2015-06-28
1482
Основні положення та рішення. При створенні синергетичного екологічного чистого автотранспортного засобу прийнято рішення розробити три системи керування зарядом високовольтної АКБ, а саме;
- система заряду АКБ від стаціонарної електричної мережі під час стоянки автомобіля;
- система заряду АКБ під час руху автомобіля за рахунок роботи ДВЗ;
- система заряду АКБ в режимі рекуперації синергетичного автомобіля.
Тенденція створення екологічного чистого автотранспортного засобу свідчить про те, що відомі автовиробники (Toyota, Honda та інші) поступово відмовляються від бензину як основного виду палива для своїх автотранспортних засобів. Стратегічним напрямом розвитку автомобільної промисловості стає перехід до екологічно чистих транспортних засобів, які в якості джерела енергії використовують високовольтні акумуляторні батареї або водневі паливні елементи (FCV).
В порівнянні з іншими екологічно чистими транспортними засобами, які працюють на електричної тязі або за рахунок синергетичний силових установок, автомобілі з паливними елементами ще далекі від того, щоб стати комерційним товаром. Фахівцям ще потрібно допрацювати надійність пристроїв, понизити їх вартість і продумати всю водневу інфраструктуру (станції заміни та обслуговування паливних елементів). Фахівці планують розв'язати ці і багато інших проблем до 2015 p., після чого і буде ухвалено рішення про початок серійного виробництва подібних пристроїв.
У зв'язку з тим в даний час гостро встає питання про заряд високовольтних АКБ від стаціонарної електричної мережі під час стоянки екологічного чистого автотранспортного засобу.
Слід відмітити, що перші серійні гібридні автомобілі Honda Insight та Toyota Prius, які були вироблені ще в 1995 році, не були обладнані системою заряду високовольтної АКБ від стаціонарної електричної мережі, але останні версії автомобілів Toyota Prius вже мають таку систему. Голова корпорації Toyota вважає, що гібридні автомобілі - це лише перехідний етап до абсолютно екологічно чистого автомобіля з нульовими викидами шкідливих речовин (Zero Emission Vehicle). Ця проблема пов'язана як з постійним ростом цін її. Автомобільне паливо та скороченням запасів нафти, так ї з скіпки ІЧНИМИ проблемами сучасності.
Тому н даний час швидко зростає потреба в екологічно чистих транспортних засобах, що мають електричний привід. Особливо актуальними є автомобілі, здатні накопичувати енергію в акумуляторних батареях зі стаціонарної електричної мережі. До таких автомобілів відносяться електромобілі та гібридні автомобілі, З можливістю підзарядки від стаціонарних джерел електроенергії. Це обумовлено суттєво нижчою вартістю кВт*год. з електричної мережі, в порівнянні з вартістю кВт*год. одержаних з використанням бензину або дизпалива.
Попередній техніко-економічний розрахунок, який був проведений на кафедрі Автомобільної електроніки ХНАДУ, показав наступне: якщо легковий автомобіль повною масою 1000 кг з двигуном внутрішнього згоряння рухається по європейському міському циклу, то ціна 1 км пробігу становить 0.9... 1.0 гри. при ціні на паливо А-95 10 грн. за літр. В разі електромобіля ціна 1 км Пробігу становить 0.25...0.3 грн. при ціні на електроенергію 0.7 грн. ЗІ 1 кВт*ГОД. В разі гібридного приводу - 0.40...0.45 грн. за 1 км. І Іри експлуатації автомобілів у режимі електромобіля в екологічно ЧИСТИХ зонах (наприклад парки, площі, центральна частина міста та
ін.) шкідливі викиди відсутні. Шкідливі викиди в масштабах країни зменшуються не менше чім вдвічі і залежать від палива і очисних споруд електростанцій.
Тому у даному дослідженні, для зниження собівартості проїзду синергетичного автомобіля, розроблена система відновлювального заряду високовольтної АКБ від електричної мережі. В даний час колективом авторів проводяться дослідження з розробці системи швидкісного заряду АКБ. Попередній розрахунок показав, що час заряду зменшиться на 20...ЗО % для вибраного типу АКБ в порівняні зі стандартним часом заряду, при цьому технічні характеристики АКБ не погіршуються.
Для збільшення пробігу синергетичного автомобіля без підзарядки від стаціонарної електричної мережі в даному дослідженні передбачена автономна підзарядку високовольтної АКБ безпосередньо на борту екологічно чистого транспортного засобу від окремого джерела енергії. В даному випадку всі гібридні автомобілі працюють саме на цьому принципі поповнення енергетичних запасів АКБ.
