FI125077B - Sähköinen voimanlähdekokoonpano ajoneuvoa varten ja sähköisellä voimanlähdekokoonpanolla varustettu ajoneuvo - Google Patents

Description

Sähköinen voimanlähdekokoonpano ajoneuvoa varten ja sähköisellä voimanlähdekokoonpanolla varustettu ajoneuvo

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy sähköiseen voimanlähdekokoonpanoon ajoneuvoa varten. Sähköisellä voimanlähdekokoonpanolla varustettu ajoneuvo, kuten hybridiajoneuvo tai sähköajoneuvo, käsittää lukuisia jännitemuuttajia eri käyttötarkoituksiin. Ongelmana tunnetuissa sähköisissä voimanlähdekokoonpanois-sa on se, että lukuisat erityyppiset jännitemuuttajat nostavat ajoneuvon valmistus- ja huoltokustannuksia.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on kehittää sähköinen voimanlähdekokoonpano, jolla yllä mainittu ongelma saadaan ratkaistua. Keksinnön tavoite saavutetaan sähköisellä voimanlähdekokoonpanolla, jolle on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että identtisiä muuttajayksiköitä käytetään eri muuttajayksikköryhmissä eri tehtävissä. Yhdessä muuttajayksikköryhmässä muuttajayksikköä käytetään vaihtosuuntaajana, kun taas toisessa muuttajayksikköryhmässä identtistä muuttajayksikköä käytetään tasajännitemuuttajana. On myös mahdollista käyttää identtistä muuttajayksikköä tasasuuntaajana.

Keksinnön mukaisen sähköisen voimanlähdekokoonpanon etuna ovat aiempaa alhaisemmat valmistus- ja huoltokustannukset perustuen muun muassa muuttajayksiköiden suurempiin valmistussarjoihin ja varaosanimikkei-den pienempään määrään.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaista sähköistä voimanlähdekokoonpanoa ajoneuvoa varten; ja

Kuvio 2 esittää kuvion 1 sähköisen voimanlähdekokoonpanon yhden muuttajayksikön yksinkertaistettua kytkentäkaaviota.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvion 1 sähköinen voimanlähdekokoonpano ajoneuvoa varten käsittää tasajännitekiskoston BBS, tasajännitekiskostoon BBS liitetyt muuttajayk-sikköryhmät GC, EC1, MVC, EC2, HC ja MC, ja ohjainvälineet CTRL muutta-jayksikköryhmien ohjaamiseksi. Voimanlähdekokoonpano käsittää lisäksi ge-neraattorivälineet G1, käyttövoima-akuston DB, matalajännite-energiavarastovälineet, lämmitysvastusvälineet HR, neljä kolmevaiheista ajo-moottoria DM1 - DM4 ja verkkolatausvälineet.

Ajomoottorimuuttajayksikköryhmä MC käsittää neljä muuttajayksik-köä, muista muuttajayksikköryhmistä kukin käsittää yhden muuttajayksikön. Kaikkien muuttajayksikköryhmien muuttajayksiköt ovat keskenään identtisiä. Kuvion 1 voimanlähdekokoonpano käsittää siis yhdeksän identtistä muutta-jayksikköä.

Kuvio 2 esittää yhden muuttajayksikön yksinkertaistettua kytkentäkaaviota. Kuviosta 2 nähdään, että kukin identtisistä muuttajayksiköistä käsittää ohjattavat kytkimet S1 - S6 sekä ensimmäisen naparyhmän ja toisen na-paryhmän. Ensimmäinen naparyhmä käsittää ensimmäiset navat T11 ja T12, ja toinen naparyhmä käsittää toiset navat T21, T22 ja T23. Ensimmäisten napojen T11 ja T12 välille on kytketty kondensaattori C1. Kunkin muuttajayksikön ensimmäiset navat T11 ja T12 on liitetty tasajännitekiskostoon BBS.

