CC BY
7
УДК 621.316
Б01: 10.15587/2312-8372.2018.141391
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТ1 ПРИВОДУ ЕЛЕКТРИЧНИХ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБ1В З АВТОНОМНИМ ЖИВЛЕННЯМ В ЗАЛЕЖНОСТ1 В1Д КОНФ1ГУРАЦП ДЖЕРЕЛА
Островерхов М. Я., Тршчук Д. Я.
Об'ектом даного дослгдження е електричний транспортний зааб з автономним джерелом живлення. На сьогоднг подгбнг транспортнг засоби займають все бшьшу ншу на автомобшьному ринку, витгсняючи свогх конкурентгв з двигуном внутршнього згорання за рахунок вищог енергетичног ефективностг. I хоча ця перевага над транспортом з двигуном внутршнього згорання е очевидною, з точки зору електричних систем ККД електромобшв залишаеться доволг невисоким. Проблемним м1сцем, яке накладае ц! обмеження, е джерело живлення - л1тт-1онний акумулятор - який мае значний внутргшнгй отр.
Для усунення цього недолгку на прикладг приводу електроскутера з асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором дослгджувалась схема з тдключенням паралельно до акумулятора батарег суперконденсаторгв. Суперконденсатори мають значно менший внутршнгй отр I тому беруть на себе основне миттеве навантаження при перехгдних процесах: розгонг та гальмуванм, коли через джерело протжають найбшьшг струми.
Дослгдження показали, що подгбна конфггурацгя покращуе енергетичну ефективнгсть транспортних засобгв. Причому ¡снуе оптимальне значення необхгдног емностг суперконденсатора для досягнення найбтьшог ефективностг (найменшого споживання енергИ). Це пов'язано з тим, що батарея суперконденсаторгв е доволг габаритним об'ектом I суттеве збшьшення емностг призводить до збшьшення маси транспортного засобу I вгдповгдно до збшьшення споживання енергИ Додатково була дослгджена покращена система живлення, в як\й суперконденсатор пришвидшено заряджаеться тд час пауз руху транспортного засобу. Вона дозволила покращити вже отриманг результати, ще зменшивши споживання електричног енергИ.
У поргвняннг з проведеними ранше дослгдженням було показано важливгсть правильного вибору емностг суперконденсаторгв та системы контролю живлення. Була доведена наявнгсть точки оптимуму та чисельно продемонстрована ргзниця показниюв споживання енергИ в цгй та в ¡нших точках.
Ключовi слова: система приводу електроскутера, лттчонний акумулятор, паралельне з'еднання суперконденсатора та акумулятора, мгський гздовий цикл.
1. Вступ
Нишшня тенденщя в галузi транспорту демонструе, що значного розвитку набувають електромобiлi, поступово витiсняючи сво! аналоги на двигунi внутрiшнього згорання, оскшьки вони е бiльш енергоефективними та екологiчними. Економiчний пiдхiд при виборi транспортного засобу показуе, що вища цiна покупки електромобiлiв окупиться значно меншими витратами на пальне. Але з точки зору електромехашчних систем привiд електромобiлiв мае все ще доволi низький ККД. Це пов'язано з тим, що о^м втрат у самому двигуш присутш також значнi втрати у джерелi живлення. Тому актуальним 1 перспективним е дослщження з покращення ефективност перетворення енергй в приводi електричних транспортних засобiв.
2. Об'ект дослщження та його технологiчний аудит
Об'ектом дослгдження е привщ електричних транспортних засобiв з автономним живленням.
В якост джерела енергй в електромобшях зазвичай використовують лтй-iоннi або лiтiй-полiмернi акумулятори, котрi мають висою показники питомо1 енергй. 1снуе низка варiантiв при виборi електромеханiчного перетворювача для приводу, проте не зважаючи на ряд пропозицiй асинхронний двигун (АД) з короткозамкненим ротором стабшьно займае високу шшу серед виробниюв електромобiлiв. Для керування таким приводом використовують широтно-iмпульсний модулятор (Ш1М), що працюе на систему векторного керування.
Така конф^уращя електропривода мае значш недолiки: лiтiй-iонний акумулятор мае високий внутршнш опiр, що значно обмежуе пусковий струм, послаблюе динамжу транспорту та збiльшуе втрати енергй. Вирiшити даш проблеми можливо пiдключивши паралельно до акумулятора батарею суперконденсаторiв, оскiльки останнi мають суттево менший активний опiр, нiж лiтiй-iоннi акумулятори, та менш чутливi до ударних струмiв. Проте суперконденсатори - це додатковий об'ем та маса, яку доведеться перевозити з собою транспортному засобу, що призведе до додаткового споживання енергй.
