CC BY
19
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-522-523
БОРТОВАЯ СЕТЬ ПИТАНИЯ АВТОМОБИЛЯ С ФИКСИРОВАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ
А.В. Малышев, Ю.А. Малышев, В.Н. Козловский
В статье представлены результаты разработки способа снабжения электрической энергией электрических нагрузок и аккумуляторной батареи транспортного средства. Электрические нагрузки и аккумуляторная батарея связаны посредством бортовой электрической распределительной сети с генератором электроэнергии транспортного средства. Аккумуляторная батарея подает в бортовую распределительную сеть транспортного средства электрическую энергию при неработающем генераторе электроэнергии. При работе генератора электроэнергии уровень постоянного напряжения в бортовой распределительной сети поддерживают стабильным и меньшим величин, регламентированных производителем аккумуляторной батареи для ее заряда.
Ключевые слова: автомобиль, электрооборудование, электроснабжение.
По информации агентства «Автостат» на 1 июля 2022 года на территории Российской Федерации было зарегистрировано 53,84 млн единиц автомобильной техники. Легковые автомобили составляли более 84% от этого количества или 45,42 млн. единиц. Вторе место занимал сегмент легких коммерческих автомобилей (LCV), которых в России было около 8% или 4,23 млн машин. Третье место занимали грузовики с рыночной долей 7% и 3,78 млн единиц. Автобусов в России было зарегистрировано около 410 тыс. или менее 1% от общего количество машин [1].
Согласно РД-3112199-1089-02 «Нормы сроков службы стартерных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей автотранспортных средств и автопогрузчиков», утверждённых 26.09.2002, для легковых автомобилей индивидуального пользования типовая норма срока службы АКБ составляет 4 года, для специальных автомобилей на шасси легковых автомобилей 2,75 года, а для легковых автомобилей такси - 1,75 года [1, 2].
Применение для запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) электрического стартера, работающего от аккумуляторной батареи (АКБ), вызвало необходимость заряда этой АКБ непосредственно на борту автомобиля. Первая полноценная бортовая сеть электропитания включала в себя АКБ, стартер, катушку зажигания и, предназначенное для заряда АКБ, бортовое устройство генерации электроэнергии, в качестве которого использовался простейший генератор типа магнето. Особо отметим, что изначально уровень напряжения в бортсети не был фиксированным и изменялся в заданных пределах с целью обеспечения постоянного заряда АКБ при любой температуре окружающей среды [1, 3].
В настоящее время в качестве бортового источника питания на автомобиле прочно прописались генераторы переменного тока (альтернаторы) с полупроводниковыми выпрямителями и электронными регуляторами напряжения. При этом регулирование генерируемого напряжения производится как по жестко заданным алгоритмам регулирования уровня, так и по произвольным алгоритмам, задаваемым внешними устройствами при помощи информационной шины, например, шины LIN. В остальном, если не считать увеличения количества бортовых потребителей электроэнергии, сеть электропитания автомобиля не претерпела принципиальных изменений [1, 4].
Главной задачей генератора, помимо генерации эл/энергии для электропитания систем автомобиля, по - прежнему является поддержание требуемого уровня напряжения в сети в интересах обеспечения заряда АКБ. Новые устройства электрооборудова-
ния, подключаемые к бортовой сети питания (БСП) автомобиля по мере дальнейшего развития техники, были вынуждены подстраиваться под широкий диапазон изменений напряжения бортовой сети, формируемый автомобильным генератором, исходя из потребностей заряда конкретного типа АКБ [1, 5].
Сложилась парадоксальная ситуация: - С одной стороны, напряжение на клеммах потребителей электрической энергии не должно превышать, для 12-вольтовых систем - 13,9 В, а с другой стороны, величина напряжения, необходимого для заряда, например, «Са-Са» АКБ может варьироваться, в зависимости от температуры АКБ, от 14 В до 16,5 В.
Концепция бортовой сети питания с фиксированным напряжением. С целью облегчения условий работы бортовых устройств электрооборудования автомобиля величину напряжения, поддерживаемого генератором в БСП, предлагается зафиксировать, например, для 12-вольтовых систем - на уровне 13В - 5 % (ифкс), что может быть легко реализовано при помощи генераторов, поддерживающих управление по шине LIN.
