Зарядные устройства и цепи защиты

ТАБ электромобилей можно заряжать ночью во время провала графика нагрузки электросетей или на зарядных станциях, расположенных вдоль городских магистралей или загородных шоссе. Ночной нормальный (медленный) заряд занимает от 8 до 10 ч от сетей 220/380 В при допустимом токе до 30 А. Быстрый заряд осуществляется за 15-30 мин, но требует сетей, рассчитанных на ток в несколько сотен ампер.

Возимые зарядные устройства, установленные на электромобилях, включают выпрямитель, который преобразует переменный ток сети 220/380 В в постоянный ток требуемого напряжения для заряда ТАБ. Но зарядное устройство может быть установлено на зарядной станции, где соответствующая компьютерная установка будет определять необходимое напряжение заряда и уровень заряженности ТАБ. Компьютер будет также регулировать напряжение заряда, чтобы гарантировать эффективность и быстрый заряд ТАБ.

Наиболее простое техническое решение заключается в использовании регулируемых по фазе выпрямителей с управлением скорости заряда посредством смещения по фазе момента включения выпрямителя.

Рис. 7.2. Схема соединений и кривые изменения напряжения

и тока однофазного управляемого выпрямителя

На рисунке 7.2 показаны схема соединений и характерные кривые изменения напряжения и тока однофазного выпрямителя на тиристорах. Изменение угла включения тиристоров регулирует среднее значение напряжения постоянного тока и ток заряда.

На некоторых электромобилях зарядная цепь ТАБ выполняет и другую функцию, а именно используется для регулирования тока силовой цепи в режиме тяги. В этой связи была выдвинута концепция о совмещении функций зарядного устройства и тягового контроллера в соответствующих режимах работы электромобиля. Такая система может быть построена на транзисторах большой мощности или на биполярных транзисторах с изолированным входом. Схема, приведенная на рисунке 7.2, может быть использована в качестве инвертора для регулирования ТАД или в качестве ключа для регулирования ТЭД. Система управления должна переходить с режима регулирования заряда ТАБ в режим регулирования тяги (т.е. разряда ТАБ).

В настоящее время разрабатывается способ соединения внешней сети и зарядного устройства с ТАБ электромобиля. Рассматриваются две различные системы. В первой используют принцип трансформатора, когда сеть переменного тока соединяется с зарядным устройством электромобиля через индуктивную муфту, т.е. трансформатор с двумя изолированными катушками. Последние связаны между собой через стальной сердечник. Основное преимущество этой системы заключается в том, что корпус электромобиля не имеет гальванической связи с внешней электрической сетью. Это уменьшает опасность касания находящихся под напряжением частей электромобиля и поражения током в случае короткого замыкания этих частей на землю. Изоляция корпуса электромобиля от напряжения сети позволяет подключать индуктивную катушку к трехфазной сети напряжением 380 В. Это даёт возможность реализовать большие нагрузки и создаёт предпосылки для использования индуктивной катушки для станций быстрого заряда.

При втором способе соединения кабель зарядной станции подсоединяется к зарядному устройству электромобиля через выключатель, подобный тем, которые устанавливаются на открытом воздухе. Рассматривается использование выключателей различного типа. Основное требование заключается в том, чтобы выключатель был защищен от попадания влаги и случайного касания, а также от умышленного вскрытия. Напряжение на выключатель может быть подано лишь после того, как будет произведено его электрическое подключение к бортовому зарядному устройству. Повреждение выключателя должно сопровождаться срабатыванием защиты, которая обеспечила бы снятие потенциала с выключателя.

ТАБ и цепи электроники должны быть защищены от ошибочных включений и коротких замыканий. Короткое замыкание в электрических цепях электромобиля разряжает ТАБ. Во время этой неисправности электроэнергия, запасенная в батарее, переходит в тепловую энергию, которая может разрушить электрические цепи электромобиля. Короткое замыкание в цепи постоянного тока может повести также к возникновению электрической дуги. Оба эти явления угрожают безопасности водителя и пассажиров. Другая проблема заключается в том, что напряжение ТАБ на большинстве электромобилей достаточно высоко и находится в пределах 100-200 В. При неблагоприятных условиях (сырая погода) могут возникнуть токи утечки.

Учитывая эти обстоятельства, токопроводящие элементы монтируются таким образом, что металлические части корпуса электромобиля изолированы от электрической системы, а шины колёс изолируют корпус от поверхности дороги (земли). В подобной системе первое нарушение изоляции между токоведущими частями и корпусом электромобиля не приведет к разряду ТАБ. Но уже второе нарушение изоляции (рис. 7.3) вызовет короткое замыкание на клеммах ТАБ и создаст опасность для обслуживающего персонала.

Первое короткое

замыкание

Рис. 7.3. Схема возможных коротких замыканий между токоведущими частями и корпусом электромобиля

Механизм возникновения короткого замыкания может быть связан (в свинцово-кислотных ТАБ) с образованием токопроводящего мостика из мелких капелек кислоты, проникших из ТАБ в режиме разряда. Этот мостик может замкнуть одну из клемм ТАБ на корпус. В результате происходит первое нарушение (шунтирование) изоляции токоведущих частей по отношению к корпусу. Постоянное трение токоведущего кабеля о части корпуса нарушает изоляцию кабеля и создает предпосылки для кратковременного или постоянного соединения токоведущего провода с корпусом. Это второе нарушение изоляции приводит к короткому замыканию на клеммах ТАБ. На рисунке 7.3 схематично показаны паразитные электрические цепи, приводящие к короткому замыканию. Очень важно обнаружить первое нарушение изоляции. Это может быть осуществлено посредством чувствительной защитной цепи, фиксирующей короткое замыкание на землю. Подобные защитные цепи используются на кухнях и в ванных комнатах в некоторых странах.

Второе нарушение изоляции вызывает короткое замыкание, которое должно быть устранено в течение миллисекунд, чтобы предотвратить разряд ТАБ. Необходимая защита здесь может быть осуществлена применением быстродействующих электромагнитных или электронных выключателей или чувствительных плавких предохранителей.

Эксплуатация электромобиля в неблагоприятных условиях (снег, грязь, затяжные уклоны) может обусловить перегрузку тяговых электрических цепей и повести к перегреву ТАБ, электродвигателя или токоведущих кабелей. Перегревы сокращают также срок службы изоляции. Электронные цепи имеют встроенные защитные устройства, но независимо от этого требуется быстродействующая защита в виде выключателей или плавких предохранителей, которая предупредила бы дорогостоящее устранение последствий аварий, возникающих вследствие нарушений изоляции токоведущих частей.

Быстродействующая электрическая защита, используемая на большинстве электромобилей, включает устройства, которые аналогичны применяемым на обычных автомобилях. В дополнение к выключателям и предохранителям цепи управления электромобиля, основанным на микропроцессорах, имеются защитные цепи, которые осуществляют первичную защиту посредством отключения систем, подвергшихся воздействию нарушения изоляции.

Чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию на электромобилях, необходимо применять блокировки. Блокировки могут быть предварительно запрограммированы в системах управления электромобилем, но могут быть механического или релейного типа. Вот некоторые наиболее часто используемые блокировки:

- блокировка зарядного устройства предупреждает пуск или вообще включение тяговых цепей при включенном зарядном устройстве; делает невозможным включение тяговых цепей, когда цепь зарядного устройства подсоединена к электромобилю или устройство находится в работе;

- блокировка кондиционера подогрева (вентиляции) отсоединяет цепи подогрева (вентиляции) или подсоединяет их к зарядному устройству во время заряда ТАБ электромобиля.