Ohjainvälineet CTRL on sovitettu kunkin muuttajayksikön ohjattavien kytkinten S1 - S6 ohjaamiseksi. Ohjainvälineet CTRL käsittävät erilaisen ohjainohjelman ja erilaiset ohjainparametrit kutakin muuttajayksikköryhmää kohti. Ohjainvälineet CTRL on sovitettu ohjaamaan muuttajayksiköitä muutta-jayksikköryhmäkohtaisesti siten, että identtisiä muuttajayksiköitä käytetään eri muuttajayksikköryhmissä eri tehtävissä. Ohjainvälineet CTRL ohjaavat muuttajayksiköitä kenttäväylän (ei esitetty) kautta.

Vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa ohjainvälineet käsittävät saman ohjainohjelman kutakin muuttajayksikköryhmää kohti, vain ohjainparametrien ollessa muuttajayksikköryhmäkohtaisia. Vaikka kuviossa 1 ohjainvälineet on kuvattu keskitettyinä välineinä, jotka sijaitsevat erillään muuttajayksiköistä, voidaan vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa ohjainohjelmat ja ohjainparametrit sijoittaa osittain tai kokonaan muuttajayksiköiden yhteyteen. Käyttövoima-akusto DB on ajoneuvon liikuttamiseen tarvittavan energian varastointiin sovitettu korkeajännitteinen akusto. Ensimmäisen ener-giavarastomuuttajayksikköryhmän EC1 ensimmäinen energiavarastomuutta- jayksikkö on sovitettu toimimaan tasajännitemuuttajana tasajännitekiskoston BBS ja käyttövoima-akuston DB välillä. Ensimmäisen energiavarastani uutta-jayksikön kaksi ensimmäistä napaa on liitetty tasajännitekiskostoon BBS, ja kolme toista napaa on liitetty käyttövoima-akustoon DB. Käyttövoima-akustoa DB ladattaessa ensimmäinen energiavarastomuuttajayksikkö toimii jännitteen-nostomuuttajana syöttäen energiaa tasajännitekiskostosta BBS käyttövoima-akustoon DB. Käyttövoima-akustoa DB purettaessa ensimmäinen energiavarastomuuttajayksikkö toimii jännitteenlaskumuuttajana syöttäen energiaa käyt-tövoima-akustosta DB tasajännitekiskostoon BBS.

Matalajännite-energiavarastovälineiden jännitetaso on alhaisempi kuin käyttövoima-akuston DB jännitetaso. Matalajännite-energiavarastovälineet käsittävät matalajänniteakun LVB ja superkondensaattorin SC. Toisen ener-giavarastomuuttajayksikköryhmän EC2 toinen energiavarastomuuttajayksikkö on sovitettu toimimaan tasajännitem uuttajana tasajännitekiskoston BBS ja ma-talajännite-energiavarastovälineiden välillä. Toisen energiavarastani uuttajayk-sikön kaksi ensimmäistä napaa on liitetty tasajännitekiskostoon BBS. Toisen energiavarastomuuttajayksikön toisista navoista kaksi on liitetty superkonden-saattoriin SC ja yksi matalajänniteakkuun LVB.

Matalajänniteakkua LVB voidaan käyttää superkondensaattorin SC lataamiseen. Superkondensaattoria SC voidaan käyttää antamaan energiaa polttomoottorin ICE käynnistämiseksi. Superkondensaattoria SC kyetään purkamaan olennaisesti suuremmalla virralla kuin matalajänniteakkua LVB.

Matalajänniteakku voi olla nimellisjännitteeltään esimerkiksi 12V tai 24V. Vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa matalajännite-energiavarastovälineet voivat käsittää pelkän matalajänniteakun ilman superkondensaattoria, tai pelkän superkondensaattorin ilman matalajänniteakkua.