Но при этом обеспечением заряда АКБ должен заняться специализированный контроллер АКБ, далее контроллер батареи (КБ).
Предлагаемый способ может быть реализован в любом транспортном средстве (ТС), содержащем в своём составе электрическую нагрузку (ЭН), вентильную генераторную установку (ГЭ) с интегральным регулятором напряжения, оснащенным шиной LIN, широко применяемый в настоящее время в составе автотракторной техники тип регуляторов напряжения Int.reg, имеющий возможность задания напряжения ГЭ, преимущественно, на уровне 13 В -5%, АКБ, электрический стартер (соединён с АКБ проводом большого сечения), а также БС, посредством которой ЭН связаны с ГЭ. Для реализации заявляемого способа ТС должно быть выполнено снабжённым бортовым зарядным устройством (БЗУ), электромагнитным реле (К1), импульсным ограничительным диодом (VD1), и датчиком (Т) температуры АКБ или окружающей АКБ среды. Датчик (Т) температуры может быть выполнен или содержащимся в составе АКБ, или содержащимся в составе клеммы АКБ, входящей в состав реализующих БС проводов, или в виде отдельного компонента, установленного рядом с АКБ. Вентильное устройство ГЭ (не показано) выполнено электрически соединёнными с БС и с массой ТС; интегральный регулятор ГЭ, соответственно, с шиной LIN ТС, которая, в свою очередь, выполнена электрически соединённой с контроллером системы управления двигателем (КСУД) и БЗУ.
С целью снижения стоимости контроллера батареи, последний должен формировать только часть зарядного напряжения АКБ, а именно напряжение вольт-добавки (№д), представляющее собой разницу между требуемым напряжением заряда изАР и фиксированным напряжением генератора ифкс. При этом КБ должен формировать подаваемое на АКБ напряжение изАР как сумму ифкс + №д.
Формирование только вольт-добавки позволит снизить потребную мощность КБ, поскольку в этом случае он должен обеспечивать не более одной трети общей зарядной мощности АКБ.
Контроллер батареи (КБ) должен формировать уровень зарядного напряжения изАР в зависимости от температуры (Такб) и напряжения разомкнутой цепи (Цнрц) АКБ.
КБ должен производить оценку состояния (степени) заряда State Of Charge (SOC) АКБ и поддерживать его в пределах 75-95%, чтобы исключить как сильный разряд, так и перезаряд АКБ.
КБ должен информировать водителя о текущей величине SOC в %.
КБ должен отслеживать броски напряжение в сети, возникающие на выходе генератора при сбросах и включениях электрических нагрузок, и демпфировать - относительно кратковременные - посредством импульсного ограничительного диода и быстродействующего керамического конденсатора, подключенных к выходу генерато-
ра, а относительно длительные - кратковременным подключением АКБ к БС, осуществляемым посредством сильноточного реле, управляемого КБ.
КБ должен обеспечивать подключение к АКБ стартера на время запуска двигателя внутреннего сгорания автомобиля.
Преимущества применения фиксированного уровня напряжения. Фиксация выходного напряжения генератора на уровне 13В даст увеличение запаса генерации по току. Например, при мощности генератора 900 Вт и напряжении 13 В максимальная величина выходного тока того же генератора составит Igen = 900 / 13 = 69 А; при выходном напряжении 14 В максимальная величина выходного тока генератора той же мощности составит Igen = 900 / 14 = 64 А. Таким образом, увеличение запаса генератора по току, для этого случая, составит 5А. На режимах холодного запуска, когда уровень напряжения в БСП достигает 16,5 В и когда требуется наибольшая токоотдача генератора (включены подогреватели стекол, сидений и т.д.) этот запас будет достигать уже 15А.
