Розроблено принципову схему електроприводу електромобіля на базі ДПТ НВ з суперконденсаторами. Комп'ютерним моделюванням підтверджено працездатність схеми. Показано, що за рахунок рекуперації гальмівних режимів економія енергоресурсів може скласти 12-21% при стандартних міських циклах.

Автор: Ломака Руслан Олексійович

ТОВ "Призма Електрик"

відділ АСУ ТП

Світова тенденція розвитку автомобілебудування свідчить про стрімке зростання числа автотранспортних засобів, що використовують як рушій силової системи електроприводу, що викликано рядом факторів, такими як: виснаження обмежених нафтових ресурсів і природного газу, низький ККД двигунів внутрішнього згоряння, а також загострюється екологічної ситуації у великих містах.

Розробка електромобіля є складною науково-технічною задачею, успіх у вирішенні якої залежить від правильного вибору і розрахунку компонентів енергетичної установки. Застосування електроприводу для руху автомобіля дає широкий спектр можливостей по оптимізації його роботи, поліпшенню динамічних властивостей.

Електропривод також має великий потенціал з використання енергозберігаючих технологій, тому електромобілі розглядаються, як невід'ємна частина в процесі розвитку альтернативних джерел електроенергії та енергозбереження в цілому.

Однією з найважливіших особливостей електроприводу є можливість простої організації рекуперативних режимів, в яких при гальмуванні кінетична енергія електромобіля перетворюється в електричну і повертається в накопичувач для подальшого використання.

Вибір накопичувача або власного джерела електроенергії багато в чому визначає важливі характеристики електромобіля, такі як потужність, запас ходу, ціна та ін. Однак існуючу різноманітність акумуляторних систем і інших накопичувачів електроенергії не дозволяє вирішити повною мірою завдання при використанні одного з видів накопичувачів, що стимулює дослідження з використання різних комбінацій декількох видів накопичувачів і джерел електроенергії для створення гібридної енергетичної системи живлення електроприводу електромобіля і допоміжних систем.

Спосіб накопичення електроприводом електромобіля енергії, в рекуперативних режимах, з можливістю подальшого її використання для руху є актуальним завданням, що підтверджує досвід зарубіжних фірм і університетів.

Вибір схеми електромобіля

На сьогоднішній день існує кілька типів електромобілів, які поділяють на три групи: гібридні електромобілі, акумуляторні електромобілі та електромобілі на паливних елементах [1].

Гібридними електромобілями називають такі, в яких використовується для приведення в рух два джерела механічної енергії, а саме: бензиновий або дизельний двигун і електродвигун / чи з акумуляторною батареєю [2]. Розрізняють гібридні електромобілі щодо компонування силової установки на послідовні, паралельні і змішані типи.

Також в літературі зустрічається термін Plug-in hybrid Electric Vehicle (PHEV), їх відмінність від традиційного гібрида полягає в тому, що акумуляторну батарею можна заряджати від мережі, як і електромобілі. Як правило, PHEV мають відносно великої ємності акумуляторну систему. Таке рішення називають проміжним варіантом між гібридом і чистим електромобілем.

Акумуляторний електромобіль і електромобіль на паливних елементах - автомобіль, що приводиться в рух одним або кількома електродвигунами з живленням від акумуляторів або паливних елементів відповідно.

В якості досвідченого варіанту лабораторного зразка електромобіля було прийнято рішення про створення електромобіля на базі автомобіля Ланос з живленням від свинцево-кислотних акумуляторів, т.к. на відміну від гібридних електромобілів таке рішення не вимагає складної механічної частини для сполучення двигуна внутрішнього згоряння з електроприводом.

Рішення, знайдені при створенні акумуляторного електромобіля, застосовні як для гібридів, так і для електромобілів на паливних елементах. Вибір свинцево-кислотних акумуляторів як накопичувач електричної енергії обумовлений їх доступністю на ринку України, а також існуючої вітчизняної виробничою базою. Тяговим електродвигуном на лабораторному зразку електромобіля встановлено двигун постійного струму з порушенням від постійних магнітів. Використання цього типу двигуна пов'язано з кількома факторами, по-перше доступність низьковольтного (до 100 В) двигуна відповідної потужності (10-20 кВт) на ринку, по друге математичний опис двигуна, як і його система управління, досить прості, що дозволяє наочно показати всі електромагнітні процеси, що протікають в системі електроприводу при проведенні лабораторних робіт зі студентами. Роботи зі створення електроприводу на базі асинхронного двигуна також ведуться.

