розглянута система не дозволяє в якості другого джерела живлення застосувати електрохімічний генератор або паливний елемент з високою енергоємністю, тому що ці джерела мають, як о 30 правило, невелику щільність енергії, що віддається, і не можуть бути заряджені рекуперативним струмом. Таким Ге»! чином перераховані вище недоліки зменшують ККД систем електроживлення, надійність її роботи та міжзарядний пробіг ЕМ. ЗIt should also be noted that the system in question does not allow the use of an electrochemical generator or a fuel cell with a high energy capacity as a second power source, because these sources, as a rule, have a low energy density and cannot be charged with a regenerative current. Such Ge"! in this way, the shortcomings listed above reduce the efficiency of power supply systems, the reliability of its operation, and the inter-charge mileage of the EM. WITH

Задачею винаходу є створення такої системи електроживлення гібридного електромобіля, в якій Га») застосування електрохімічного генератора з високою енергоємністю, підключеного до трифазного інвертора 3о через розподільний діод, та буферної АБ з високою щільністю енергії, підключеної до трифазного інвертора ее, через ключовий елемент, що шунтується зворотнім тиристором, дозволяє підвищити ККД системи і надійність її робота та, як наслідок, збільшити міжзарядний пробіг електромобіля.The task of the invention is to create such a power supply system for a hybrid electric vehicle, in which the application of an electrochemical generator with high energy capacity, connected to a three-phase inverter 3o through a distribution diode, and a buffer AB with a high energy density, connected to a three-phase inverter ee, through a key element that is shunted by a reverse thyristor, allows to increase the efficiency of the system and the reliability of its operation and, as a result, to increase the mileage of the electric vehicle.

Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в системі електроживлення гібридного електромобіля, що « має два силових джерела енергії, один з яких - електрохімічний генератор з високою енергоємністю, а другий - З 50 буферна АБ з високою щільністю енергії, що віддається та приймається, та інвертор, що перетворює енергію с постійного струму в енергію трифазного змінного струму та живить тяговий асинхронний електродвигун, з» буферна АБ підключена позитивним полюсом до позитивного входу інвертора через додатково введений повністю керований ключовий елемент, що шунтується зворотнім тиристором, анод якого з'єднано з загальною точкою ключового елементу, інвертора та катода розподільного діода, що підключає позитивний полюс 45 електрохімічного генератора до інвертора, а негативні полюси двох силових джерел під'єднані до негативного б входу інвертора. ав | Порівняльний аналіз відомих технічних рішень показує, що запропонований пристрій має підвищений ККД та надійність завдяки тому, що в схему введено додаткове джерело живлення з високою енергоємністю е (електрохімічний генератор) та повністю керований ключовий елемент, який дозволяє обмежити довільний (Те) 20 розряд буферної АБ. Таким чином система електроживлення має більш високий запас енергії і дозволяє більш раціонально здійснити її витрату та перерозподіл під час руху, що в підсумку призводить до збільшення с» міжзарядного пробігу електромобіля.The task is solved thanks to the fact that in the power supply system of the hybrid electric car, which "has two power sources of energy, one of which is an electrochemical generator with high energy capacity, and the second is a Z 50 buffer battery with a high density of energy that is given and received, and an inverter , which converts energy from direct current into three-phase alternating current energy and feeds the traction asynchronous electric motor, with" buffer AB connected with the positive pole to the positive input of the inverter through an additionally introduced fully controlled key element shunted by a reverse thyristor, the anode of which is connected to the common point the key element, the inverter and the cathode of the distribution diode connecting the positive pole 45 of the electrochemical generator to the inverter, and the negative poles of the two power sources are connected to the negative b input of the inverter. av | A comparative analysis of known technical solutions shows that the proposed device has increased efficiency and reliability due to the fact that an additional power source with a high energy capacity e (electrochemical generator) and a fully controlled key element that allows limiting the arbitrary (Te) 20 discharge of the buffer AB are introduced into the scheme . In this way, the power supply system has a higher reserve of energy and allows for more rational consumption and redistribution during movement, which ultimately leads to an increase in the inter-charge range of the electric vehicle.

