03 марта 2016г.
При выборе типа схемы системы управления рассматриваемых систем тягового электропривода электромобилей нужно учитывать следующие характерные особенности: низкий уровень напряжения источника питания; большой пусковой ток электродвигателя, обусловленный требуемой динамикой электромобиля; широкий диапазон изменения напряжения ТАБ в зависимости от токов нагрузки и степени разряженности аккумуляторов; наличие собственной индуктивности и относительно высокое значение внутреннего активного сопротивления батареи; малая индуктивность обмоток ТЭД и сравнительно большое сопротивление его цепи.
От ТАБ в режиме пуска ТЭД потребляются токи, в 10-15 раз превышающие нормальный (пятичасовой) разрядный ток аккумуляторов. В этом случае возникают значительные потери энергии на внутреннем сопротивлении ТАБ, вызывающие ее чрезмерный нагрев и интенсивное испарение электролита.
Радикальным средством повышения коэффициента использования запасенной на электромобиле энергии и снижения нагрева ТАБ является применение импульсного преобразователя постоянного напряжения, тем более что это практически единственно возможное средство регулирования напряжения ТЭД, так как ступенчатое управление напряжением посредством переключения секций ТАБ с параллельного на последовательное соединение имеет ряд существенных недостатков. К ним относятся наличие большого количества коммутационных аппаратов, значительные колебания силы тяги электромобиля при переключениях секций, невозможность осуществления электрического торможения, а также сложность компоновки, установки и съема батареи.
Даже при использовании импульсного преобразователя потери энергии в АБ составляют до 30% общего расхода энергии батареи, а ее температура может превысить допустимую. Такие значительные потери и перегрев батареи вызваны добавочными потерями в ней за счет импульсного характера разрядного тока. Это, как отмечалось ранее, приводит к снижению срока службы и надежности АБ, а также к интенсивному испарению электролита. Последнее определяет значительное увеличение длительности зарядки аккумуляторов, так как время, необходимое для остывания электролита и его пополнения, составляет более половины всего времени зарядки. Принудительное охлаждение АБ обуславливает дополнительный расход энергии и увеличение массогабаритных показателей электрооборудования. Устранить отмеченные негативные явления можно включением между АБ и преобразователем фильтра, сглаживающего пульсации тока ТЭД.
Сравнение в реальных диапазонах изменения коэффициента заполнения показывает, что за время пуска электромобиля до выхода на автоматическую характеристику ТЭД потери в батарее при наличии фильтра снижаются приблизительно на 33% по сравнению с системой без фильтра; то же относится и к режиму регенеративного торможения.
Таким образом, использование АБ без преобразователя не целесообразно не только в традиционном электромобиле, но и в ГТС, даже при компоновке по параллельной схеме. Это обусловлено в первую очередь невозможностью режимом заряда-разряда большими токами и вытекающего из этого невозможностью режима регенерации энергии, чем другими недостатками, которые могут быть устранены при использовании стремительно развивающейся полупроводниковой элементной базой.
Данная постановка задачи и ее решение видится только для параллельной компоновки, хотя возможность использования в последовательной, при дополнительной элементной базе не исключена.
Обусловленное коротким временным режимом использования электропривода, только во время разгона или регенеративного торможения ГТС с параллельной компоновкой (порядка 5-15 с), и его энергонезависимой компоновкой, создает предпосылки для разработки электропривода без использования преобразователя. В частности, для обеспечения возможности произведения одинакового заряда и разряда множества суперконденсаторов, последовательная разрядная цепь суперконденсаторов при заряде соединяется параллельно. Тем самым напряжение в цепи изменяется.
Целесообразно следующее техническое решение, позволяющее исключить использование преобразователя или использовать совместно. При разгоне или регенеративном торможении происходит потребление/отдача энергии от/к суперконденсатора до тех пор, пока существует разность напряжений между суперконденсатором и ТЭД. В частности, для обеспечения заряда суперконденсатора в результате рекуперативного торможения необходимо обеспечить, чтобы напряжение на ТЭД было больше напряжения суперконденсатора. С этой целью устанавливается между ТЭД и ведущим колесом вариатор (например, клиноременный вариатор (Рисунок 1)), выполняющий помимо функций изменения крутящего момента и частоты вращения рабочей машины во время разгона и выбега, для выполнения этих же функций во время торможения. В течение торможения вариатор увеличивает частоту вращения вала ТЭД, работающего как генератор, по сравнению с частотой вращения ведущего колеса. Тем самым, повышая вырабатываемое напряжение. В результате этого достигается заряд суперконденсатора, уменьшается время торможения ГТС.