3. Мета та задачi дослщження
Метою даного дослгдження е ощнка ефективност використання паралельного з'еднання акумулятора i суперконденсатора для живлення електропривода транспортного засобу на базi асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором.
Для досягнення поставлено! мети необхщно виконати таю задача
1. Створити модель для до^дження електропривода транспортних засобiв та вибрати об'ективний показник енергоефективност^
2. Провести на створенш моделi дослщження вибраного показника енергоефективност для систем приводу з рiзною емнютю суперконденсатора та взагалi без нього. Провести анаиз цих дослщжень.
3. На базi анаизу дослiджень визначити, чи можливо, змiнюючи лише конф^уращю системи живлення досягти додаткового покращення енергоефективностi.
4. Досл1дження iснуючих р1шень проблеми
1дея використання суперконденсаторiв паралельно з акумуляторами була запропонована в низщ робiт. В роботi [1] автори до^джували ефект, який це з'еднання викличе на акумуляторi при робот на звичайне навантаження, не беручи до уваги особливост електромехашчного перетворювача енергй. В роботах [2, 3] була показана ефектившсть такого з'еднання при робот на електричних двигунах, але без прив'язки до конкретних транспортних засобiв. Бiльш детальш дослiдження подiбноl системi проведенi в роботах [4, 5]. Ц дослщження доводять ефектившсть дано! зв'язки в пбридних транспортних засобах. Проте система живлення пбридних транспортних засобiв сильно вiдрiзняеться вщ електричних з незалежним живленням, тому показанi переваги використання суперконденсаторiв в гiбридах не доводять !х наявнiсть при використаннi в електромобшях, що показано в роботах [6, 7]. Проте лише для приводiв з двигунами постшного струму, як на сьогодш зустрiчаються рщше, нiж приводи з асинхронними двигунами, що показано в робот [8].
В роботах [9, 10] проводилися дослщження системи незалежного живлення електричних транспортних засобiв iз суперконденсатором на прикладi трамвая, який мае сво! особливост порiвняно з електромобiлями. О^м того, в цих роботах вся увага концентрувалася виключно на джерел1 живлення, а електромеханiчний перетворювач енергй не брався до уваги.
Тому в данш робот проводиться ощнка ефективност використання енергй транспортним засобом, в якому в якост електромехашчного перетворювача енергй взято асинхронний двигун з короткозамкненим ротором, для рiзних конф^урацш джерела живлення: з суперкондесаторами рiзноl емносп та без них.
5. Методи дослщжень
Дослщження проводилися з наступними параметрами елементв транспортного засобу:
- електроскутер типу Genata Gtle 250 (Китай): максимальна швидюсть -55 км/год, максимальна вщстань пробку - 80 км при швидкост 30 км/год., маса - 45 кг, максимальне завантаження - 150 кг;
- два асинхронш двигуни з короткозамкненим ротором М2АА 080 С2 виробництва компанп АВВ (Швещя), що працюватимуть паралельно з номшальною потужнiсть 1,1 кВт, напругою живлення 230/400 В, частотою обертання 2870 об./хв., ККД - 80,6 % кожен;
- батарея лтй-юнних акумуляторiв Нопсе11 НСР603650ЖС (Китай): номшальна напруга - 370 В, емтсть - 1,25 Агод., внутршнш ошр 13 Ом, маса - 2,1 кг;
- батарея суперконденсаторiв КеББсар Б8ШК-0100С0-002К7 (Пiвденна Корея), що складаеться зi 136-ти послiдовно з'еднаних елементв, емнiсть яких варiюеться для рiзних точок дослiджень в межах 25-200 Ф на один елемент.
Для моделювання електропривода була розроблена модель в програмному пакет Matlab/Simulink, що зображена на рис. 1.