У процесі руху автомобіля, високовольтна акумуляторна батарея проходить цикли зарядки і розрядки, оскільки тягова електрична машина розряджає батарею при розгоні, а при рекуперативному гальмуванні заряджає батарею. Система інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ обчислює рівень зарядки/розрядки батареї по сигналу датчика струму та здійснює керування зарядкою і розрядкою високовольтної акумуляторної батареї так, щоб рівень зарядки постійно мав задану величину (рис. 2).
Рис. 2 Приклад керування зарядкою і розрядкою акумуляторної батареї
Коли рівень зарядки батареї падає нижче за припустимий рівень, система інтелектуального керування зарядом високовольтної АКБ автоматично підключає двигун внутрішнього згоряння для приведення в дію генератора, який заряджує акумуляторну батарею. Після запуску ДВЗ розвиває додаткову потужність для того, щоб електричний генератор міг здійснювати необхідну зарядку акумуляторної батареї.
Особливість автомобілів з гібридною силовою установкою складається не тільки в двох різних джерелах механічної енергії (ДВЗ та електродвигуни), а ще в тому, що у ньому діють дві різні системи гальмування: рекуперативна та звичайна гідравлічна (див. п. 2.4.4 даного дослідження).
При повільному русі та легкому натисненні на педаль гальма вступає в дію система рекуперативного гальмування, яка перетворює тяговий електричний двигун в генератор та здійснює через перетворювач напруги заряд високовольтної акумуляторної батареї Керування рекуперативним гальмуванням досягається за рахунок спільного керування гальмівною системою й гібридною трансмісією. При такому керуванні рекуперативна гальмівна система й гідравлічна гальмівна система забезпечують сумарне значення гальмівного зусилля.
Для оптимального вибору накопичувача енергії (тягову акумуляторну батарею або супер-кондесатор) необхідно визначитись з основними критеріями вибору системи живлення електропривода синергетичного автомобіля. Розташуємо основні вимоги в наступній послідовності:
- вартість і доступність;
- простота експлуатації;
- кількість циклів заряд-розряд;
- питома енергоємність;
- час заряду.
Основним недоліком накопичувача енергії на суперкон-денсаторах є незадовільна питома енергоємність. Дуже гарну енергоємність і достатнє число циклів заряд/розряд мають літій-іонні акумуляторні батареї, але вони поки малодоступні та непомірно дороги для «народного» автомобіля. Можливо з часом ціна їх знизиться і вони стануть доступними для недорогих масових гібридних автомобілів. Цьому також сприятиме відносно невелика ємність, необхідна для гібридних автомобілів (у порівнянні з електромобілями).
З акумуляторних батарей, яки масово випускаються, наведеним критеріям фактично задовольняють тільки свинцево-кислотні акумуляторні батареї з нерухомим електролітом (гелевим або адсорбованим). Акумуляторні батареї інших електрохімічних систем, які мають більшу енергоємність ніж свинцево-кислотні, дуже дорогі і малодоступні. Не дуже висока енергоємність свинцево-кислотних акумуляторів роблять їх неефективними для електромобіля, а для гібридного варіанту вони можуть підійти.
Порівняно тривалий час заряду свинцево-кислотних акумуляторів вимагає прийняти концепцію синергетичного автомобіля з зовнішньою підзарядкою від стаціонарної електричної мережі. Для такої концепції гібридного автомобіля з зовнішньої підзарядкою свинцево-кислотні батареї акумулятори цілком придатні, тому що дуже великої ємності тут не потрібно, а часу для підзарядки, яка виробляється переважно в нічний час, цілком достатньо. Ця концепція дозволить «розбавити» дорогу енергію з бензину більш дешевою енергією з електричної мережі і знизити експлуатаційні витрати, особливо при малому денному пробігу.
Розробляючи синергетичний автомобіль з зовнішньою підзарядкою, необхідно додати у звичайний автомобіль електропривод і ряд електронних систем, що забезпечують максимальну ефективність використання запасеної електричної енергії та енергії бензину. Спочатку звернемо увагу на те, що електричний двигун найкращим чином пристосований для початку руху і розгону транспортного засобу, тому що максимальний обертальний момент у нього при нульовій швидкості. Навпаки, ДВЗ у цих умовах працює неефективно.
Для найбільш економічного спільного використання енергії отриманої з бензину і енергії запасеної в тягових акумуляторних батареях з електричної мережі застосуємо наступний підхід: припустимо автомобіль виїхав з гаража або зі стоянки з зарядженими акумуляторними батареями. Поки є енергія в тягових акумуляторних батареях, ДВЗ працює тільки в режимах, коли має місце мала питома витрата палива, тобто при порівняно швидкому русі автомобіля на високих передачах.
