ČunalniŠtvo in informatiko marijan Španer

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Marijan Španer

Hranilniki energije pri hibridnih pogonih

Magistrsko delo

Maribor, september 2010

II

Avtor: Marijan Španer

Naslov: Hranilniki energije pri hibridnih pogonih

UDK: 681.5:[629.33:621.35]

Tipkanje in urejanje: Marijan Španer

Risanje slik: Marijan Španer

Jezikovno pregledal: Tatjana Županek, prof.

Število izvodov: 5

Tiskanje: Inštitut za robotiko, FERI Maribor

Razmnoževanje Inštitut za robotiko, FERI Maribor


Magistrsko delo

Hranilniki energije pri hibridnih pogonih

Študent: Marijan Španer

Študijski program: Elektrotehnika

Mentor: prof.dr. Karel Jezernik


III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Karlu Jezerniku za

vzpodbudo v času podiplomskega študija in za vso strokovno

pomoč in podporo pri uresničevanju mojih zamisli.

Prav tako se zahvaljujem prof. dr. Miru Milanoviču za pomoč

pri analizi delovanja vezja in praktične napotke pri

načrtovanju močnostnega pretvornika.

Hvala vsem sodelavcem Inštituta za robotiko, ki so mi s

svojim strokovnim znanjem in dobro voljo pomagali pri

realizaciji naloge. Predvsem se zahvaljujem kolegu Milanu za

vso podporo pri vključitvi DSP-2 krmilne kartice v sklop

hranilnika in Jožetu za mnoge praktične nasvete pri gradnji

močnostnega pretvornika. Lepa hvala tudi sodelavcem

Alenki, Ferotu, Mitji in Robertu za koristne napotke pri

izdelavi in pisanju naloge ter še posebej kolegici Andreji za

vzpodbujanje pri študiju kot tudi praktične napotke pri

pisanju naloge. Hvala kolegici Tanji za lektoriranje vsega

zapisanega.

Nadvse sem hvaležen svojima staršema, da sta mi omogočila

študij, ki me je veselil; moji dragi mami, ki je vseskozi

verjela vame in me vzpodbujala na moji poti, ter očetu, ki me

je že v mladosti vpeljal v zanimiv svet tehnike in me tudi

navdušil za študij, a ga sedaj ob zaključku žal ni več med

nami.

IV

HRANILNIKI ENERGIJE PRI HIBRIDNIH POGONIH

Ključne besede: električno vozilo, hibridno vozilo, baterija, superkondenzator, močnostni

stikalni pretvornik, vodenje, simulacije, modeliranje.

UDK: 681.5:[629.33:621.35]

Povzetek

V nalogi je predstavljeno načrtovanje, realizacija in vodenje pogonskega sistema

hibridnega vozila s poudarkom na superkondenzatorjih kot hranilnikih energije.

Laboratorijsko preizkuševališče hibridnih pogonov je bilo zasnovano z namenom razvoja

električnega hibridnega pogona za lahko dostavno vozilo. Glede na težo in kategorijo

vozila je zahtevana moč pogona v razredu 4-5 kW, kar je bilo izhodišče pri izbiri

komponent pogona. Zaradi lažjega testiranja agregata smo se namesto vgradnje v vozilo

raje odločili za gradnjo laboratorijskega preizkuševališča.

Osnova preizkuševališča sta dva pogonska agregata, motor z notranjim izgorevanjem in

voden izmenični elektromotorni pogon. Mehansko sta oba agregata, motor z notranjim

izgorevanjem in elektromotor, povezana v paralelno konfiguracijo s seštevanjem navorov.

Za obremenjevanje je uporabljen neodvisno napajan električni servopogon, voden po

programu z zakonitostmi vožnje vozila. Preizkuševališče je bilo nadgrajeno še z dodatnimi

komponentami, s tem je omogočeno tudi testiranje posameznih komponent hibridnih

pogonov.

Poudarek pričujočega dela je posvečen razvoju sistema za hranjenje električne energije pri

električnem, oziroma hibridnem vozilu, podrobneje pa je opisan dinamično visokozmogljiv

hranilnik energije s superkondenzatorjem in pripadajočim pretvornikom za povezavo na

enosmerno vodilo električnega pogona.

Z uporabo preizkuševališča je potrjeno bistveno izboljšanje lastnosti akumulatorskega

hranilnika energije potem, ko mu je bila dodana še enota s superkondenzatorjem. Z

eksperimentom je potrjena tudi uspešnost vodenja pretoka energije superkondenzatorja na

osnovi stabilizacije (izhodne) napetosti enosmernega vodila.