Принципова схема електроприводу електромобіля з суперконденсаторна батареєю

Акумуляторні батареї, здатні прийняти потужність в рекуперативних режимах, занадто дорогі для широкого використання, до того ж, повернення енергії в акумулятори при частих гальмуваннях електромобіля в умовах міського циклу руху викликає їх прискорений знос і старіння. У зв'язку з вищесказаним ведуться розробки по створенню комбінованих джерел живлення на базі акумуляторів і суперконденсаторів. Кафедрою «АЕМС» НТУ «ХПІ» була запатентована в 2013 році схема електроприводу з застосуванням суперконденсаторних батарей в якості буферного накопичувача в рекуперативних режимах.

Cуперконденсатори (англ. Electrical double-layer capacitors, EDLC) - це полярні електрохімічні прилади, які здатні запасати і згодом вивільняти електричну енергію за допомогою внутрішнього перерозподілу іонів електроліту. За своїми електричним параметрами вони займають проміжне положення між електролітичними конденсаторами великої місткості і акумуляторами, але за принципом дії - відрізняються як від тих, так і від інших.

Сучасні суперконденсатори в порівнянні з акумуляторами мають ряд важливих переваг:

Функціональна схема електроприводу з суперконденсаторна батареєю приведено малюнку 1:

1 - акумуляторна батарея; 2 - блокуючий діод; 3 - батарея суперконденсаторів; 4 - напівпровідниковий ключ; 5 - зворотний діод; 6 - електродвигун постійного струму; 7 - гальмівний напівпровідниковий ключ; 8 - шунтирующий діод; 9 - педаль акселератора; 10 - педаль гальма; 11 - керуючий мікропроцесор; 12 - датчик струму; 13 - датчик швидкості.

Малюнок 1. Функціональна схема

Робота схеми ідентична принципом роботи системи ШИП-Д, основна відмінність полягає в способі збереження енергії при гальмуванні. Робота перетворювача в режимі рекуперативного гальмування здійснюється за принципом підвищувального імпульсного регулятора напруги, в якому в якості накопичувача електромагнітної енергії використовується індуктивність якірного ланцюга двигуна, а навантаженням виступає супер-конденсаторна батарея (СКБ). Її ємність обчислюється за законом збереження енергії за умови, що прийнята суперконденсаторна батареєю (СКБ) електрична енергія дорівнює відданої кінетичної і потенційної за вирахуванням енергії, витраченої за час рекуперації на подолання сил опору руху електромобіля:

(1)

де m - маса електромобіля, mд - наведений до поступального руху момент інерції обертового якоря електродвигуна, VН і VК початкова та кінцева швидкість електромобіля, відповідно, g - прискорення вільного падіння, ?h - зміна висоти, FТР - сила тертя кочення коліс об дорогу, FВ (V) - сила опору повітря, S координата шляху, ST - гальмівний шлях, Umin, Umax - мінімальне і максимальне значення напруги на СКБ (залежать від схеми електроприводу і напруги живлення електродвигуна), ?П - ККД перетворювача.

Розрахунки для лабораторного зразка на базі автомобіля Ланос показали, що суперконденсаторна батарея (СКБ), здатна накопичити 235 кДж має вагу 15 кг, що становить не більше 5% від загальної ваги тягової акумуляторної батареї. Такий СКБ достатньо, щоб електромобіль масою 1500 кг (що відповідає спорядженої масі електромобіля на базі Lanos) міг спуститися з постійною швидкістю з висоти 30м або загальмувати зі швидкості 85 км / год до повної зупинки.

Комп'ютерне моделювання електроприводу електромобіля

Для оцінки впливу рекуперативного гальмування на запас ходу електромобіля в умовах міського циклу руху (ECE-15) і працездатності схеми, була створена комп'ютерна модель електроприводу електромобіля в програмі Matlab, а також лабораторний стенд потужністю 0,5 кВт. Комп'ютерна модель враховувала внутрішні опору СКБ і АКБ, момент опору руху включав в себе вплив сил тертя, а також враховував залежність сили опору повітря від швидкості руху електромобіля.