І навпаки, ДВЗ не працює на малих швидкостях відповідних руху на низьких передачах. При таких швидкостях під час розгону або рівномірного руху колеса приводяться в обертання через диференціал безпосередньо від електричного двигуна, який при цьому із-за порівняно низьких швидкостей ощадливо витрачає електроенергію акумуляторних батарей. Тим самим виключаються з пробігу на енергії ДВЗ самі неекономні з точки зору витрат на бензин кілометри.
Дуже важливо для зниження виграти палива також те, що при такому підході не потрібен режим холостого ходу ДВЗ, а також не потрібен досить неекономічний процес початку руху автомобіля після зупинки на енергії ДВЗ. Особливо це важливо та актуальне при русі в заторах в центрі міста, коли і паливо ціле, і вихлопів нема. Інтелектуальна система управління повинна зробити для водія керування синергетичним автомобілем таким же простим та зрозумілим, як і звичайним автомобілем.
На такому синергетичному автомобілі відношення пройденого шляху на електродвигуні до шляху пройденому на ДВЗ може змінюватися в широких межах в залежності від умов руху. За містом воно менше, в місті більше, у заторах ще більше. Відповідно повільніше або швидше витрачається енергія, яка накопичена в тягових акумуляторних батареях. Ідеальний варіант, якщо цієї енергії виявиться досить до того моменту, коли автомобіль повернеться в гараж або на стоянку, де блок акумуляторних батарей знову буде підключений для зарядки від стаціонарної електричної мережі. Прикладом такого варіанту (і дуже поширеним) є поїздка на автомобілі на роботу і з роботи в межах міста. У цьому випадку доцільно встановити акумуляторні батареї порівняно невеликої ємності і не використовувати їх підзарядку від енергії ДВЗ, тому що ця електроенергія виявиться значно дорожче, ніж енергія з електричної мережі.
У випадку більш інтенсивної експлуатації автомобіля в місті (розвізний автомобіль або автомобіль таксі) потрібні акумуляторні батареї більш високої ємності. У цьому випадку стає доцільною підзарядка акумуляторних батарей в режимі рекуперації гальмівної енергії автомобіля від вентильного двигуна (ВД) в режимі генератора. Система рекуперативного гальмування включається при необхідності водієм або автоматично. А від ДВЗ електроенергія виробляється тільки при русі автомобіля в режимах з малою питомою витратою палива. Така електроенергія, отримана від ДВЗ, буде дорожчою, ніж отримана з електричної мережі, але при певних ситуаціях, наприклад, рух у заторах, може бути вигідна для підвищення економічності та екологічності синергетичного автомобіля.
Слід наголосити на двох важливих обставинах, що дозволяють створити сучасний економічний синергетичний автомобіль з хорошим співвідношенням ціна-якість. Оскільки в розглянутому підході основним типом зарядки є повільна зарядка тягових акумуляторних батареї від стаціонарної електричної мережі, з'являється можливість застосувати свинцево-кислотні батарей. Такі батареї найпоширеніші та найдешевші і мають вирішену проблему утилізації. Це також дозволяє знизити втрати електроенергії, тому що ККД акумуляторів, особливо свинцевих, при повільному заряді вище.
Робота електричного двигуна в основному від тягових акумуляторних батарей (на відміну від існуючих гібридних автомобілів, де використовують енергію потужного генератора) дозволяє створити простий за кінематичною схемою і по конструкції синергетичний автомобіль на основі недорогого автомобіля з ручною коробкою переключення передач (КПП).
Тепер звернемо увагу на те, що, крім запасеної в бензині та в тягових акумуляторних батареях енергії, в рухомому автомобілі ще запасаються кінетична енергія і потенційна енергія (рух на спуску), яку треба використовувати найбільш раціональним чином. Для зменшення втрат цього виду енергії, необхідно мінімізувати режим руху автомобіля на ДВЗ в режимі примусового холостого ходу. Його необхідно замінити, або на режим вільного кочення автомобіля із зупиненим і відключеним від трансмісії ДВЗ, коли це можливо, або на режим гальмування електричним двигуном.
Режим гальмування електричним двигуном, безумовно, в цьому випадку необхідний. Це обумовлено тим, що при відключеному від трансмісії ДВЗ, неприпустимо постійно використовувати гальмівну систему, особливо при русі в гірській місцевості. Інтелектуальна система управління повинна забезпечити водієві можливість гальмування електричним двигуном, не тільки коли тяговий акумулятор не повністю заряджений і можлива рекуперація, але і мри повністю зарядженому акумуляторі.