Рис. 1. Модель привода електроскутера в програмному пакет Matlab/Simulink: 1 - лтй-юнний акумулятор; 2 - асинхронний двигун (АД) з короткозамкненим ротором; 3 - блок завдання постшного моменту навантаження (сила тертя кочення); 4 - схема обчислення моменту опору, пропорцшного до квадрату швидкост (сила опору повггря); 5 - батарея суперконденсаторiв (може бути выключена); 6 - електронний перетворювач на
базi IGBT-транзисторiв; 7 - блок векторного керування перетворювачем; 8 -блоки завдання швидкост та магнггного потому для векторного керування; 9 -модель для врахування магштних втрат в АД; 10 - блок обчислення магштних втрат в АД; 11 - емшсний фшьтр перетворювача з боку джерела
Деяк блоки та схеми виводу на екран обчислених величин не вказаш на рис. 1 задля покращення його наочностг Для об'ективно! ощнки енергоефективностi схеми були прийнятi стандарты норми оцiнки енергоефективностi транспортних засобiв, а саме мiський 1здовий цикл за стандартами Евросоюзу The UN/ECE Elementary Urban Cycle (рис. 2). Цей цикл вщображае характер руху транспортного засобу в мiстi i якнайкраще характеризуе навантаження на електроскутер, що дослщжуеться.
100
80
S 60
40
20
0 -I
Г Л
гл . Ч
50
100 t, С
150
200
Рис. 2. Мюкький 13довий цикл The UN/ECE Elementary Urban Cycle
Залежшсть швидкост вщ часу !здового циклу використовуеться як завдання швидкостi на векторне керування Ш1М.
6. Результати досл1джень
Вiдпрацьовуючи мiський !здовий цикл двигун працюе в повторно-короткочасному режимi роботи. Специфiкою е тдвищене навантаження при розгонi та гальмуванш, що викликане високим приведеним моментом шерцп електроскутера. На рис. 3 представлений графш залежностi споживано! потужност вiд часу при вiдпрацюваннi такого навантаження приводом без суперконденсатора.
30«. Р1, Вт
2500 I
2000
1500 /
1000 1000 / /
500 /
н/ У У
0 -500
1 - - 40 - • а 80 ■ 1 Ю • 1 120 » ■ 1 о te 160 1 1, t 1 ю
Рис. 3. Залежшсть споживано! електроскутером потужност вщ часу з джерелом
живлення без суперконденсатора
Як видно з рис. 3, найбшьше споживання електроенергi!, а вщповщно, i найбiльшi втрати спостер^аються пiд час розгону транспортного засобу. Шдключення суперконденсатора дозволить йому «взяти на себе» навантаження пiд час розгону та проводити бшьш ефективне рекуперативне гальмування.
Очевидно, це покращить ККД електропривода та зменшить споживання електроенергп.
Чим бшьша буде емнють суперконденсатора, тим бшыле енергп у нього залишатиметься i пiсля розгону двигуна, тобто тим бшьшою мае бути ефективнiсть електропривода. До^дження ККД проводилися для батарей суперконденсаторiв рiзноi емностi. Всi вони складались 3i 136-ти елементiв, включених послiдовно для того, аби утворити номшальну напругу батареi у 370 В. Проте змшювалась емнiсть (а разом з нею i активний отр та маса) окремо взятого елемента. Результати дослщжень наведенi в табл. 1 та на рис. 4.
Таблиця1
Залежнють ККД електропривода вщ емност одного суперконденсатора
с, Ф ККД
0 0,4004
50 0,4167
75 0,4203
100 0,4224
125 0,4231
150 0,4237
200 0,4237
C, Ф
Рис. 4. Залежнють ККД електропривода вщ емност одного суперконденсатора
Як бачимо з рис. 4, використання суперконденсатора дозволяе покращити усереднене ККД привода електроскутера вщ 40 % до 42,4 %. Цей результат повнютю шдтверджуе вказаш вище припущення. Проте варто зазначити, що для дослiджень транспортних засобiв ККД не е показовим параметром. Рiч у
тм, що при його обчисленнi в якост «корисного» навантаження враховуеться подолання сили опору транспортному засобу. При цьому при збшьшенш маси транспортного засобу цей отр збшьшуеться, вщповщно збiльшуючи i «корисне навантаження». Тому бшьш об'ективним е показник спожито'' енергii за цикл.
Для тих самих параметрiв було проведене дослщження спожито!' за мiський ''здовий цикл енергп, яке враховувало збiльшення маси транспортного засобу у зв'язку з додаванням до нього батаре!' суперконденсаторiв. Результати представлен в табл. 2 та на рис. 5.