Kolmivaiheiset ajomoottorit DM1 - DM4 on sovitettu ajoneuvon liikuttamiseksi. Kukin kolmivaiheisista ajomoottoreista DM1, DM2, DM3 ja DM4 on liitetty ajomoottorimuuttajayksikköryhmän MC vastaavaan ajomoottorimuut-tajayksikköön. Kukin ajomoottorimuuttajayksikkö on sovitettu toimimaan sekä vaihtosuuntaajana että tasasuuntaajana tasajännitekiskoston BBS ja vastaavan kolmivaiheisen ajomoottorin välillä. Ajoneuvoa kiihdytettäessä ajomoottorimuuttajayksikkö toimii vaihtosuuntaajana syöttäen tehoa vastaavalle ajomoot-torille. Ajoneuvoa jarrutettaessa ajomoottorimuuttajayksikkö toimii tasasuuntaajana syöttäen tehoa tasajännitekiskostoon BBS.

Ohjainvälineet CTRL on sovitettu ohjaamaan kutakin ajomoottoreis-ta DM1, DM2, DM3 ja DM4 muista ajomoottoreista riippumattomasti. Eräässä suoritusmuodossa kukin neljästä ajomoottorista on liitetty ajoneuvon vastaavaan pyörään, jolloin ajoneuvo on nelivetoinen. Ajomoottoreiden yksilöllistä säätöä voidaan hyödyntää vetoluistonestossa ja ajovakauden hallinnassa.

Verkkolatausvälineet on sovitettu käyttövoima-akuston DB lataamiseksi sähköverkosta. Verkkolatausvälineet käsittävät sähköverkkoliittimen PL, joka on sovitettu liitettäväksi sähköverkkoon, ja vaihtokytkimen CS, joka ensimmäisessä asennossaan liittää yhden ajomoottorimuuttajayksikön toiset navat kolmivaiheisen ajomoottorin DM4 napoihin, ja toisessa asennossaan liittää mainitun yhden ajomoottorimuuttajayksikön toiset navat sähköverkkoliittimeen PL. Vaihtokytkimen CS toisessa asennossa ajomoottoria DM4 vastaava ajo-moottorimuuttajayksikkö on sovitettu toimimaan sekä vaihtosuuntaajana että tasasuuntaajana tasajännitekiskoston BBS ja sähköverkon välillä, vaihtosuun-taajatoiminnon mahdollistaessa energian syöttämisen käyttövoima-akustosta DB sähköverkkoon, jolloin sähköinen voimanlähdekokoonpano voi toimia osana älykästä sähköverkkoa.

Vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa verkkolatausvälineet käsittävät sähköverkkoliittimen, joka on sovitettu liitettäväksi sähköverkkoon, ja vaihto-kytkimen, joka ensimmäisessä asennossaan liittää muuttajayksikön toiset navat sähköverkkoliittimeen, ja toisessa asennossaan erottaa muuttajayksikön toiset navat sähköverkkoliittimestä. Vaihtokytkimen ensimmäisessä asennossa muuttajayksikkö on sovitettu toimimaan sekä vaihtosuuntaajana että tasasuuntaajana tasajännitekiskoston ja sähköverkon välillä. Muuttajayksikkö on sovitettu yksinomaan sähkötehon siirtämiseksi tasajännitekiskoston ja sähköverkon välillä. Muuttajayksikössä voidaan käyttää syöttöyksikön ohjainohjelmaa ja muuttajayksikön kanssa voi olla sarjaankytkettynä LCL-suodatin.

Kuvion 1 suoritusmuodossa vain yhtä ajomoottorimuuttajayksikköä hyödynnetään sähköverkon ja tasajännitekiskoston BBS välisessä energiansiirrossa. Vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa on mahdollista hyödyntää useita ajomoottorimuuttajayksikköjä sähköverkon ja tasajännitekiskoston välisessä energiansiirrossa, kasvattaen siten siirtotehoa. Vaihtokytkinkokoonpano voidaan sovittaa liittämään yksi tai useampia ajomoottorimuuttajayksiköitä sähköverkkoon tehonsiirtotarpeen mukaan.