Вибір накопичувана енергії та розробка системи контролю заряду-розряду. В якості джерел енергії для автотранспортних засобів використовують високовольтні акумуляторні батареї різних електрохімічних систем (свинцева-кислотні, нікель-метал-гідридні, літій-іонні, рідко нікель-кадмієві) або супер-конденсатори.
У табл. 1 представлені порівняльні характеристики різних накопичувачів електроенергії, які можна застосувати для живлення електропривода синергетичного автомобіля.
Таблиця 1
Порівняльні характеристики накопичувачів електроенергії 
До накопичувачів енергії, які здійснюють живлення електроприводу синергетичного автомобіля пред'являється ряд вимог. Накопичувачі повинні мати:
· невелику ціну;
· низькі масогабаритні показники;
· високий ККД зарядно-розрядної характеристики та задовільну ефективність розряду при різних температурах;
· широкий діапазон робочих температур;
· мінімальний саморозряд;
· високий термін служби.
Крім того, накопичувані енергії повинні бути:
· вибухо- і пожежобезпечними;
· механічно міцними;
· простими в обслуговуванні;
· виділяти мінімум токсичних газів;
· придатними для відновлення та утилізації.
Слід зазначити, що сучасна електрохімічна акумуляторна батарея є не лише звичайним носієм заряду, але також і включає в себе електронне обладнання діагностики її стану, системою контролю та управління зарядом і розрядом, а в деяких випадках ще обладнана системою охолодження. Дане обладнання (далі система контролю і управління) у складі електрохімічного накопичувача енергії дозволяє підвищити довговічність акумуляторних батарей: вибухо- та пожежобезпечність, простоту обслуговування, високий термін служби батареї, високий ККД заряду і розряду.
Дотримуючись технічних вимог до батареї, а так само застосовуючи механізми перерозподілу енергії (нівелювання напруг) між акумуляторами в батареї, домагаються досягти оптимальних умов експлуатації джерела енергії та безпеки його функціонування. За забезпечення оптимального режиму експлуатації тягової акумуляторної батареї відповідає система контролю і управління станом електрохімічного джерела струму, яка є невід'ємною частиною сучасного накопичувача енергії.
Для порівняння на рис. 3 наведені масогабаритні показники акумуляторних батарей різних електрохімічних систем: нікель-кадмієвих (NiCd), нікель-метал-гідридних (Ni-MH), свинцева-кислотних (РЬ), літій-іонних та літій-полімерних (Li-Ion) з енергією 15000 Вт*год. [8]. По осях координат відкладені енергія, маса і об'єм.
Рис. 3 Масогабаритні показники АКБ різних електрохімічних систем: нікель-кадмієвих (NiCd), нікель-метал-гідридних (Ni-MH), свинцева-кислотних (РЬ), літій-іонних (Li-Ion) з енергією 15000 Вт*год.
Як видно з рис. 3, мінімальна маса нікель-метал-гідридної акумуляторної батареї, яка може накопичувати енергію 15000 Вт*год., становить 187,5 кг, NiCd - 250 кг, Pb - 375 кг, a Li-Ion - всього 83,3 кг. Таким чином за масовим показником літій-іонна АКБ майже у 5 разів краще ніж свинцева-кислотна. Це означає, що при використанні в синергетичному автомобілі літій-іонних батарей, замість свинцева-кислотних, маса накопичувача енергії зменшиться у 5 разів. За об'ємним показниками енергії, мінімальне значення так само має літій-іонний акумулятор.
Проаналізуємо ємність, яку може віддати акумулятор при різних температурах розряду. На рис. 4 наведено графіки, які показують ефективність розряду при різних температурах акумуляторів і струмі розряду 1С. Як видно з графіків рис. 4, найбільшу ефективність розряду має літій-іонна акумуляторна батарея [8]. Ефективність заряду і розряду (ККД) літій-іонного акумулятора при знижених і підвищених температурах, вище ніж у інших акумуляторів, а в нормальних умовах експлуатації, його ККД заряду становить не менше 97 %.
Найважливіший параметр накопичувача енергії в складі гібридної силової установки синергетичного автомобіля -циклічний ресурс.
На рис. 5 наведений розрахунковий циклічний ресурс для акумуляторних батарей різних електрохімічних систем в залежності від глибини розряду (за даними фахівців компанії VARTA).
Рис. 5. Розрахунковий циклічний ресурс для різних акумуляторних батарей в залежності від глибини розряду
Проведемо розрахунково-аналітичні дослідження для порівняння свинцево-кислотних АКБ з гелевим електролітом та літій-іонних АКБ різної ємності (40, 60 та 90 А*год.) при пробігу синергетичного автомобіля 100 тис. км. Визначимось, що робоча напруга живлення електропривода синергетичного автомобіля складає 72 В. Це означає, що блок свинцево-кислотних акумуляторних батарей в складається з 6 штук (6*12=72 В), а блок літій-іонних АКБ - з 20 штук (20*3.6=72).