Со стороны электрических нагрузок (электрических моторов, нагревателей и ламп накаливания) снижение максимального выходного напряжения сети до величины 13 В также уменьшит потребность в генерации тока, что, в свою очередь, даст дополнительный запас по току генерации, а также позволит снизить расход топлива автомобилем на связанную с дополнительной генерацией, обусловленную, при текущем уровне техники, повышенным напряжением БСП.
КБ имеет возможность подъёма уровня зарядного напряжения АКБ, в зимних условиях, до уровня 16 В и более, что необходимо для преодоления напряжения поляризации холодной АКБ, что, в свою очередь, сделает возможным ее заряд при предельно низких, для АКБ, температурах окружающей среды.
КБ обеспечит возможность удержания SOC АКБ в пределах 75-95%, что увеличит ресурс АКБ, поскольку из практики известно, что наибольший срок службы стартерных АКБ в эксплуатации достигается именно при таких условиях.
Фиксация напряжения в БСП на уровне 13В обеспечит выполнение нормативных требований Правила ЕЭК ООН N 48-4, в части уровня напряжения, подводимого к световым приборам, без необходимости ШИМ регулирования, что упростит и удешевит их использование.
КБ обеспечит индикацию и более высокую точность измерения SOC АКБ за счет возможности измерения инрц и ТАКБ, что позволит водителю видеть текущее состояние АКБ и планировать свои действия - например, КБ может предложить водителю дождаться необходимой степени заряда АКБ перед постановкой автомобиля на длительную стоянку или, в зимнее время, на ночь.
Недостатки, связанные с переходом на фиксированный уровень напряжения. Введение нового устройства (КБ): разработка, испытания, постановка на производство. Введение компонентов развязки АКБ от БСП - реле, импульсный ограничительный диод, конденсатор.
Список литературы
1. Малышев А.В. Способ снабжения электрической энергией электрических нагрузок и аккумуляторной батареи. Патент на изобретение / А.В. Малышев, Ю.А. Малышев // Федеральная служба по интеллектуальной собственности. Патент на изобретение. Способ снабжения электрической энергией электрических нагрузок и аккумуляторной батареи транспортного средства. RU 2 742 315 C1.
2. Козловский В.Н. Перспективные системы диагностики управления автономным транспортным объектом / В.Н. Козловский, В.В. Дебелов, О.И. Деев, А.Ф. Колба-сов, С.В. Петровский, А.П. Новикова // Грузовик. 2017. № 6. С. 21-28.
3. Козловский В.Н., Айдаров Д.В., Васильев М.М., Дебелов В.В. Развитие проектов электромобилей и автомобилей с комбинированной энергоустановкой // Грузовик. 2018. № 6. С. 18-21.
4. Николаев, П.А. Оценка соответствия автомобилей требованиям помехоустойчивости к внешним электромагнитным воздействиям / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А С. Подгорний // Грузовик. 2017. № 10. С. 44-48.
5. Николаев, П.А. Многофакторная оценка влияния дорожной обстановки на помехоустойчивость бортового электротехнического комплекса автомобилей / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний, А.С. Саксонов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2022. № 1. С. 36-41.
Малышев Александр Викторович, инженер, npa690@yandex. ru, Россия, Тольятти, АО «АВТОВАЗ»,
Малышев Юрий Александрович, инженер, Россия, Тольятти, АО «АВТОВАЗ»,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
VEHICLE ONBOARD POWER SUPPLY WITH FIXED VOLTAGE A.V. Malyshev, Y.A. Malyshev, V.N. Kozlovsky
The article presents the results of developing a method for supplying electrical energy to electrical loads and a vehicle battery. The electrical loads and the battery are connected via the onboard electrical distribution network to the vehicle's electrical power generator. The battery supplies electrical energy to the on-board distribution network of the vehicle when the power generator is not working. During the operation of the power generator, the level of direct voltage in the onboard distribution network is maintained at a stable and lower value, regulated by the manufacturer of the battery for its charge.
Key words: car, electrical equipment, power supply.
Malyshev Alexander Viktorovich, engineer, [email protected], Russia, Tolyatti, JSC «AVTOVAZ»,
Malyshev Yury Aleksandrovich, engineer, Russia, Tolyatti, JSC «AVTOVAZ»,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
