Разработана принципиальная схема электропривода электромобиля на базе ДПТ НВ с суперконденсаторами. Компьютерным моделированием подтверждена работоспособность схемы. Показано, что за счёт рекуперации тормозных режимов экономия энергоресурсов может составить 12-21% при стандартных городских циклах.

Ломака Руслан

Автор: Ломака Руслан Алексеевич

ООО "Призма Электрик"

отдел АСУ ТП

Мировая тенденция развития автомобилестроения свидетельствует о стремительном росте числа автотранспортных средств, использующих в качестве движителя силовые системы электропривода, что вызвано рядом факторов, такими как: истощение ограниченных нефтяных ресурсов и природного газа, низкий КПД двигателей внутреннего сгорания, а также обостряющейся экологической ситуации в крупных городах.

Разработка электромобиля является сложной научно-технической задачей, успех в решении которой зависит от правильного выбора и расчета компонентов энергетической установки. Применение электропривода для движения автомобиля дает широкий спектр возможностей по оптимизации его работы, улучшению динамических свойств.

Электропривод также обладает большим потенциалом по использованию энергосберегающих технологий, поэтому электромобили рассматриваются, как неотъемлема часть в процессе развития альтернативных источников электроэнергии и энергосбережения в целом.

Одной из важнейших особенностей электропривода является возможность простой организации рекуперативных режимов, в которых при торможении кинетическая энергия электромобиля преобразовывается в электрическую и возвращается в накопитель для последующего использования.

Выбор накопителя или собственного источника электроэнергии во многом определяет важные характеристики электромобиля, такие как мощность, запас хода, цена и др. Однако существующее разнообразие аккумуляторных систем и других накопителей электроэнергии не позволяет решить в полной мере задачу при использовании одного из видов накопителей, что стимулирует исследования по использованию различных комбинаций нескольких видов накопителей и источников электроэнергии для создания гибридной энергетической системы питания электропривода электромобиля и вспомогательных систем.

Способ накопления электроприводом электромобиля энергии, в рекуперативных режимах, с возможностью последующего ее использования для движения является актуальной задачей, что подтверждает опыт зарубежных фирм и университетов.

Выбор схемы электромобиля

На сегодняшний день существует несколько типов электромобилей, которые разделяют на три группы: гибридные электромобили, аккумуляторные электромобили и электромобили на топливных элементах [1].

Гибридными электромобилями называют такие, в которых используется для приведения в движение два источника механической энергии, а именно: бензиновый или дизельный двигатель и электродвигатель/ли с аккумуляторной батареей [2]. Различают гибридные электромобили по компоновке силовой установки на последовательные, параллельные и смешанные типы.

Также в литературе встречается термин Plug-in hybrid Electric Vehicle (PHEV), их отличие от традиционного гибрида заключается в том, что аккумуляторную батарею можно заряжать от сети, как и электромобили. Как правило, PHEV имеют относительно большой емкости аккумуляторную систему. Такое решение называют промежуточным вариантом между гибридом и чистым электромобилем.

Аккумуляторный электромобиль и электромобиль на топливных элементах – автомобиль,  приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от аккумуляторов или топливных элементов соответственно.

В качестве опытного варианта лабораторного образца электромобиля было принято решение о создании электромобиля на базе автомобиля Ланос с питанием от свинцово-кислотных аккумуляторов, т.к. в отличие от гибридных электромобилей такое решение не требует сложной механической части для сопряжения двигателя внутреннего сгорания с электроприводом.

Решения, найденные при создании аккумуляторного электромобиля, применимы как для гибридов, так и для электромобилей на топливных элементах. Выбор свинцово-кислотных аккумуляторов в качестве накопителя электрической энергии обусловлен их доступностью на рынке Украины, а также существующей отечественной производственной базой. Тяговым электродвигателем на лабораторном образце электромобиля установлен двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Использование этого типа двигателя связано с несколькими факторами, во-первых доступность низковольтного (до 100 В) двигателя соответствующей мощности (10-20 кВт)  на рынке, во вторых математическое описание двигателя, как и его система управления, достаточно просты, что позволяет наглядно показать все электромагнитные процессы, протекающие в системе электропривода при проведении лабораторных работ со студентами. Работы по созданию электропривода на базе асинхронного двигателя также ведутся.

Принципиальная схема электропривода электромобиля с суперконденсаторной батареей

Аккумуляторные батареи, способные принять мощность в рекуперативных режимах, слишком дороги для широкого использования, к тому же, возврат энергии в аккумуляторы при частых торможениях электромобиля в условиях городского цикла движения вызывает их ускоренный износ и старение. В связи с вышесказанным ведутся разработки по созданию комбинированных источников питания на базе аккумуляторов и суперконденсаторов. Кафедрой «АЭМС» НТУ «ХПИ» была запатентована в 2013 году схема электропривода с применением суперконденсаторных батарей в качестве буферного накопителя в рекуперативных режимах.