Результати порівняльного розрахунку зведені в табл. 2
Порівняння тягових акумуляторних батарей 
Розрахунково-аналітичні дослідження, зведені у табл. 2, свідчать, що практично за всіма критеріями кращим вибором являються літій-іонні акумуляторні батареї, однак на сьогоднішній час найбільш доступними поки остаються свинцево-кислотні акумулятори. У силу низки особливостей гібридного автомобіля з зовнішнім підзарядом (порівняно невеликий необхідний запас електроенергії, можливість нічного підзаряду) застосування свинцево-кислотних акумуляторів також виявляється можливим. Тим не менше, за прогнозами фахівців, найближчими роками вартість літій-іонних акумуляторів буде знижуватися, тому у наступних розробках синергетичного автомобіля ми плануємо застосовувати саме літій-іонні акумуляторні батареї.
Специфіка руху у міському циклі руху з частими зупинками, гальмуваннями і прискореннями вимагає від накопичувача енергії велику кількість зарядно-розрядних циклів. Число їх з урахуванням рекуперативного гальмування та у залежності від інтенсивності руху складає 10... 100 циклів на добу, а за 10 років експлуатації -30...300 тис. циклів. Для того щоб досягти таких показників, сучасні акумулятори повинні працювати на невелику глибину зарядно-розрядного циклу. В умовах роботи транспорту з гібридним приводом ресурс понад 30 тис. циклів досягається для гелевих свинцева-кислотних батарей, коли акумулятори працюють на глибину менше 5 % своєї ємності, а для літій-іонних - менш 15 % (див. рис. 5).
Вимоги до зарядного пристрою. Обґрунтуємо вимоги, що пред'являються до зарядного пристрою. Для синергетичного автомобіля обрані герметизовані свинцево-кислотні акумулятори. Для початку звернемо увагу на фактори, що впливають на термін служби свинцево-кислотних акумуляторів. Найбільший вплив роблять:
- глибина розряду;
- робоча температура;
- струми розряду/заряду;
- величина перезаряду;
- періодичність спрацьовування клапана для скидання газу.
На рис. 6 зображена залежність кількості циклів свинцева-кислотної акумуляторної батареї від глибини розряду.
 |
На рис. 7 наведена залежність терміна служби свинцева-кислотної акумуляторної батареї від температури навколишнього середовища під час роботи у буферному режимі.
Температура батареї ºС
Рис. 7. Залежність строку служби свинцево-кислотної батареї від температури
Ємність, що віддається акумулятором, значно залежить від струму розряду, що може досягати декількох С. Типові розрядні характеристики герметизованої свинцево-кислотної акумуляторної батареї при різних струмах навантаження показані на рис. 8, з якого видно, що від струму розряду залежить також і кінцева розрядна напруга свинцевого акумулятора.
Рис. 8. Розрядні характеристики геометризованої свинство-кислотної акумуляторної батареї
Як герметизовані, так і стартерні свинцево-кислотні акумулятори дуже чутливі до перезаряду. На рис. 9зображено, як швидко зменшується строк служби АКБ при роботі в режимі постійної підзарядки при підвищенні напруги (і тим самим - струму підзарядки) джерела живлення підключеного до акумулятора.
Рис. 9 Вплив режиму заряду на термін служби свинцево-кислотної акумуляторної батареї під час роботи у буферному режимі
Необхідно відмітити, що при заряді акумуляторних батарей, їх температура може бути значно вище температури навколишнього середовища. Це пов'язано як з розігрівом акумуляторів через реакцію рекомбінації кисню, так і з незадовільним відводом тепла від щільно упакованої батареї. Різниця температур особливо відчутна при прискореному режимі заряду. Якщо не можна уникнути істотного збільшення температури, то при заряді варто вводити коректування напруги джерела живлення.
Перерозряд також шкідливий для свинцева-кислотних батарей, як і перезаряд. При багаторазових перерозрядах зменшується розрядна ємність і знижується термін служби акумулятора. Такі ж зміни можуть відбуватися й при тривалому зберіганні батарей у розрядженому стані.
Нормальна експлуатація свинцева-кислотних автомобільних акумуляторів можлива при дотриманні жорсткого діапазону регулювання зарядної напруги. Максимальна величина зарядної напруги для автомобільних акумуляторних батарей із загущеним (гелеподібним) і адсорбованим електролітом залежить від рекомендацій виробника (орієнтовно для гелеподібних 14,35В, а для адсорбованих 14,4В).