Таблиця 2
Залежнють спожито!' електроприводом енергп вщ емностi одного
суперконденсатора
С, Ф Дж
0 75638
50 73223
75 72906
100 72695
125 72888
150 73009
200 ^73473
Рис. 5. Залежнють спожито'' електроприводом енергii вщ емностi одного
суперконденсатора
З рис. 5 очевидно випливае, що юнуе певне значення емност, при якому споживання електроенергп транспортним засобом е мтмальним. Для даного електроскутера - це 100 Ф на один елемент або 0,735 Ф на батарею. При меншш емност суперконденсатор занадто сильно розряджаеться при розгош 1 через це збшьшуються втрати на дозарядження його в подальшш робот електропривода. При бiльшому значеннi ефект покращення ККД з1
збшьшенням емност слабшае, в той час як маса транспортного засобу стае бшьшою i тому й споживання енергii росте.
На рис. 6 зображена змiна напруги на суперконденсаторi з часом (при емностi елемента у 100 Ф).
елемента 100 Ф
З рис. 6 видно, що тд час пауз руху суперконденсатор не встигае дозарядитись до свого початкового значення, тому наступний розгш вщбуваеться при пониженому значент стартовоi напруги. Це призводить до зменшення ефективностi електроприводу. Для усунення цього недолшу була запропонована схема, яка дозволяе суперконденсатору рiвномiрно заряджатись протягом пауз тривалютю у 20 секунд (що вщповщае усередненим паузам тд час руху транспорту мютом) до свого номiнального значення. На рис. 7 зображена динамка напруги на суперконденсаторi у такому випадку.
ис, в
7. Залежшсть напруги на суперконденсатор1 вщ часу при емноет одного нта 100 Ф при використаннi системи дозарядки суперконденсатора тд час
пауз руху
Для оцшки ефективност mei системи були проведет доотдження, результати яких занесет в табл. 3 та на рис. 8.
Таблиця 3
Залежтсть спожито! енергп вiд емност елемента суперконденсатора при _використант системи дозарядки та без неi_
с, Ф W1, Дж dW, % >
Без дозаряду З дозарядом Без дозаряду З дозарядом
0 75638 - - -
50 73223 73239 3,19 3,17
75 72906 72856 3,61 3,68
100 72695 72610 3,89 4,00
125 72888 72779 3,64 3,78
150 73009 72902 3,48 3,62
200 73473 73432 2,86 2,92
4,5000 4,0000 3,5000 3,0000 25000 000 1,5000 1,0000 0,5000 0,0000
0 50 100 150 200 250
C, Ф
Рис. 8. Залежтсть зменшення спожито! енергп порiвняно з випадком без використання суперконденсатора вщ емност елемента використант системи
дозарядки та без ^i
З результатв дослщжень (рис. 8) видно, що використання системи дозарядки дозволяе трошки зменшити споживання транспортним засобом електроенергп при використаннi суперконденсатора. Зазначимо, що ця система не потребуе у встановлент додаткових габаритних силових елеменлв.
7. SWOT-аналiз результатiв досл1джень
Strengths. Дат дослщження показали, що використання в якост джерела живлення електричних транспортних засобiв паралельного з'еднання суперконденсатора та акумулятора дозволяе зменшити споживання енергп до
Без дозаряду —^З дозарядом
4,0 % nopiB^HO з живленням виключно вщ акумулятора при правильному B^opi кoнфiгуpацii джерела.
Weaknesses. Зменшення споживання енергп - не едина роль, яку суперконденсатор грае в електроприводг Серед шших також е покращення динамiки транспортного засобу та захист акумулятора вщ стpумiв перевантаження. I хоча це тшьки пiдкpеслюе сильш сторони такого з'еднання, мультизадачнiсть ускладнюе вибip oптимальнoi кoнфiгуpацii, яка в данш poбoтi була дoслiджена виключно з енеpгетичнoi точки зору.
Opportunities. Ц дoслiдження дають мoжливiсть обгрунтовано вибирати емнiсть суперконденсатора для електричних транспортних засoбiв i вiдкpивають дорогу для екoнoмiчнoi oцiнки цiеi системи. О^м того, перспективним е дослщження оптимума при вpахуваннi додаткових задач суперконденсатора, вказаних вище: покращення динамши транспортного засобу та захист акумулятора вщ перевантажень.
Threats. Незважаючи на те, що з точки зору енергетично!' ефективност ця система е однозначно необхщною, нема гаpантii, що цього буде достатньо для переконання побутового споживача, адже бшьшють транспортних засoбiв використовуються саме приватними власниками. Наявшсть додатково!' системи керування розподшеним живленням е додатковим пoслiдoвним елементом в ланцюжку надiйнoстi. I хоча з одного боку суперконденсатор покращуе надшшсть джерела, продовжуючи теpмiн життя акумулятора, додаткова система, яка може вийти з ладу, ймoвipнo вщлякуватиме пoтенцiйних спoживачiв.