Малюнок 2. Комп'ютерна модель електроприводу електромобіля

Малюнок 3. Тимчасові діаграми комп'ютерного моделювання

На мал. 3 представлені результати комп'ютерного моделювання руху електромобіля по горизонтальному ділянці, що свідчать про повну відповідність отриманих тимчасових діаграм фізичної сутності протікають процесів. В процесі розгону відбувається розряд СКБ і до його закінчення при швидкості 4,2 м / с напруги СКБ і АКБ зрівнялися, а електромобіль був переведений в режим усталеного руху. Повторний старт (t = 38 с) відбувається при майже рівних напружених на АКБ і СКБ. Однак внаслідок падіння напруги на внутрішньому опорі АКБ від пускового струму має місце перевищення напруги СКБ над напругою АКБ, в результаті чого СКБ підживлює струмом електродвигун, що супроводжується її розрядом. Зниження пускового струму після закінчення розгону підвищує значення напруги на затискачах АКБ, створюючи умови UАКБ> UСКБ в результаті чого відбувається стрибкоподібний (з загасанням) процес заряду СКБ. Так як розгін проведений до більшої швидкості (V = 9 м / с) напруга на СКБ після гальмування виявляється вище, ніж у першому випадку. Тимчасова діаграма на етапі руху зі 105с по 175с, з точки зору фізичної суті і в кількісному зіставленні з попередніми етапами, узгоджується з вищенаведеними поясненнями.

Комп'ютерна модель дозволяє також дослідити енергоефективність рекуперативного гальмування із застосуванням суперконденсаторних батарей, з цією метою було промоделювати рух як при харчуванні тільки від акумуляторів без рекуперації, так і при використанні СКБ з рекуперацією в наступних циклах руху: ECE-15, New European Driving Cycle (NEDC ), Japane10 mode cycle (Jp10m), Japane10-15 mode cycle (Jp10-15m), US EPA Urban Dynamometer Driving Schedule (FTP-72) [4], наближених до умов руху в місті. Отримані значення відбирається від акумуляторів електроенергії на 100км шляху, економії енергії від використання СКБ, середньоквадратичного струму акумуляторів і його зменшення від використання СКБ при русі по рівній асфальтованій горизонтальній дорозі, занесені в таблицю 1. Таблиця 1 - витрати електроенергії і струм акумуляторів при русі

З таблиці 1 зрозуміло, що додаткова економія від використання рекуперації із застосуванням СКБ становить 12 ... 21%, при цьому ефект від застосування СКБ відчутніше при рух з частими гальмуваннями-разгонами і коротшими ділянками рівномірного руху (цикли Jp10m і Jp10-15m), так як в цих випадках більше кінетичної енергії перетворюється в тепло за відсутності рекуперації, а не зберігається для подальшого руху.

Лабораторний стенд електроприводу електромобіля з суперконденсаторна батареєю

У лабораторії кафедри «АЕМС» за сприяння фірми «ЮНАСКО», яка виробляє дослідні зразки суперконденсаторів, був створений лабораторний стенд електроприводу електромобіля з суперконденсаторна батареєю. З виробничих причин фірма надала батарею суперкондесаторов з максимальним допустимим напругою 15 В, що зажадало в свою чергу використовувати електропривод на зниженій напрузі. Функціональна схема лабораторної установки представлена ??на малюнку 3:

Малюнок 3 - Функціональна схема лабораторної установки

Лабораторна установка включає в себе ЕП постійного струму на основі широтно-імпульсного перетворювача з цифровою системою управління (СУ). Як джерело енергії використовується свинцево-кислотна акумуляторна батарея (АБ) з номінальною напругою 12,6 В. Для прийому рекуперіруемой енергії під час гальмування, а також зменшення пульсацій струму акумулятора, паралельно АБ підключена отримана батарея суперконденсаторів (БК). Запобігання зарядних струмів акумулятора під час рекуперативного гальмування і заряду БК досягається включенням діода Д3.

В якості електродвигуна постійного струму з незалежним збудженням (М) був використаний автомобільний стартер з номінальною напругою живлення 12 В. Маса автомобіля моделювалася маховиком, сполученим з М через зубчасту передачу. СУ включає в себе контур управління струмом, що визначає необхідну напруги якоря двигуна, і блок управління транзисторами, що забезпечує їх комутацію відповідно до необхідного напругою якоря. Руховий режим здійснюється комутацією транзистора Т1. Коли він відкритий, внаслідок перевищення напруги БК над ЕРС якоря струм в якорі зростає і індуктивність якірного ланцюга накопичує енергію WL = LI2 / 2. Після замикання Т1 струм продовжує протікати в тому ж напрямку через якір і діод Д2. Завдяки високій частоті комутації (14,4 кГц) ШИП зростання і зниження струму за період комутації Т1 незначні, що не викликає різких змін моменту двигуна.