V

ENERGY STORAGE UNITS IN HYBRID VEHICLES

Key words: electric vehicle, hybrid vehicle, battery, supercapacitor, switching power

converter, control, simulation, modeling.

UDK: 681.5:[629.33:621.35]

Abstract

This work presents a design, realization and control of the hybrid vehicle drive system with

an emphasis on the supercapacitors as the energy storage units.

Depending on the weight and type of the vehicle, the maximal power of the propulsion

drive of 4-5 kW was required, which was taken into account during the selection of the

drive’s components. In order to simplify testing of the aggregate, a laboratory test rig was

built rather than using a complete vehicle. The test rig’s components are two drive

aggregates, an internal combustion engine and a controlled alternating current electric

drive. Shafts of both motors, wires and electric motors, are mechanically coupled;

therefore they rotate at the same speed. The sum of the torques produced by both motors is

a total propulsion torque. The test rig was further upgraded with an additional controlled

servo drive, used for the load emulation. Some additional components were also added in

order to enable the testing of separate parts of the hybrid drive.

The emphasis in this work is put into the development of the energy storage unit for a

hybrid or an electric vehicle. A detailed description and analysis of the storage unit,

composed from the supercapacitors and a converter for connection to the common DC

bus, is provided.

By using the test rig, a significant improvement of the electric storage system is confirmed,

after the supercapacitors were added to the battery. The experimental results also confirm

the improvement of the energy flow management, based on the stabilization of the voltage

of common DC bus.

VI

Kazalo

1 Uvod ...................................................................................................................... 1

2 Električni hibridni pogoni .................................................................................. 4

2.1 Princip delovanja hibridnega pogona ............................................................ 4

2.2 Možne konfiguracije in komponente sistema ................................................ 4

2.3 Laboratorijsko preizkuševališče hibridnih pogonov...................................... 6

2.3.1 Zgodovina projekta ................................................................................ 6

2.3.2 Motor z notranjim izgorevanjem ........................................................... 7

2.3.3 Električni servopogon ............................................................................ 9

2.3.4 Enota za obremenjevanje ..................................................................... 10

2.3.5 Vodenje sistema ................................................................................... 12

2.3.6 Zagon in delovanje agregata ................................................................ 15

3 Energijske razmere v hibridnem vozilu .......................................................... 17

3.1 Vožnja vozila ............................................................................................... 17

3.2 Analiza energijskih razmer vožnje vozila za standardni cikel vožnje ......... 20

4 Hranilniki energije v hibridnem pogonskem sistemu .................................... 30

4.1 Hranilniki električne energije: akumulatorji in kondenzatorji .................... 30

4.2 Kombinirani / hibridni hranilnik električne energije ................................... 31

4.3 Superkondenzator kot element za shranjevanje električne energije (tehnologija in lastnosti).............................................................................. 32

4.3.1 Model superkondenzatorja .................................................................. 33

5 Superkondenzator v hibridnem pogonu .......................................................... 37

5.1 Pretvornik za povezavo superkondenzatorja z enosmernim vodilom ......... 37

5.2 Simulacija delovanja sklopa superkondenzatorja s pretvornikom .............. 38

5.3 Strategija vodenja hranilnikov energije pri hibridnem pogonu ................... 42

5.4 Izvedba stikalnega pretvornika .................................................................... 45

5.4.1 Močnostni del ...................................................................................... 45

5.4.2 Krmilni del s programsko opremo ....................................................... 48

5.4.3 Statični preizkus delovanja pretvornika .............................................. 51

5.4.4 Izkoristek močnostnega pretvornika .................................................... 56

VII

5.5 Vodenje sklopa pretvornika ......................................................................... 58

5.6 Dinamični preizkus hranilnika energije s superkondenzatorjem ................. 59

6 Zaključek ............................................................................................................ 63

7 Literatura: .......................................................................................................... 65