У випадку перевищення величини рекомендованої виробником на 0,05В швидкість виділення газу стає такою великою, що призводить до порушення контакту активної маси електродів з електролітом, а також до висихання акумулятора, у результаті чого батарея втрачає працездатність.
Заряд батарей, має здійснюватися в режимі, при якому струм повинен сильно знижуватися до кінця заряду. Використається кілька стратегій заряду, які вимагають устаткування різної складності й вартості. Найбільш просте й дешеве встаткування здійснює заряд при постійній напрузі 2,4...2,45В на одну банку акумуляторної батареї (потенціостатичний режим). Заряд вважається закінченим, якщо струм заряду залишається незмінним на протязі 3год.
Але частіше застосовують комбінований режим, при якому початковий струм обмежують, а по досягненні заданої напруги, заряд проводиться при стабілізації напруги (рис. 10).Заряд проводиться постійним струмом 0,1С на першому етапі й при постійній напрузі джерела струму на другому. Більшість виробників пропонують проводити заряд свинцево-кислотних акумуляторних батарей при постійній напрузі 2,4 В на акумулятор.
Рис. 10. Зарядні криві свинцево-кислотної акумуляторної батареї при комбінованому режимі заряду нормованим струмом 0,1 С й нормованою напругою 2,45 В/акумулятор: 1 - напруга, 2 - зарядна ємність, 3 - струм
Заряду
Прискорення процесу заряду свинцево-кислотних акумуляторних батарей досягається при підвищенні струму на першій стадії заряду, але відповідно до порад виробників не більш ніж до 0,ЗС. Наприкінці заряду для більшої безпеки може бути застосована ще один ступінь заряду: зниження напруги джерела живлення до напруги підзарядки акумулятора 2,30...2,35 В.
Таким чином, є необхідність створення зарядного пристрою для свинцево-кислотних акумуляторних батарей, що встановлює необхідну величину напруги для забезпечення оптимального (з погляду швидкості зарядки й збільшення терміну служби) заряд акумуляторної батареї 4.2.4 Розробка зарядного пристрою. В блоку тягових акумуляторних батарей загальною напругою 72 В послідовно підключені 6 герметизованих свинцево-кислотних батарей по 12 В. Кожна з батарей повинна заряджатися за методикою розробленою у п.1.3 даного дослідження.
Якщо заряджати і розряджати тягову акумуляторну батарею як батарею на 72 В, то неминуче з'явиться розкид по мірі заряду кожній з 12 В батарей, а отже і порушення вимог по струму і напрузі для кожної з цих батарей. Крім того необхідно стежити за граничною напругою розряду кожної з цих батарей з метою запобігання перерозряду та зміни полюсів окремих батарей.
Отже для кожної з 6 батарей, що входять до складу блока тягових акумуляторів синергетичного автомобіля, необхідний індивідуальний імпульсний зарядно-контролюючий пристрій (ІЗКП). На цих принципах побудована функціональна схема системи заряду і контролю розряду тягових акумуляторних батарей, яка наведена на рис. 11.
Рис. 11. Схема функціональна системи заряду і контролю розряду тягових акумуляторних батарей синергетичного автомобіля
Як видно з функціональної схеми живлення кожного імпульсного зарядно-контролюючого пристрою (ІЗКП 1...ІЗКП 6) здійснюється напругою 28 В. Це обумовлено тим, що вентильний двигун-генератор в електроприводі синергетичного автомобіля використовується для рекуперативного гальмування, а розроблений він на основі синхронної електричної машини Г290 (автомобільний генератор на робочу напругу 28 В потужністю 4,2 кВт).
Для заряду тягових акумуляторних батарей від стандартної електричної мережі змінного струму використаний промисловий імпульсний перетворювач AC/DC з вхідною напругою 220 В, 50 Гц і вихідною напругою 28 В постійного струму потужністю 1,4 кВт.
Кожна акумуляторна батарея (АКБ 1...АКБ 6) підключена до відповідного імпульсного зарядно-контролюючого пристрою (ІЗКП 1...ІЗКП 6), який у свою чергу підключений до одного з виходів блоку DC/DC 28/28x6, що забезпечує шість гальванічне розв'язаних виходів на 28 В кожен.
Розглянемо роботу блоків, що входять в функціональну схему (див. рис. 11). Спочатку докладніше розглянемо схему принципову електричну блока перетворювача постійного струму на шість гальванічно розв'язаних виходів DC/DC 28/28x6 та її принцип роботи. Схема електрична принципова блоку DC/DC 28/28x6 наведена на рис. 12.
