CC BY
11Система автоматического регулирования, обеспечивающая рекуперацию энергии в накопитель гибридной силовой установки
И.К. Александров, профессор Вологодского государственного технического университета, д.т.н., Е.В. Несговоров, доцент Вологодского государственного технического университета, к.т.н.
В статье представлена система автоматического регулирования, обеспечивающая рекуперацию энергии торможения транспортного средства в накопитель гибридной силовой установки.
Ключевые слова: система автоматического регулирования, рекуперация энергии торможения, гибридная силовая установка.
Недостатком системы автоматического регулирования (САР), представленной в работах [1, 2], является то, что при способности обеспечивать стабилизацию работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на внешней скоростной характеристике эта система не реализует возможность рекуперации энергии торможения транспортного средства в накопитель электрической энергии
с последующим ее использованием для транспортного процесса.
Эта проблема решается с помощью рассматриваемых ниже способа и устройства.
Устройство (рис. 1) содержит:
• задатчик положения 7 топли-воподающего органа с выходным сигналом Ы;
• преобразователь 2 положения топливоподающего органа в сигнал
задания угловой частоты шзад вращения выходного вала ДВС;
• ДВС 3;
• сравнивающее устройство 4 с выходны м сигналом Дш = шзад - ш;
• генератор переменного тока 5;
• преобразователь 6 разности заданной и действительной угловых частот вращения выходного вала ДВС в соответствующий ток возбуждения генератора 5 переменного тока;
Рис. 1. Система автоматического регулирования элементами гибридного привода транспортного средства, обеспечивающая рекуперацию энергии в накопитель электрической энергии
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (34), июль 2013 г.
АН| ИШГ I мтШ| Т1Р1Г тгп п°1"ПТГПТГИШШИШ
• выпрямитель 7;
• систему управления 8 током зарядки управляемого накопителя электрической энергии при питании от генератора;
• блок 9 поглощения энергии, имеющий в своем составе силовую часть 9.1 и систему управления 9.2;
• накопитель электрической энергии 10, состоящий из отдельных блоков химических аккумуляторных батарей (АБ) или конденсаторов, соединенных вместе, включающий систему управления 10.2 и силовую часть 10.1 на основе быстродействующих ключей, имеющий на входе сигнал Ь3 от педали торможения на включение, систему управления 12 электрическим двигателем, включающую силовой преобразователь 12.1 со своей системой управления 12.2, имеющей на входе сигнал Ы от водителя;
• электрический тяговый двигатель 13;
• датчик 14 частоты вращения вала тягового электродвигателя;
• блок 15 сравнения фактического сигнала угловой частоты ш2 с заданным ш ;
зад'
• датчик напряжения 16 на выходе выпрямителя 7;
• блок 17 управления «выключением» ДВС (уменьшение подачи топлива и перевод на режим холостого хода);
• блок 18 сравнения напряжений в звене постоянного тока с предварительно установленным верхним уровнем ив, свидетельствующий об отсутствии сигнала заряда конденсаторов, поступающего с датчика 11;
• трехуровневый компаратор 19, преобразующий сигналы на его входе в команду на «отключение» или «включение» ДВС и системы управления током заряда управляемого накопителя электрической энергии;
• логический блок 20, представляющий собой триггер с установочными входами К (сброс) и 5 (установка).
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии при наличии или отсутствии сигнала на движение система управления блоком накопления энергии соединяет отдельные элементы аккумуляторов (конденсаторы) последовательно для обеспечения максимального рабочего напряжения на клеммах блока накопления энергии.
Перед началом торможения водитель убирает ногу с акселератора, что вызывает снятие сигнала И2 (см. рис. 1) управления тяговым двигателем 13 (М2). В результате появляется нулевой сигнал управления Л2=0, что вызывает перевод ДВС в режим работы с пониженной устойчивой скоростью вращения выходного вала (режим холостого хода), после чего генератор электрической энергии, имеющий жесткую механическую связь с ДВС, отключается. С этого момента накопитель электрической энергии, стоящий в звене постоянного тока, начинает получать энергию только от тягового электродвигателя, работающего в генераторном режиме.
Сигнал Ь3 торможения (нажатие на педаль тормоза) имеет три ступени. На первой ступени торможения вырабатываются сигналы индикации огней торможения и управления схемой соединения отдельных элементов в накопителе электрической энергии. При дальнейшем
воздействии на педаль тормоза вступает в работу вторая ступень торможения: сначала срабатывает система заряда накопителя электрической энергии, при этом тяговый электрический двигатель, обеспечивающий движение транспортного средства, переходит в режим работы генератора.