Generaattorivälineet G1 on sovitettu polttomoottorin ICE mekaanisen energian muuttamiseksi kolmivaiheiseksi sähkövirraksi. Generaattorimuut- tajayksikköryhmä GC käsittää generaattorimuuttajayksikön, joka on sovitettu toimimaan tasasuuntaajana generaattorivälineiden G1 ja tasajännitekiskoston BBS välillä.

Kuvion 1 suoritusmuodossa polttomoottori ICE ei ole mekaanisessa yhteydessä ajoneuvon pyöriin. Ajoneuvoa, joka käyttää tämäntyyppistä voi-manlähdekokoonpanoa, kutsutaan usein sarjahybridiajoneuvoksi. Keksinnön mukaista voimanlähdekokoonpanoa voidaan hyödyntää myös muun tyyppisissä hybridiajoneuvoissa, samoin kuin täyssähköisissä ajoneuvoissa.

Monijännitemuuttajayksikköryhmä MVC käsittää monijännitemuutta-jayksikön, jonka kaksi ensimmäistä napaa on liitetty tasajännitekiskostoon BBS, ja jonka kukin toinen napa on sovitettu syöttämään eri käyttöjännitteen omaavaa vaihtosähkökuormaa. Yksi toisista navoista voi esimerkiksi syöttää yksivaiheista 400V moottoria, toinen toisista navoista voi syöttää 96V kuormaa, ja kolmas toisista navoista voi syöttää 24V kuormaa. Monijännitemuuttajayksi-kön ja sen kuormien välillä voi olla suodatin. Lämmitysvastusmuuttajayksikköryhmän HC lämmitysvastusmuutta-jayksikkö on sovitettu toimimaan tasajännitemuuttajana tasajännitekiskoston BBS ja lämmitysvastusvälineiden HR välillä. Lämmitysvastusvälineet HR on sovitettu käyttövoima-akuston DB lämmittämiseen ja ajoneuvon sisätilojen lämmittämiseen. Vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa lämmitysvastusvälineet voivat käsittää yhden tai useamman jarruvastuksen.

Kuvion 1 suoritusmuodossa ajomoottorimuuttajayksikköryhmä MC käsittää useita muuttajayksiköitä, muista muuttajayksikköryhmistä kunkin käsittäessä yhden muuttajayksikön. Vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa ajomootto-rimuuttajayksikköryhmä voi käsittää vain yhden muuttajayksikön, ja muut muut-tajayksikköryhmät voivat käsittää useita muuttajayksiköitä. On mahdollista käyttää suhteellisen pienitehoisia muuttajayksiköitä, jolloin kukin muuttajayk-sikköryhmä käsittää tarvittavan määrän rinnankytkettynä muuttajayksiköitä. Ohjainvälineet voidaan sovittaa ohjaamaan kunkin muuttajayksikköryhmän muuttajayksiköitä yksilöllisesti, jolloin tehontarpeen ollessa pieni voidaan osa muuttajayksiköistä kytkeä pois päältä energian säästämiseksi.

Identtisten muuttajayksiköiden apukomponentit voivat olla erilaisia eri muuttajayksikköryhmissä. Apukomponenteilla tarkoitetaan tässä ulkoisia komponentteja kuten kuristimia. Kuvioon 2 on merkitty tällaisista apukom-ponenteista toisiin napoihin T21, T22 ja T23 liitetyt kuristimet CC21, CC22 ja CC23.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintöjä sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (14)