Рис. 12. Схема електрична принципова блоку перетворювача постійного струму на шість гальванічно розв'язаних виходів DC/DC 28/28x6
Імпульсний парафазний генератор спеціальної форми для перетворювача за нульовою (пуш-пульної) схемою зібраний на ШІМ-контролері DDI КР12ПЕУ1, який забезпечує необхідний так званий «мертвий час» для процесу перемикання польових транзисторів і процесу відновлення вбудованих в них діодів. Для правильного фазування цього «мертвого часу» встановлені інвертори DD2.1 і DD2.2 на мікросхемі CD4049, яка містить 6 інверторів (використовуються лише 2).
Після кожного з інверторів включені драйвери DD3 і DD4 на мікросхемах 1133153. Драйвери необхідні для заряду-розряду ємності затвора вихідних MOSFET транзисторів і захисту від «недонапруги» по сигналу, який керує цими транзисторами.
Робоча частота 30 кГц вибирається виходячи з матеріалу високочастотного трансформатора і встановлюється конденсатором СІ і резистором R1. Всі обмотки трансформатора мають відведення від середньої (нульовий) точці.
Мікросхеми DD5 і DD6 забезпечують живлення ІІПМ-контролера і драйверів відповідно напругою 5 В і 15 В. Конденсатори С2...С6 забезпечують стійку роботу стабілізаторів живлення DD5 і DD6. Резистори R2 і R3 формують необхідну швидкість перемикання вихідних транзисторів VT1 і VT2.
Оскільки кожен виток трансформатора працює лише половину періоду, перетин дроту первинної обмотки розрахований на струм рівний половині максимального вхідного струму всієї системи, а перетин дроту вторинної обмотки розрахований на струм рівний половині максимального вхідного струму для кожного імпульсного зарядно-контролюючого пристрою. Кожна вторинна обмотка навантажена на випрямляч за нульовою схемою на діодах Щотки VD1...VD12. Дроселі L1...L6 разом з вхідними ємностями блоків ІЗКП 1...ІЗКП 6 утворюють фільтри.
Розглянемо принцип роботи та схему електричну принципову блоку імпульсного зарядно-контролюючого пристрою. Кожен з блоків імпульсного зарядно-контролюючого пристрою ІЗКП 1...ІЗКП 6 являє собою DC/DC перетворювач понижуючого типу. Виконаний ІЗКП за схемою електричною принциповою, яка наведена на рис. 4.13.
Основними елементами перетворювача є конденсатор СІ, що відсікає вхідну індуктивність, дросель (реактор) L1, силовий ключ VT3, вихідна ємність С7 і демпферний діод VD2. Управляє силовим ключем ШІМ-контролер DA2 МС34063. Робоча частота визначається ємністю С4. Режим стабілізації напруги забезпечує підсилювач на транзисторі VT4, а режим стабілізації струму забезпечує підсилювач на транзисторі VT5.
 |
Мікросхема TL431 забезпечує високу точність підтримки вихідної напруги, а діоди VD3...VD4 вводять температурну залежність для вихідної напруги. Транзистори VT1, VT2 збільшують струм управління MOSFET транзистора VT3. Мікросхема стабілізатора напруги DAI Lm7815 забезпечує живлення ШІМ-контролера. Компаратор на мікросхемі Lm393 стежить за нижнім порогом допустимої напруги на акумуляторі, і, якщо ця напруга падає нижче 10 В, через ключ на транзисторі VT4 включає світлодіод оптрона. Фототранзистори оптронів HL1...HL6 всіх блоків ІЗКП включені послідовно і відкривають транзисторний ключ, що включає живлення акустичного випромінювача. Звуковий сигнал служить для водія запобіганням про граничний розряд тягових акумуляторних батарей і про необхідність «ручного» переходу з руху на електроприводі до руху з використанням ДВЗ.
Розробка системи рекуперативного гальмування і заряду тягових акумуляторних батарей від ДВЗ, яка поєднана з системою підтримки теплового режиму ДВЗ. У гібридному автомобілі Toyota
Prius застосована система рекуперативного гальмування гібридного автомобіля з перерозподілом синергетичною системою механічної енергії з коліс автомобіля між електромотором-генератором, який виробляє електроенергію для зарядки тягових високовольтних акумулятора і ДВЗ, що працює в режимі примусового холостого ходу. По мірі заряду акумуляторних батарей збільшується частка механічної енергії, яка йде на обертання ДВЗ в режимі примусового холостого ходу [14]. Недоліком такої системи є висока складність і вартість. Крім того, обертання ДВЗ в режимі примусового холостого ходу додатково його зношує. У той же час у автомобіля Toyota Prius при недостатній температурі ДВЗ система управління його запускає для прогріву, навіть якщо не потрібна зарядка акумулятора.