8. Висновки
1. В хoдi даного дoслiдження в програмному пакет Matlab/Simulink була створена модель приводу електроскутера на базi асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором, що живиться вщ паралельного з'еднання лтй-ioннoгo акумулятора та суперконденсатора, з можливютю регулювати емнiсть або вщключати суперконденсатор. Для oцiнки енергоефективност тако1 системи модель тестувалася на мюькому 1здовому циклi The UN/ECE Elementary Urban Cycle, в якост показника енеpгoефективнoстi використовувалась спожита енерпя за один цикл.
2. Проведений анаиз кoмп'ютеpнoi мoделi показав, що використання суперконденсатора само по сoбi зменшуе споживання електpичнoi енеpгii на величину вщ 2,9 %. Бшьше того, для покращення енеpгoефективнoстi юнуе оптимальна емнiсть суперконденсатора, при якш зменшення споживання енеpгii складае 3,9 %. Дoслiдження показали, що не завжди збiльшення емнoстi призводить до покращення ефективност, адже разом iз емнiстю росте i маса транспортного засобу. Таким чином, продемонстрована важливють правильного вибору неoбхiднoi кoнфiгуpацii джерела.
3. Була запропонована система розподшення живлення, при якiй суперконденсатор пришвидшено заряджаеться пiд час пауз руху. Ця система допомогла покращити економш енеpгii до 4,0 %
^irepaTypa
1. Shydlovskyi A. K., Pavlov V. B., Popov A. V. Prymenenye superkondensatorov v avtonomnom akkumuliatornom elektrotransporte // Tekhnichna elektrodynamika. Kyiv, 2008. P. 79.
2. A MPC based energy management strategy for battery-supercapacitor combined energy storage system of HEV / Liu S. et. al. // 35th Chinese Control Conference. 2016. P. 8727-8731. doi: http://doi.org/10.1109/chicc.2016.7554751
3. Singh A., Karandikar P. B. Lead-acid battery for HEV using fuzzy controller and ultracapacitor // Biennial International Conference on Power and Energy Systems: Towards Sustainable Energy (PESTSE). 2016. P. 1-5. doi: http://doi.org/10.1109/pestse.2016.7516443
4. Pitorac C. Using Li-Ion accumulators as traction batteries in the automotive industry. Cost reduction using ultra-capacitors // International Conference on Development and Application Systems. 2016. P. 212-218. doi: http://doi.org/10.1109/daas.2016.7492575
5. Design of a supercapacitor-battery storage system for a waste collection vehicle / Butterbach S. et. al. // IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. 2010. P. 1-6. doi: http://doi.org/10.1109/vppc.2010.5729238
6. Ostroverkhov M. Ya., Reutskyi M. O., Trinchuk D. Ya. Doslidzhennia robochykh rezhymiv neliniinoho elektrychnoho kola z avtonomnym dzherelom zhyvlennia v transportnykh zasobakh na prykladi pryvoda elektroskutera // Problemy enerhoresursozberezhennia v elektrotekhnichnykh systemakh. Nauka, osvita i praktyka. 2016. Issue 1. P. 75-77.
7. Reutskyi M. O., Trinchuk D. Ia., Deshko A. O. Zastosuvannia superkondensatoriv u pryvodi elektromobilia na bazi dvyhuna postiinoho strumu z nezalezhnym zbudzhenniam: proceedings // Suchasni problemy elektroenerhotekhniky ta avtomatyky. Kyiv, 2014.
8. Comparative Study of Interior Permanent Magnet, Induction, and Switched Reluctance Motor Drives for EV and HEV Applications / Yang Z. et. al. // IEEE Transactions on Transportation Electrification. 2015. Vol. 1. Issue 3. P. 245254. doi: http://doi.org/10.1109/tte.2015.2470092
9. Optimal Operation Mode Control and Sizing of a Battery-Supercapacitor Based Tramway / Herrera V. I. et. al. // IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. 2015. P. 1-6. doi: http://doi.org/10.1109/vppc.2015.7352988
10. Optimal Energy Management and Sizing of a Battery--Supercapacitor-Based Light Rail Vehicle With a Multiobjective Approach / Herrera V. I. et. al. // IEEE Transactions on Industry Applications. 2016. Vol. 52, Issue 4. P. 3367-3377. doi: http://doi.org/10.1109/tia.2016.2555790