Cуперконденсаторы (англ. Electrical double-layer capacitors, EDLC) – это полярные электрохимические приборы, которые способны запасать и впоследствии высвобождать электрическую энергию посредством внутреннего перераспределения ионов электролита. По своим электрическим параметрам они занимают промежуточное положение между электролитическими конденсаторами большой емкости и аккумуляторами, но по принципу действия – отличаются как от тех, так и от других.

Современные суперконденсаторы по сравнению с аккумуляторами имеют ряд важных достоинств:

  • ресурс более 10 лет и более 300000…1000000 циклов «заряд-разряд»;
  • высокая удельная мощность до 4…10кВт/кг при КПД 95%;
  • меньшая, по сравнению с аккумуляторами, зависимость характеристик от температуры.

Функциональная схема электропривода с суперконденсаторной батареей приведена на рисунке 1:

1 – аккумуляторная батарея; 2– блокирующий диод; 3 – батарея суперконденсаторов; 4 – полупроводниковый ключ; 5 – обратный диод; 6 – электродвигатель постоянного тока; 7 – тормозной полупроводниковый ключ; 8 – шунтирующий диод; 9 – педаль акселератора; 10 – педаль тормоза; 11 – управляющий микропроцессор; 12 – датчик тока; 13 – датчик скорости.

Функциональная схема электропривода с суперконденсаторной батареей

Рисунок 1. Функциональная схема

Работа схемы идентична принципу работы системы ШИП-Д, основное отличие заключается в способе сохранения энергии при торможении. Работа преобразователя в режиме рекуперативного торможения осуществляется по принципу повышающего импульсного регулятора напряжения, в котором в качестве накопителя электромагнитной энергии используется индуктивность якорной цепи двигателя, а нагрузкой выступает супер-конденсаторная батарея (СКБ). Ее емкость вычисляется по закону сохранения энергии из условия, что принятая суперконденсаторной батареей (СКБ) электрическая энергия равна отданной кинетической и потенциальной за вычетом энергии, потраченной за время рекуперации на преодоление сил сопротивления движению электромобиля:

image003(1)

где m – масса электромобиля, mд – приведенный к поступательному движению момент инерции вращающегося якоря электродвигателя,VН и VК ­  начальная и конечная скорость электромобиля, соответственно,g – ускорение свободного падения,    ?h – изменение высоты, FТР – сила трения качения колес о дорогу, FВ(V) – сила сопротивления воздуха, S ­ координата пути, ST – тормозной путь, Umin ,Umax – минимальное и максимальное значение напряжения на СКБ (зависят от схемы электропривода и напряжения питания электродвигателя), ?П – КПД преобразователя.

Расчеты для лабораторного образца на базе автомобиля Ланос показали, что суперконденсаторной батарея (СКБ), способная накопить 235 кДж имеет вес 15 кг, что составляет не более 5% от общего веса тяговой аккумуляторной батареи. Такой СКБ достаточно, чтобы электромобиль массой 1500 кг (что соответствует снаряженной массе электромобиля на базе Lanos) мог спуститься с постоянной скоростью с высоты 30м или затормозить со скорости 85 км/ч до полной остановки.

Компьютерное моделирование электропривода электромобиля

Для оценки влияния рекуперативного торможения на запас хода электромобиля в условиях городского цикла движения (ECE-15) и работоспособности схемы, была создана компьютерная модель электропривода электромобиля в программе Matlab, а также лабораторный стенд мощностью 0,5 кВт. Компьютерная модель учитывала внутренние сопротивления СКБ и АКБ, момент сопротивления движению включал в себя влияние сил трения, а также учитывал зависимость силы сопротивления воздуха от скорости движения электромобиля.

Компьютерная модель электропривода электромобиля

Рисунок 2. Компьютерная модель электропривода электромобиля

Временные диаграммы компьютерного моделирования

Рисунок 3. Временные диаграммы компьютерного моделирования

На рис. 3 представлены результаты компьютерного моделирования движения электромобиля по горизонтальному участку, свидетельствующие о полном соответствии полученных временных диаграмм физической сущности протекающих процессов. В процессе разгона происходит разряд СКБ и к его окончанию при скорости 4,2 м/с напряжения СКБ и АКБ сравнялись, а электромобиль был переведен в режим установившегося движения.