На основі наведеного вище можна зробити висновок про те, що сукупність суттєвих ознак, наведених в формулі винаходу, є необхідною та достатньою для досягнення нового технічного результату, що забезпечується винаходом. в. Електрохімічний генератор підключено до входу інвертора через розподільний діод, а буферну АБ - через повністю керований ключовий елемент, що шунтується зворотнім тиристором, а до виходу інвертора підключено асинхронний тяговий електродвигун.On the basis of the above, it can be concluded that the set of essential features given in the claims is necessary and sufficient to achieve a new technical result provided by the invention. in. The electrochemical generator is connected to the input of the inverter through a distribution diode, and the buffer AB - through a fully controlled key element shunted by a reverse thyristor, and an asynchronous traction electric motor is connected to the output of the inverter.

На фігурі зображена функціональна схема системи електроживлення гібридного електромобіля. Пристрій 60 складається з інвертора 1, повністю керованого ключового елемента 2, зворотного тиристора З, буферної АБ 4, електрохімічного генератора 5, розподільного діода 6, асинхронного двигуна 7.The figure shows the functional diagram of the power supply system of a hybrid electric vehicle. The device 60 consists of an inverter 1, a fully controlled key element 2, a reverse thyristor Z, a buffer AB 4, an electrochemical generator 5, a distribution diode 6, an asynchronous motor 7.

Пристрій працює таким чином. Спочатку інвертор 1 не працює, повністю керований ключовий елемент 2 знаходиться в закритому стані, зворотній тиристор З також закритий, буферна АБ 4 та електрохімічний генератор 5 знаходяться в зарядженому стані. В момент початку руху вмикаються інвертор 1 та повністю бо керований ключовий елемент 2 і на асинхронний електродвигун 7 подається живлення. Через те, що рівень напруги буферної АБ 4 вибирається вище напруги електрохімічного генератора 5 розподільний діод 6 залишається в закритому стані і живлення інвертора 1 здійснюється лише від буферної батареї 4 до тих пір, поки пусковий струм не знизиться до значення, рівного номінальному розрядному струму електрохімічного генератора 5, після чого ключовий елемент 2 закривається, розподільний діод 6 при цьому відкривається і живлення інвертора 1 здійснюється тільки від електрохімічного генератора 5 до повної зупинки електромобіля.The device works like this. Initially, the inverter 1 does not work, the fully controlled key element 2 is in the closed state, the reverse thyristor C is also closed, the buffer AB 4 and the electrochemical generator 5 are in the charged state. At the moment of starting the movement, the inverter 1 and the fully controlled key element 2 are turned on, and the asynchronous electric motor 7 is supplied with power. Due to the fact that the voltage level of the buffer AB 4 is selected above the voltage of the electrochemical generator 5, the distribution diode 6 remains in the closed state and the inverter 1 is powered only by the buffer battery 4 until the starting current decreases to a value equal to the nominal discharge current of the electrochemical generator 5, after which the key element 2 is closed, the distribution diode 6 at the same time opens and the inverter 1 is powered only from the electrochemical generator 5 until the electric vehicle comes to a complete stop.

Якщо в процесі руху електромобіля струм навантаження перевищить значення номінального струму розряду електрохімічного генератора 5 (рух з підвищеною швидкістю або на гору), тоді знову відкривається повністю керований ключовий елемент 2 і живлення інвертора 1 здійснюється від буферної АБ 4. При цьому в якості 7/0 ключового елемента 2 може бути використаний або напівпровідниковий ключ або контактор. Ці елементи включаються або виключаються в залежності від уставки струму, величина якої встановлюється виходячи з параметрів джерел живлення 4 та 5. Для здійснення режиму рекуперативного гальмування інвертор 1 перетворює енергію змінного струму тягового асинхронного електродвигуна 7, переведеного в генераторний режим, в енергію постійного струму. При цьому відкривається зворотній тиристор З і відбувається заряд буферної АБ 4, причому в цьому режимі ключовий елемент 2 знаходиться у вимкненому стані, а розподільний діод б закритий, що перешкоджає проходженню рекуперативного струму через електрохімічний генератор 5.If, during the movement of the electric vehicle, the load current exceeds the rated current of the discharge of the electrochemical generator 5 (movement at a high speed or uphill), then the fully controlled key element 2 opens again and the inverter 1 is powered by the buffer AB 4. At the same time, as 7/0 of the key element 2, either a semiconductor key or a contactor can be used. These elements are turned on or off depending on the current setting, the value of which is set based on the parameters of the power sources 4 and 5. To implement the regenerative braking mode, the inverter 1 converts the alternating current energy of the traction asynchronous electric motor 7, transferred to the generator mode, into direct current energy. At the same time, the reverse thyristor C opens and the buffer AB 4 is charged, and in this mode, the key element 2 is in the off state, and the distribution diode b is closed, which prevents the passage of regenerative current through the electrochemical generator 5.