VIII

Seznam slik

Slika 2-1 Komponente serijskega hibridnega pogona _______________________________________ 5 Slika 2-2 Komponente paralelnega hibridnega pogona _____________________________________ 6 Slika 2-3 Izvedba hibridnega pogonskega agregata ________________________________________ 7 Slika 2-4 Karakteristika izkoristka ICE __________________________________________________ 8 Slika 2-5 Območje delovanja električnega pogonskega motorja, ICE in enote za obremenjevanje ___ 11 Slika 2-6 Krmilna shema preizkuševališča hibridnih pogonov _______________________________ 12 Slika 2-7 Krmilje agregata, DSP-2 z ustreznim signalnim vmesnikom _________________________ 14 Slika 2-8 Osnovna testna blokovna krmilna shema ________________________________________ 15 Slika 2-9 Časovni potek pri pasivnem vrtenju bencinskega agregata __________________________ 16 Slika 2-10 Zagon agregata, navor elektromotorja ________________________________________ 16 Slika 3-1 Deformacija avtomobilske pnevmatike med vožnjo ________________________________ 17 Slika 3-2 Karakteristika materiala avtomobilskih pnevmatik pri obremenitvi ___________________ 18 Slika 3-3 Sile pri vožnji vozila po klancu _______________________________________________ 20 Slika 3-4 Mestni vozni cikel ECE-15 ___________________________________________________ 21 Slika 3-5 Matematični model za simulacijo vožnje ________________________________________ 22 Slika 3-6 Sledenje po voznem ciklu ECE-15 _____________________________________________ 23 Slika 3-7 Simulacijska shema vožnje vozila ______________________________________________ 23 Slika 3-8 Simulacija vožnje za vožnjo po ciklu ECE-15 ____________________________________ 24 Slika 3-9 Shema za analizo vožnje s hranjenjem energije v superkondenzator ___________________ 25 Slika 3-10 Model superkondenzatorja s pretvornikom _____________________________________ 26 Slika 3-11 Stanje superkondenzatorja pri Uc(t=0)=90V pri vožnji po ECE-15 __________________ 27 Slika 3-12 Stanje superkondenzatorja pri Uc(t=0)=75V pri vožnji po ECE-15 __________________ 28 Slika 4-1 Primerjava osnovnih lastnosti virov/hranilnikov električne energije ___________________ 30 Slika 4-2 Kombinirani hibridni hranilnik električne energije ________________________________ 31 Slika 4-3 Primerjava zgradbe običajnega, elektrolitskega in dvoslojnega kondenzatorja __________ 32 Slika 4-4 Superkondenzator Maxwell 42F/100V, tip BMOD0250-16.2V _______________________ 33 Slika 4-5 Nadomestni električni model superkondenzatorja _________________________________ 34 Slika 4-6 Izmerjeni rezultati lastnega praznjenja superkondenzatorja _________________________ 34 Slika 4-7 Energija, shranjena v superkondenzatorju C=42 F kot funkcija napetosti Uc ____________ 36 Slika 5-1 Priključitev superkondenzatorja in akumulatorske baterije v hibridni pogon ____________ 37 Slika 5-2 Dvosmerni pretvornik za priključitev superkondenzatorja na enosmerno vodilo _________ 38 Slika 5-3 Osnovna shema močnostnega stikalnega pretvornika s superkondenzatorjem ___________ 38 Slika 5-4 Vrednost izhodnih signalov iz PWM modulatorja _________________________________ 39 Slika 5-5 Pulznoširinski modulator za močnostni dvosmerni pretvornik navdol/navzgor ___________ 40 Slika 5-6 Simulacija delovanja stikalnega pretvornika _____________________________________ 41 Slika 5-7 Shema vodenja hranilnikov energije pri hibridnem pogonu _________________________ 42 Slika 5-8 Simulacijska shema vodenja kondenzatorskega hranilnika energije ___________________ 43 Slika 5-9 Shema omejevalnika napetosti na kondenzatorju __________________________________ 45 Slika 5-10 Shema močnostnega dela stikalnega pretvornika ________________________________ 46 Slika 5-11 Izvedba močnostnega stikalnega pretvornika____________________________________ 47 Slika 5-12 Blokovna shema krmilnika DSP-2 ____________________________________________ 49 Slika 5-13 Krmilnik DSP-2 z vmesnikom za zajemanje merilnih signalov ______________________ 50 Slika 5-14 Krmilna shema delovanje pretvornika narejena s Simulink-om ______________________ 50 Slika 5-15 Shema za merjenje statičnih karakteristik in izkoristka pretvornika __________________ 51 Slika 5-16 Delovanje Buck pretvornika v režimu trganega toka ______________________________ 52 Slika 5-17 Delovanje Boost pretvornika v režimu trganega toka _____________________________ 52 Slika 5-18 Delovanje Boost pretvornika v režimu zveznega toka _____________________________ 53 Slika 5-19 Delovanje Boost pretvornika v režimu zveznega toka _____________________________ 53 Slika 5-20 Napetostni prehodni pojav na enosmernem vodilu _______________________________ 54 Slika 5-21 napetostni prehodni pojav na enosmernem vodilu ________________________________ 54 Slika 5-22 Prehodni pojav na superkondenzatorju pri konstantni izhodni obremenitvi ____________ 55 Slika 5-23 Meritve statičnega delovanja pretvornika v Boost načinu pri Usupercap=40V ____________ 57 Slika 5-24 Izkoristek pretvornika v Boost načinu pri Usupercap=40V ___________________________ 57 Slika 5-25 Shema vodenja kondenzatorskega hranilnika energije ____________________________ 58 Slika 5-26 Merjeni signali pri dinamičnem testiranju sklopa superkondenzatorja ________________ 59 Slika 5-27 Odziv izhoda kondenzatorskega hranilnika energije na stopnično spremembo __________ 60