1. Sähköinen voimanlähdekokoonpano ajoneuvoa varten, voiman-lähdekokoonpanon käsittäessä useita muuttajayksikköryhmiä (GC, EC1, MC), joista kukin käsittää ainakin yhden muuttajayksikön, kunkin muuttajayksiköistä käsittäessä useita ohjattavia kytkimiä (S1 - S6) sekä ensimmäisen naparyhmän ja toisen napa-ryhmän, ensimmäisen naparyhmän käsittäessä kaksi ensimmäistä napaa (T11, T12) ja toisen naparyhmän käsittäessä kolme toista napaa (T21, T22, T23), ja ohjainvälineet (CTRL) kunkin muuttajayksikköryhmän ainakin yhden muuttajayksikön useiden ohjattavien kytkinten (S1 - S6) ohjaamiseksi, useiden muuttajayksikköryhmien käsittäessä ainakin yhden muuttajayksikköryhmän (MC, MVC), jonka ainakin yksi muuttajayksikkö on sovitettu toimimaan kolmivaiheisena vaihtosuuntaajana, tunnettu siitä, että useat muuttajayksikköryhmät käsittävät lisäksi ainakin yhden muuttajayksikköryhmän (EC1, EC2, HR), jonka ainakin yksi muuttajayksikkö on sovitettu toimimaan tasajännitemuuttajana, useiden muuttajayksikköryhmien (GC, EC1, MC, EC1, EC2, HR) muuttajayksiköiden ollessa keskenään identtisiä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sähköinen voimanlähdekokoonpano, tunnettu siitä, että voimanlähdekokoonpano lisäksi käsittää tasa-jännitekiskoston (BBS), kunkin muuttajayksikköryhmän (GC, EC1, MC, EC1, EC2, HR) ainakin yhden muuttajayksikön ensimmäisten napojen (T11, T12) ollessa liitetty tasajännitekiskostoon (BBS).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen sähköinen voimanlähdekokoonpano, tunnettu siitä, että ohjainvälineet (CTRL) käsittävät erilaisen ohjainohjelman ja/tai erilaiset ohjainparametrit kutakin muuttajayksikköryhmää kohti.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen sähköinen voimanlähdekokoonpano, tunnettu siitä, että voimanlähdekokoonpano lisäksi käsittää käyttövoima-akuston (DB), ja useat muuttajayksikköryhmät käsittävät ensimmäisen energiavarastomuuttajayksikköryhmän (EC1), joka käsittää ainakin yhden ensimmäisen energiavarastomuuttajayksikön, jonka kaksi ensimmäistä napaa on liitetty tasajännitekiskostoon (BBS), ja jonka kolme toista napaa on liitetty käyttövoima-akustoon (DB), ainakin yhden ensimmäisen energiavaras- tomuuttajayksikön ollessa sovitettu toimimaan tasajännitemuuttajana tasajänni-tekiskoston (BBS) ja käyttövoima-akuston (DB) välillä.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 2-4 mukainen sähköinen voiman-lähdekokoonpano, tunnettu siitä, että voimanlähdekokoonpano lisäksi käsittää matalajännite-energiavarastovälineet, joiden jännitetaso on alhaisempi kuin käyttövoima-akuston (DB) jännitetaso, ja useat muuttajayksikköryhmät käsittävät toisen energiavarastomuuttajayksikköryhmän (EC2), joka käsittää ainakin yhden toisen energiavarastomuuttajayksikön, jonka kaksi ensimmäistä napaa on liitetty tasajännitekiskostoon (BBS), ja toisista navoista ainakin yksi on liitetty matalajännite-energiavarastovälineisiin, ainakin yhden toisen energiavarastomuuttajayksikön ollessa sovitettu toimimaan tasajännitemuuttajana tasajännitekiskoston (BBS) ja matalajännite-energiavarastovälineiden välillä, matalajännite-energiavarastovälineiden käsittäessä matalajänniteakun (LVB) ja/tai superkondensaattorin (SC).