Повторный старт (t=38 с) происходит при почти равных напряжениях на АКБ и СКБ. Однако вследствие падения напряжения на внутреннем сопротивлении АКБ от пускового тока имеет место превышение напряжения СКБ над напряжением АКБ, в результате чего СКБ подпитывает током электродвигатель, что сопровождается ее разрядом. Снижение пускового тока после окончания разгона повышает значение напряжения на зажимах АКБ, создавая условия UАКБ>UСКБ в результате чего происходит скачкообразный (с затуханием) процесс заряда СКБ. Так как разгон произведен до большей скорости (V=9 м/с) напряжение на СКБ после торможения оказывается выше, чем в первом случае. Временная диаграмма на этапе движения со 105с по 175с, с точки зрения физической сущности и в количественном сопоставлении с предыдущими этапами, согласуется с вышеприведенными пояснениями.

Компьютерная модель позволяет также исследовать энергоэффективность рекуперативного торможения с применением суперконденсаторных батарей, с этой целью было промоделировано движение как при питании только от аккумуляторов без рекуперации, так и при использовании СКБ с рекуперацией в следующих циклах движения: 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) [3], приближённых к условиям движения в городе. Полученные значения отбираемой от аккумуляторов электроэнергии на 100км пути, экономии энергии от использования СКБ, среднеквадратичного тока аккумуляторов и его уменьшения от использования СКБ при движении по ровной асфальтированной горизонтальной дороге, занесены в таблицу 1.

Таблица 1 – затраты электроэнергии и ток аккумуляторов при движении

Цикл движения ECE-15 NEDC Jp10m Jp10-15m FTP-72
Расход электроэнергия при движение, кВт?ч/100км без рекуперации 17.97 17.18 19.59 18.52 19.79
с рекуперацией 14.77 15.07 15.4 14.72 16.67
Экономия энергии от использования рекуперации 17.8% 12.3% 21.4% 20,5% 15,6%
Среднеквадратичный ток БА, А без рекуперации 26.81 39.55 28.69 33.73 47.74
с рекуперацией 24.7 37.83 25.2 30.39 41.62
Уменьшение тока БА от использования рекуперации 7,9% 4,4% 12,2% 9,9% 12,8%

Из таблицы 1 видно, что дополнительная экономия от использования рекуперации с применением СКБ составляет 12…21%, при этом эффект от применения СКБ ощутимее при движение с частыми торможениями-разгонами и более короткими участками равномерного движения (циклы Jp10m и Jp10-15m), так как в этих случаях больше кинетической энергии превращается в тепло при отсутствии рекуперации, а не сохраняется для последующего движения.

Лабораторный стенд электропривода электромобиля с суперконденсаторной батареей

В лаборатории кафедры «АЭМС» при содействии фирмы «ЮНАСКО», которая производит опытные образцы суперконденсаторов, был создан лабораторный стенд электропривода электромобиля с суперконденсаторной батареей. По производственным причинам фирма предоставила батарею суперкондесаторов с максимальным допустимым напряжением 15 В, что потребовало в свою очередь использовать электропривод на пониженном напряжении. Функциональная схема лабораторной установки представлена на рисунке 3:

Функциональная схема лабораторной установки

Рисунок 3 – Функциональная схема лабораторной установки

Лабораторная установка включает в себя ЭП постоянного тока на основе широтно-импульсного преобразователя с цифровой системой управления (СУ). В качестве источника энергии используется свинцово-кислотная аккумуляторная батарея (АБ) с номинальным напряжением 12,6 В. Для приема рекуперируемой энергии во время торможения, а также уменьшения пульсаций тока аккумулятора, параллельно АБ подключена полученная батарея суперконденсаторов (БК). Предотвращение зарядных токов аккумулятора во время рекуперативного торможения и заряда БК достигается включением диода Д3.

В качестве электродвигателя постоянного  тока  с  независимым  возбуждением  (М)  был  использован  автомобильный  стартер с  номинальным напряжением  питания  12  В.  Масса автомобиля моделировалась маховиком, соединенным с М через зубчатую передачу. СУ включает в себя контур управления током, определяющий требуемое напряжения якоря двигателя, и блок управления транзисторами, обеспечивающий их коммутацию в соответствии с требуемым напряжением  якоря.  Двигательный режим осуществляется коммутацией транзистора Т1.  Когда он открыт, вследствие превышения напряжения БК над ЭДС якоря ток в якоре возрастает и индуктивность якорной цепи накапливает энергию WL=LI2/2. После запирания Т1 ток продолжает протекать в том же направлении через якорь и диод Д2. Благодаря высокой частоте коммутации (14,4 кГц) ШИП возрастание и снижение тока за период коммутации Т1 незначительны, что не вызывает резких изменений момента двигателя.