Відома система рекуперативного гальмування шляхом одночасного обертання, як електромотора-генератора, так і ДВЗ механічною енергією, яка знімається з коліс автомобіля [1]. І Недоліком такої системи є слабка зарядка акумулятора і додатковий знос ДВЗ, так як значна частка енергії з коліс витрачається на обертання ДВЗ.
Існують системи рекуперативного гальмування з використанням тільки тягового електромотора в режимі генератора при русі «накатом» або під ухил при нейтральній передачі в коробці передач. Однак таке рекуперативне гальмування має недолік - малу ефективність гальмування при високому ступені зарядженості акумулятора тобто, коли йому вже не потрібен великий струм заряду. Тому при русі в гірській місцевості під ухил в такому гібридному автомобілі потрібно гальмувати за допомогою примусового холостого ходу ДВЗ.
Метою розробки системи рекуперативного гальмування синергетичного автомобіля є підвищення ефективності рекуперативного гальмування і поліпшення теплового балансу ДВЗ, шляхом перетворення кінетичної енергії рухомого автомобіля в електричну енергію і спрямування її на зарядку акумуляторної батареї, а також напряму надлишку електроенергії, що виробляється на нагрів охолоджуючої рідини в системі охолодження ДВЗ [10].
Технічним результатом, що досягається зазначеними вище ознаками, є постійно висока, незалежна від ступеня зарядженості акумулятора, ефективність гальмування двигуном-генератором, наприклад на затяжному спуску. Крім того, відбувається поліпшення теплового балансу ДВЗ, який в гібридному автомобілі працює обмежений час і, отже, не завжди достатньо прогрівається. Причому навіть якщо температура ДВЗ достатня, надлишок теплової енергії просто розсіюється в радіаторі системи охолодження ДВЗ. Можливість розсіювати теплову енергію цим радіатором при необхідності легко збільшити, чого не можна сказати про гідравлічну гальмівну систему автомобіля.
Схема функціональна системи рекуперативного гальмування синергетичного автомобіля наведена на рис. 14.
Рис.14. Схема функціональна системи рекуперативного гальмування ' синергетичного автомобіля: 1-ДВЗ, 2 - зчеплення, 3 - коробка передач, 4 - зубчаста ремінна передача, 5 - електромотор-генератор, б - електричний
нагрівам охолоджуючої рідини в системі охолодження ДВЗ, 7 - блок управління нагрівачем і зарядкою акумуляторної батареї, 8 - блок управління електромотором-генератором, 9 - тягова акумуляторна батарея, 10 - ведучі колеса автомобіля, 11 - головна передача, 12 - датчик положення педалі гальма.
У систему рекуперативного гальмування гібридного автомобіля, що містить ДВЗ 1, пов'язані між собою тягову акумуляторну батарею 9, електромотор-генератор 5, блок управління електромотором-генератором 8, датчик положення педалі гальма 12, введений електричний нагрівач охолоджуючої рідини 6 в системі охолодження двигуна внутрішнього згоряння, а також введено блок управління нагрівачем і зарядкою акумуляторної батареї 7, пов'язаний з датчиком положення педалі гальма 12, з електромотором-генератором 5, з тяговою акумуляторною батареєю 9, з блоком управління електромотором-генератором 8 і з електричним нагрівачем 6 охолоджуючої рідини для ДВЗ.
Працює система рекуперативного гальмування синергетичного автомобіля наступним чином: при впливі на педаль гальма на початку її ходу до вступу в роботу штатної гальмівної системи з'являється сигнал датчика положення педалі гальма 12. Блок управління нагрівачем і зарядкою акумуляторної батареї 7 через блок управління електромотором-генератором 8 переводить електромотор-генератор 5 в режим генератора з встановленою потужністю, що забезпечує ефективне гальмування автомобіля електромотором-генератором 5. Одночасно блок управління нагрівачем і зарядкою акумуляторної батареї 7 бере з потужності, що виробляється мотором-генератором потужність необхідну для зарядки акумулятора 9, а частину, що залишилася від загальної рекуперативної потужності направляє на підігрів охолоджуючої рідини ДВЗ в електричний нагрівач 6.
У результаті застосування такої системи досягається як часткове повернення електричної енергії в тягову акумуляторну батарею в процесі гальмування, так і можливість більш ефективного використання кінетичної і потенційної енергії автомобіля для його руху. Додатковим позитивним результатом є підтримання теплового режиму ДВЗ, а також менше нагрівання і знос гальмівних механізмів автомобіля.