IX

Slika 5-28 Odziv izhoda kondenzatorskega hranilnika energije na stopnično spremembo __________ 60 Slika 5-29 Odziv kondenzatorskega hranilnika električne energije ob obremenitvi _______________ 61 Slika 5-30 Odziv kondenzatorskega hranilnika električne energije pri obremenitvi _______________ 62

X

Uporabljeni simboli

kotna hitrost vrtenja [rad/s]

n hitrost vrtenja [min-1]

m, M masa, skupna masa vozila

Pn nazivna moč

Tn nazivni navor

izkoristek

q pretok goriva

Hi specifična zgorevalna toplota, kurilnost

PH toplotna moč izgorevanja goriva

Pout mehanska izhodna moč motorja

Tmax kratkotrajno dovoljen navor

TJ maksimalni navor

kt navorna konstanta

ke napetostna konstanta

Ra upornost navitja

La induktivnost navitja

UDC napajalna napetost

iout izhodni tok

iout_max maksimalni izhodni tok

Ipeak maksimalni vršni izhodni tok

F skupna pogonska sila vozila

Fr velikost sile upora vozila

Fw velikost sile zračnega upora

Fg velikost sile, ki nasprotuje gibanju vozila pri vožnji po klancu

masni faktor za pretvorbo rotacijskih vztrajnosti v translacijske

mase

fr faktor kotalnega upora

specifična gostota medija (zraka)

α kot naklona vozišča

cd faktor zračnega upora

XI

r polmer koles

vmax maksimalna hitrost

n prestavno razmerje vseh mehanskih prenosnih elementov vozila

(gonila skupaj z diferencialom)

Uc, Ucmin, Ucmax napetost kondenzatorja, najnižja, najvišja vrednost

Ccel kapacitivnost ene celice

ESR, Rs serijska upornost n-kondenzatorjev, posameznega elementa

Rp paralelna upornost

CDC_link skupna kapacitivnost na enosmernem vodilu

EDC_link skupna energija kondenzatorjev na enosmernem vodilu

EDC_link_ref referenčna vrednost za skupno energijo kondenzatorjev na

enosmernem vodilu

PL_DC_link skupna obremenitev na enosmernem vodilu

IC vrednost toka skozi kondenzator

ICref referenčna vrednost toka skozi kondenzator

IL tok skozi dušilko

IDC_link tok na enosmernem vodilu

UDC_link napetost enosmernega vodila

UDC_link_ref referenčna vrednost napetosti enosmernega vodila

T čas periode

Uvh, Uizh vhodna, izhodna napetost pretvornika

Ivh, Iizh vhodni, izhodni tok pretvornika

Pvh, Pizh vhodna, izhodna moč pretvornika

AL delo (porabljena energija) na bremenu

N napetostno prestavno razmerje pretvornika

Hranilniki energije pri hibridnih pogonih Stran 1

1 Uvod

Trenutne emisije CO2 v svetovnem merilu so ocenjene na 8 milijard ton letno, od tega

promet prispeva četrtino izpustov vseh toplogrednih plinov. Vsak liter potrošenega

goriva predstavlja izpust približno 2.5 kg ogljikovega dioksida. Zaradi zmanjšanja

izpusta CO2 in tudi zaradi vse višje cene fosilnih goriv avtomobilski proizvajalci

intenzivno iščejo tehnične rešitve za dosego nižje porabe goriva, oziroma višjega

izkoristka pogonskih agregatov.

Hibridna vozila so eden od odgovorov sodobne tehnologije na izziv, kako čim bolje

izkoristiti vsebnost energije iz fosilnih goriv. Pri hibridnem pogonskem agregatu je

motorju z notranjim izgorevanjem dodan elektromotor s pripadajočim sklopom za

vodenje in hranilnikom električne energije. Ob usklajenem delovanju obeh sklopov je

omogočeno delovanje motorja z notranjim izgorevanjem (ICE, Internal Combustion

Engine) v področju optimalnega izkoristka, zaustavljanje med mirovanjem vozila in

regenerativno vračanje energije med zaviranjem vozila. Posledica je bistveno

izboljšana ekonomija vožnje, izpusta škodljivih plinov in tudi lastnosti pogonskega

sklopa. Ponujajo pa se tudi povsem nove dodatne možnosti delovanja, ki jih vozila s

klasičnim pogonom ne omogočajo. Tako je možna, poleg že omenjenega

regenerativnega zaviranja, v omejenem dosegu še tiha in čista vožnja (brez emisij)

samo z električnim pogonom.