Для перехода в режим рекуперативного торможения осуществляется коммутация транзистора Т2, при этом Т1 закрыт. Когда Т2 открыт,  под  действием  ЭДС  якоря ток двигателя меняет сво  направление с двигательного на генераторный, создавая тормозной момент. После запирания Т2 ток продолжает течь через диод Д1 в БК, заряжая ее. Это сопровождается снижением кинетической энергии и  переходом  ее  в  электрическую  энергию  суперконденсаторной  батареи.  Повторное включение Т2 вновь сопровождается увеличением тормозного тока, а следующее за ним выключение повторяет цикл заряда БК, в течении которого изменение тока М находится в пределах (10…20)А, а средний тормозной момент определяется величиной среднего тока якоря. Управление моментом ЭД путем коммутации транзисторов Т1 и Т2 осуществляется СУ.

Проверка функционирования схемы электропривода на соответствие технологическим этапам движения электромобиля подтвердила работоспособность схемы, обеспечение двигательных и тормозных режимов с рекуперацией энергии в БК. На рисунке 3 показаны ток якоря (IЯ) и напряжение БК (UБК) при разгоне маховика до 300 об/мин с питанием только от БК и последующим рекуперативным торможением,  сопровождающимся  возвратом энергии в БК и, соответственно, их зарядом.

Переходные процессы тока якоря и напряжения на СКБ

Рисунок 3 – Переходные процессы тока якоря и напряжения на СКБ

Во время  разгона  при токе  якоря  110  А  напряжение  БК  снижается  с  15,5  В  до 10,38 В, что соответствует расходу 13,28 кДж энергии. Во время торможения при токе якоря 70 А БК заряжается до 11,69  В,  возвращается 2,89  кДж,  то  есть  более 21% от  затраченной энергии.

Вышеуказанное  значение  существенно  ниже  ожидаемого в реальном ЭП электромобиля, так как использованный в экспериментах в качестве электрического двигателя стартер имеет якорную цепь без дополнительных полюсов и  несимметричное  расположение  щеток  якоря,  что  вызывает  перетоки  энергии  в  якоре  между  парами  щеток, вследствие  чего  при  включенном  возбуждении  торможение  с  разомкнутой  якорной  цепью  происходит  в  два  раза быстрее,  чем  при  выключенном  возбуждении.  Также  падение  напряжения  на  сопротивлении  якорной  цепи  составляет 0,9 В при токе 100 А, что при ЭДС якоря 7 В при скорости маховика           300 об/мин составляет около 13%.

Дополнительные  потери  создает  механическая  часть  имеющая  значительное  трение  (ток  холостого  хода  составляет 19А).  Как  показывает  компьютерное  моделирование  при номинальных  параметрах  ЭП,  количество  возвращаемой энергии будет существенно выше – (20…40)%. Из рисунка  3  видно,  что  в  конце  торможения,  после  27  с,  тормоз-ной  ток  якоря  становится  меньше  задаваемого.  При  этом рекуперация  отсутствует,  что  связано  с  большими  потерями в якорной цепи, вызывающими падение напряжения больше  чем  ЭДС  якоря.  Это  приводит  к  непрерывно  открытому состоянию транзистора Т2 и отсутствию тока заряда СК.

Заключение

Разработана принципиальная схема электропривода электромобиля. На базе ДПТ НВ с суперконденсаторами. Компьютерным моделированием подтверждена работоспособность схемы. Показано, что за счёт рекуперации тормозных режимов экономия энергоресурсов может составить 12-21% при стандартных городских циклах. Проверка работоспособности схемы на созданном в НТУ «ХПИ» лабораторном стенде подтвердила теоретические выводы.

Перечень ссылок

[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.

Другие новости
АСУ модуля микродозирования сыпучих компонентов для комбикормовых заводов
15.02.2016
В рамках создания автоматизированной системы управления технологическим процессом комбикормового завода разработана АСУ модуля микродозирования сыпучих компонентов
Читать далее
Автоматизированный учет времени, отработанного технологическим оборудованием
25.01.2016
Разработано программное обеспечение, позволяющее проводить автоматизированный учет реального времени, отработанного технологическим оборудованием
Читать далее
Другие статьи
Автоматизированная система управления модуля микродозирования сыпучих компонентов
15.02.2016
Разработана автоматизированная система управления модуля микродозирования сыпучих компонентов в одну порцию с точностью до 100 г
Читать далее
Программное обеспечение учета времени, отработанного технологическим оборудованием
23.01.2016
Компанией «Призма Электрик» разработано ПО, обеспечивающее автоматизированный учет времени, отработанного технологическим оборудованием
Читать далее