По мере снижения скорости движения уменьшается частота вращения вала тягового электродвигателя, работающего в режиме генератора, что приводит к снижению генерируемой им электродвижущей силы и уменьшению эффективности торможения транспортного средства. При необходимости водитель увеличивает нажатие на тормозную педаль (третья ступень), что приводит к срабатыванию механической части тормозной системы и полной остановке транспортного средства.
При достижении предварительно установленного порога переключения ипер логический блок 20, представляющий собой триггер с установочными входами К и 5, вырабатывает сигнал отключения блока 9 и одновременно подает сигнал на вход блока 10.2. Такое же действие вызывается сигналом, создаваемым блоком 4 и определяющим превышение частоты вращения вала электрического двигателя над частотой вращения магнитного поля,
) Л
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (34), июль 2013 г.
5, + 5, - 5, -
- + +
+ 53 - СО 53 -
+ - со - со ст
- и со - со + со
+ со + со + со - со - ^ со
+ - ^ со - + со
- + § + ^
+ - со" - со
- + -
- + -
а б в
Рис. 3. Состояние ключей и величины емкостей блока СЭ накопителей при возможных соединениях (варианты а, б, в): + ключ включен; - ключ выключен
задаваемой сигналом задания системы управления электрическим двигателем (движение под уклон).
Необходимым условием работы преобразователя частоты является наличие в звене постоянного тока конденсатора (источник реактивной энергии) для создания магнитного поля асинхронной машины. В случае использования электрической машины как тягового устройства при автономной работе необходимо применение конденсатора как источника основной энергии и реактивной энергии.
Величины рабочего и допустимого напряжения разряда, а также заряда одиночного элемента в блоке накопителя определяются техническими условиями разработчика. Например, модуль ЭК404 (Компания «ЭСМА»), собранный из 30 одиночных конденсаторных элементов, соединенных последовательно, имеет диапазон рабочих напряжений 48...24 В.
Необходимое рабочее напряжение блока накопителей, состоящего из элементов с различной степенью заряженности, обеспечивается электронными ключами, создающими различные схемы включения элементов (рис. 2, 3), что позволяет управлять напряжением блока накопителей и существенно изменяет величину этого
напряжения. Конденсаторы накопителя заряжаются при снижении генерируемой электродвижущей силы, благодаря чему осуществляется более полный отбор электрической энергии от генератора. В случае применения блока конденсаторов с большим количеством одиночных конденсаторов число возможных соединений увеличивается.
При снижении электродвижущей силы тягового двигателя, работающего в генераторном режиме, уменьшается напряжение, прикладываемое к блоку конденсаторов, включенных в цепь постоянного тока, что приводит к уменьшению зарядного тока конденсаторов.
Блок 79 (компаратор), фиксирующий близкое к нулю значение зарядного тока, вырабатывает сигнал на изменение схемы включения конденсаторов (см. рис. 2). Соответствующее изменение положения электронных ключей (см. рис. 3) в силовой схеме приводит к уменьшению напряжения на клеммных зажимах блока конденсаторов, что при неизменной электродвижущей силе генератора на момент коммутации в свою очередь приводит к увеличению зарядного тока блока конденсаторов.
При дальнейшем снижении скорости вращения вала электродвигателя, работающего в режиме генератора, до второго предварительно установленного уровня (когда рекуперация становится невозможной) блок 78, свидетельствующий об отсутствии сигнала заряда накопителя энергии, поступающего с блока 77, подает сигнал управления на логический блок 20, который вырабатывает и подает на вход блока 70.2 сигнал, запрещающий работу накопителя энергии. Одновременно с блока 78 поступает сигнал на блок 9.2 управления поглотителем энергии.
Таким образом обеспечиваются условия для рекуперации энергии в управляемый накопитель при торможении в более широком диапазоне вырабатываемых электрической машиной напряжений, что способствует увеличению возврата энергии для повторного ее использования в транспортном процессе. В конечном счете это существенно снижает расхода топлива гибридной силовой установкой на единицу транспортной работы.
На описанный способ оптимизации работы накопителя электроэнергии авторам статьи выдан Патент РФ [3].
Литература
1. Александров И.К. Адаптивная электромеханическая трансмиссия // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 1 (31). - С.14-17.
2. Патент 2338081 РФ. Способ стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания транспортного средства с электромеханической трансмиссией и устройство для его осуществления / И.К. Александров, Е.В. Несговоров // БИ. - 2008. - № 31.
3. Патент 2418185 РФ. Способ минимизации удельного расхода транспортного средства с электромеханической трансмиссией с частичной рекуперацией и устройство для его осуществления / И.К. Александров, Е.В. Несговоров // БИ. - 2011. - № 13.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (34), июль 2013 г.
11^ АН| ИШГ I мтШ| Т1Р1Г тгп п°1"ПТГПТГИШШИШ