Для переходу у режим рекуперативного гальмування здійснюється комутація транзистора Т2, при цьому Т1 закритий. Коли Т2 відкритий, під дією ЕРС якоря струм двигуна змінює сво напрямок з рухового на генераторний, створюючи гальмівний момент. Після замикання Т2 струм продовжує текти через діод Д1 в БК, заряджаючи її. Це супроводжується зниженням кінетичної енергії і переходом її в електричну енергію суперконденсаторна батареї. Повторне включення Т2 знову супроводжується збільшенням гальмівного струму, а наступне за ним вимикання повторює цикл заряду БК, в перебігу якого зміна струму М знаходиться в межах (10 ... 20) А, а середній гальмівний момент визначається величиною середнього струму якоря. Управління моментом ЕД шляхом комутації транзисторів Т1 і Т2 здійснюється СУ.

Перевірка функціонування схеми електроприводу на відповідність технологічним етапах руху електромобіля підтвердила працездатність схеми, забезпечення рухових і гальмівних режимів з рекуперацією енергії в БК. На малюнку 3 показані струм якоря (Iя) і напруга БК (UБК) при розгоні маховика до 300 об / хв з живленням тільки від БК і наступним рекуперативним гальмуванням, що супроводжується поверненням енергії в БК і, відповідно, їх зарядом.

Малюнок 4 - Перехідні процеси струму якоря і напруги на СКБ

Під час розгону при струмі якоря 110 А напруга БК знижується з 15,5 В до 10,38 В, що відповідає витраті 13,28 кДж енергії. Під час гальмування при струмі якоря 70 А БК заряджається до 11,69 В, повертається 2,89 кДж, тобто більше 21% від витраченої енергії.

Вищевказане значення істотно нижче очікуваного в реальному ЕП електромобіля, так як використаний у експериментах в якості електричного двигуна стартер має якірний ланцюг без додаткових полюсів і несиметричне розташування щіток якоря, що викликає перетоки енергії в якорі між парами щіток, внаслідок чого при включеному порушенні гальмування з розімкнутої якірної ланцюгом відбувається в два рази швидше, ніж при вимкненому збудженні. Також падіння напруги на опорі якірного ланцюга становить 0,9 В при струмі 100 А, що при ЕРС якоря 7 В при швидкості маховика 300 об / хв становить близько 13%.

Додаткові втрати створює механічна частина має значне тертя (струм холостого ходу складає 19А). Як показує комп'ютерне моделювання при номінальних параметрах ЕП, кількість повертається енергії буде істотно вище - (20 ... 40)%. З малюнка 4 зрозуміло, що у кінці гальмування, після 27 с, гальмо-ної струм якоря стає менше задаваемого. При цьому рекуперація відсутня, що пов'язано з великими втратами у якірного ланцюга, викликають падіння напруги більше ніж ЕРС якоря. Це призводить до безперервно відкритого стану транзистора Т2 і відсутності струму заряду СК.

Висновок

Розроблено принципову схему електроприводу електромобіля. На базі ДПТ НВ з суперконденсаторами. Комп'ютерним моделюванням підтверджено працездатність схеми. Показано, що за рахунок рекуперації гальмівних режимів економія енергоресурсів може скласти 12-21% при стандартних міських циклах. Перевірка працездатності схеми на створеному в НТУ «ХПІ» лабораторному стенді підтвердила теоретичні висновки.

Перелік посилань

[1] J. Cao, A. Emadi, “A New Battery/UltraCapacitor Hybrid Energy Storage System for Electric, Hybrid, and Plug-In Hybrid Electric Vehicles”, IEEE Transactions on power electronics, vol. 27, no. 1, pp. 122-132, Jan. 2012.

[2] A. Khaligh, Zh. Li, “Battery, Ultracapacitor, Fuel Cell, and Hybrid Energy Storage Systems for Electric, Hybrid Electric, Fuel Cell, and Plug-In Hybrid Electric Vehicles: State of the Art”, IEEE Transactions on vehicular technology, vol. 59, no. 6, pp. 2806-2814, Jul. 2010.

[3] Гончар А.С., Семиков А.В. К реализации рекуперативных режимов в электроприводе электромобиля с ионисторами // Зб. матер. конф. «Расчет энергоэффективности использования тягового электропривода без и с рекуперацией для легкового автомобиля». – Кременчук, 2013. – с. 25–26.

[4] . Пат. UA 85585 U. МПК (2013.01) H02J 7/00 H02P 3/00 Електропривод електромобіля. Винахідники: Клепіков В. Б., Гончар О. С., Касторний П. М., Моісєєв О. М., Тимощенко А. В., Банєв Є. Ф., Пшенічніков Д. О.; Власник: НТУ «ХПІ»; Заявл.: u 2013 06550 від 27.05.2013; Публ.: 25.11.2013, Бюл. № 22.