Фирма Honda в 2002 г. изготовила очередной свой серийный
ТТС с КЭУ с использованием вариатора,
работающего совместно
с ДВС и ТЭД.
Силовой агрегат
Honda Civic Hybrid работает с CVT (бесступенчатый вариатор) (Рисунок 2). Часть мощности идет от 4-цилиндрового 1 339 см3 бензинового мотора. Для пуска ДВС действует
электропривод как стартер, для зарядки
АБ – как альтернатор, а для поддержки ДВС при разгоне – как ТЭД. Honda его называет
IMA (Integrated Motor Assist – встроенный электропривод). Электромотор выполнен
заодно с маховиком ДВС.
У Civic Hybrid торможение двигателем, по возможности, уменьшено, чтобы как можно больше кинетической энергии
при замедлении закачивалось от маховичного электромотора/альтернатора в АБ. Когда обороты ДВС падают
до 1000 мин-1, цилиндры
вновь подключаются – для равномерности хода.
Вариаторы, основанные, на принципе
Хуба Ван Доорна,
ограничены эффективной максимальной величиной передаваемого момента
и на сегодняшний день самый «мощный»
вариатор стоит на Nissan Primera с двухлитровым мотором (140 л.с., 181 Н м). Приспособить вариатор
традиционной конструкции к более мощному ДВС в серийном
варианте пока никому не удавалось. [] Тем не менее,
существует тип вариатора – торовый, который «выносит» большой
момент и устанавливается на большие заднеприводные седаны Cedric и Gloria, которые тот же Nissan продает только на японском
рынке – а их трехлитровые высокофорсированные V-образные «шестерки» развивают 240 л.с. и 310 Н м. Такой вариатор
вполне может быть использован для гибридного автобуса.
Таким образом, возможность накопления энергии при использовании
регулирования в процессе регенеративного торможения, существует и механическим способом.
В не зависимости от этого при разработке функциональных дополнительных узлов системы электропривода ГТС с ИКЭ следует руководствоваться следующими требованиями:
1) подключение разрабатываемых
устройств к системе электропривода ГТС не должно
сопровождаться существенными изменениями штатной схемы автомобиля;
2) не заряжать ИКЭ до торможения.
Последнее требование обусловлено тем, что в конце
разгона остаточное напряжение заряда
ИКЭ значительно
ниже номинального значения. Имеет смысл зафиксировать такое состояние ИКЭ до торможения ГТС, с целью накопления энергии регенеративного торможения.
После отключения ИКЭ от ТЭД в конце разгона, время
нахождения ИКЭ при пониженном напряжении будет определяться длительностью процесса движения ГТС до регенеративного движения, обусловленного необходимостью подзарядки ИКЭ или торможения. Большую часть времени
(между разгоном-процессом регенерации) ИКЭ будет находиться под пониженным напряжением заряда,
что благоприятно скажется на его ресурсе.
Режим заряда-разряда
системы накопления электроэнергии в МТА отличается от ГТС. Здесь целесообразна только последовательная компоновка и заряд происходит
непосредственно и только от генератора
соединенного с ДВС, поскольку регенеративное торможение на малых скоростях
движения (10-15 км/ ч) неэффективно, и необходимо использование электрического преобразователя, регулирующего процесс заряда.
Список литературы
1.
Гулна Н.В. Накопители энергии.
– М.: Наука, 1980,
с.220
2. Эйдинов А.А, Дижур М.М. Направления развития тяговых
источников тока для электромобилей. –М.: НАМИ, 1995
3. Накопители энергии / Бут Д.А. Алиевский Б.П., Мизюрин С.Р.,
Васюкевич П.В. - М.: Энергоатомиздат, 1991