Зворотній тиристор З вимикається як при зниженні рекуперативного струму нижче струму утримання, так і при продовженні руху електромобіля після завершення гальмування.The reverse thyristor Z is turned off both when the regenerative current drops below the holding current and when the electric vehicle continues to move after braking is complete.

Таким чином у порівнянні з прототипом, запропонований пристрій дозволяє здійснити більш повне керування 2о потоками енергії від двох джерел живлення у всіх режимах руху ЕМ, а це, в свою чергу, дає можливість використовувати електрохімічні генератори з підвищеною енергоємністю, тому що живлення в найбільш навантажених режимах здійснюється тільки від буферної АБ з високою щільністю енергії, що віддається та приймається. Крім того, в даній системі забезпечується висока ефективність рекуперативного гальмування та заряду буферної АБ. Все перераховане вище дозволяє отримати новий технічний результат - збільшити ККД і г5 Надійність роботи системи електроживлення гібридного електромобіля, що значно підвищує його міжзарядний пробіг та ефективність застосування. «Thus, in comparison with the prototype, the proposed device allows for more complete control of energy flows from two power sources in all modes of EM motion, and this, in turn, makes it possible to use electrochemical generators with increased energy capacity, because the power supply in the most loaded modes is carried out only from a buffer AB with a high energy density, which is given and received. In addition, this system provides high efficiency of regenerative braking and charging of the buffer battery. All of the above makes it possible to obtain a new technical result - to increase the efficiency and g5 Reliability of the power supply system of the hybrid electric vehicle, which significantly increases its mileage and application efficiency. "

Список літератури: 1. Пат.5629603 США, МКИ? Вб01І11/18. ЕїІесігіс вувієт ої еїесігіс мейісіє / Кіпозпйа ЗПідепогі; ЕціїReferences: 1. Pat. 5629603 USA, MKI? Vb01I11/18. EiIesigis vuviet oi eiesigis meiisie / Kipospya ZPidepogi; Ezio

ЕІесігіс Со., ца. - Мо170906; Опубл. 13.5.97; НКИЗ20/11. со 2. Пат.5883496 США, МПК9 НОг.)7/00. ЕІесігіс мепісіє ромег зирріу / Евзакі Кепі, Могакі Ко; ТоуоїаEiesigis So., tsa. - Mo170906; Publ. 13.5.97; NKIZ20/11. so 2. Pat. 5883496 USA, IPC9 NOg.)7/00. Eisigis mepisiye romeg zirriu / Evzaki Kepi, Mogaki Ko; Touoia

Лаозна К.К. - Мо845345; Опубл. 21.4.97; НПКЗ20/132. ФLaozna K.K. - Mo845345; Publ. 21.4.97; NPKZ20/132. F

Claims

"Formula of the invention | "c) (Se) The electric power system of a hybrid electric vehicle having two power sources of energy, one of which is an electrochemical generator with a high energy capacity, and the second is a buffer battery with a high energy density, which is given and received, and an inverter that converts energy direct current into three-phase alternating current energy and feeds the traction asynchronous electric motor, which differs in that the buffer storage battery is connected with the positive pole to the positive input of the inverter through - with a fully controlled key element shunted by a reverse thyristor, the anode of which is connected to the common the point of the key element, the inverter and the cathode of the distribution diode, which connects the positive pole "» of the electrochemical generator to the inverter, and the negative poles of the two power sources are connected to the negative input of the inverter.

(22) ((c) sh" at 50 syu"

R 60 b5