6. Jonkin patenttivaatimuksista 2 - 5 mukainen sähköinen voimanlähdekokoonpano, tunnettu siitä, että voimanlähdekokoonpano lisäksi käsittää ainakin yhden kolmivaiheisen ajomoottorin (DM1, DM2, DM3, DM4), ja useat muuttajayksikköryhmät käsittävät ajomoottorimuuttajayksikköryhmän (MC), joka käsittää ainakin yhden ajomoottorimuuttajayksikön kutakin kolmivaiheista ajomoottoria (DM1) kohti, kunkin ajomoottorimuuttajayksikön ollessa sovitettu toimimaan sekä vaihtosuuntaajana että tasasuuntaajana tasajännitekiskoston (BBS) ja vastaavan kolmivaiheisen ajomoottorin välillä.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen sähköinen voimanlähdekokoonpano, tunnettu siitä, että voimanlähdekokoonpano käsittää useita ajo-moottoreita, ja ohjainvälineet (CTRL) on sovitettu ohjaamaan kutakin ajomoottoria (DM1, DM2, DM3, DM4) muista ajomoottoreista riippumattomasti.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen sähköinen voimanlähdekokoonpano, tunnettu siitä, että voimanlähdekokoonpano lisäksi käsittää verkkolatausvälineet käyttövoima-akuston (DB) lataamiseksi sähköverkosta, verkkolatausvälineiden käsittäessä sähköverkkoliittimen (PL), joka on sovitettu liitettäväksi sähköverkkoon, ja vaihtokytkimen (CS), joka ensimmäisessä asennossaan liittää ainakin yhden ajomoottorimuuttajayksikön toiset navat vastaavan kolmivaiheisen ajomoottorin (DM4) napoihin, ja toisessa asennossaan liittää mainitun ainakin yhden ajomoottorimuuttajayksikön toiset navat sähkö-verkkoliittimeen (PL), vaihtokytkimen (CS) toisessa asennossa mainitun ainakin yhden ajomoottorimuuttajayksikön ollessa sovitettu toimimaan sekä vaih tosuuntaajana että tasasuuntaajana tasajännitekiskoston (BBS) ja sähköverkon välillä.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 2-8 mukainen sähköinen voiman-lähdekokoonpano, tunnettu siitä, että voimanlähdekokoonpano lisäksi käsittää generaattorivälineet (G1) polttomoottorin mekaanisen energian muuttamiseksi kolmivaiheiseksi sähkövirraksi, ja useat muuttajayksikköryhmät käsittävät generaattorimuuttajayksikköryhmän (GC), joka käsittää ainakin yhden generaattorimuuttajayksikön, joka on sovitettu toimimaan tasasuuntaajana ge-neraattorivälineiden (G1) ja tasajännitekiskoston (BBS) välillä.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 2-9 mukainen sähköinen voimanlähdekokoonpano, tunnettu siitä, että useat muuttajayksikköryhmät käsittävät monijännitemuuttajayksikköryhmän (MVC), joka käsittää ainakin yhden monijännitemuuttajayksikön, jonka kaksi ensimmäistä napaa on liitetty tasa-jännitekiskostoon (BBS), ja jonka kukin toinen napa on sovitettu syöttämään eri käyttöjännitteen omaavaa vaihtosähkökuormaa.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 2-10 mukainen sähköinen voimanlähdekokoonpano, tunnettu siitä, että voimanlähdekokoonpano lisäksi käsittää lämmitysvastusvälineet (HR), ja useat muuttajayksikköryhmät käsittävät lämmitysvastusmuuttajayksikköryhmän (HC), joka käsittää ainakin yhden lämmitysvastusmuuttajayksikön, joka on sovitettu toimimaan tasajännitemuut-tajana tasajännitekiskoston (BBS) ja lämmitysvastusvälineiden (HR) välillä, lämmitysvastusvälineiden (HR) ollessa sovitettu käyttövoima-akuston (DB) lämmittämiseen ja/tai ajoneuvon sisätilojen lämmittämiseen.

12. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen sähköinen voimanlähdekokoonpano, tunnettu siitä, että ohjainvälineet (CTRL) käsittävät erilaiset ohjainparametrit kutakin muuttajayksikköryhmää (GC, EC1, MC) kohti.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen sähköinen voimanlähdekokoonpano, tunnettu siitä, että ohjainvälineet (CTRL) käsittävät erilaisen ohjainohjelman kutakin muuttajayksikköryhmää (GC, EC1, MC) kohti.

14. Sähköisellä voimanlähdekokoonpanolla varustettu ajoneuvo, tunnettu siitä, että ajoneuvo käsittää jonkin patenttivaatimuksista 1-13 mukaisen voimanlähdekokoonpanon.