Hranilniki, oziroma akumulatorji energije, imajo vlogo sprejemati električno energijo

iz elektromotorja ob regenerativnem zaviranju vozila, katera se ob naslednjem

speljevanju ali pospeševanju vozila koristi za pogon elektromotorja. Pri hibridnih

vozilih je primarni pogonski vir motor z notranjim izgorevanjem, zato ni potrebe, da

bi vozilo imelo velik akumulator, ki bi sprejel velike količine električne energije.

Zadošča že energijska kapaciteta velikostnega razreda največje kinetične energije, ki

jo vozilo lahko doseže. Glavna zahteva za hranilnik električne energije je sposobnost

prejemanja/oddajanja velike količine energije v zelo kratkem času. Pri tej zahtevi se

pokažejo nekatere slabosti akumulatorskih baterij, tako npr. zaradi relativno velike

notranje upornosti ne morejo uspešno prejemati in oddajati velikih količin energije v

kratkem času. Posledica visoko dinamičnega delovanja je slab energijski izkoristek,

pa tudi skrajšanje življenjske dobe akumulatorske baterije. V današnjih tehnološko

najsodobnejših hibridnih vozilih (primer: Toyota Prius) se uporabljajo nikelj metal

hidridne (NiMH) akumulatorske baterije. Zmogljivejše litij-ionske ali litij-polimerne

baterije se zaradi še ne povsem dovršene in preizkušene tehnologije izdelave ter


visoke cene masovno ne uporabljajo. Zato tudi v današnjem času akumulatorska

baterija še vedno ostaja (edina) šibka točka celotnega električnega sklopa pri

električnih in hibridnih vozilih.

Osnovni koncepti delovanja hibridnih pogonov so bili povzeti iz tiskane publikacije

[16] in javno dostopne komercialne literature [17]. S pomočjo te literature je bil

izpeljan tudi matematični model dinamike vozila, na podlagi katerega je bil izdelan

program za simulacijo vožnje.

V nalogi je poudarek na hranilniku električne energije realiziranem z uporabo

superkondenzatorjev, pri čemer so avtorji objavili znanstvene prispevke s področja

pretvornikov za kondenzatorske hranilnike, kombinirane z ostalimi hranilniki

energije, predvsem z akumulatorskimi baterijami. Kondenzatorski hranilniki energije

so tudi primerna kombinacija, oziroma dopolnitev v smislu povečanja dinamike

obremenljivosti pri primarnih virih z gorivnimi celicami [1] do [10].

Načrtovanje močnostnega pretvornika je potekalo na osnovi splošne študijske

literature [12], izkušenj iz delovnega okolja v Laboratoriju za robotiko in tudi lastnih

izkušenj iz preteklih projektov.

Uporabljena je bila tudi dokumentacija proizvajalcev uporabljenih komponent, kar

vključuje dokumentacijo proizvajalca superkondenzatorjev [13], dokumentacijo za

bremensko enoto [18], podatke vozila [14] ter dokumentacijo uporabljenega

pogonskega agregata [15]. Pri načrtovanju in izvedbi digitalnega krmilnika za vodenje

pretvornika je bila uporabljena tehnična dokumentacija sistema DSP-2 [11].

V uvodu je opisana današnja aktualna ekološka problematika z možnimi tehnološkimi

rešitvami, ki lahko bistveno doprinesejo k boljši izkoriščenosti energetskih virov na

področju električnih in električnih hibridnih vozil.

V drugem poglavju je predstavljen kratek pregled različnih konceptov hibridnih

pogonov. Podrobneje je opisano laboratorijsko preizkuševališče hibridnih pogonov,

zgodovina projekta in opis posameznih sklopov.

Tretje poglavje vsebuje analizo energijskih razmer med vožnjo vozila. Na osnovi

matematičnega modela vozila je narejena simulacija vožnje po standardnem voznem

ciklu ECE-15, na osnovi simulacije je dimenzioniran tudi potreben hranilnik

električne energije.


V četrtem poglavju so opisani superkondenzatorji kot hranilniki električne energije,

osnovne električne lastnosti in zakonitosti ter tehnologija izdelave.

Peto poglavje podaja način povezave superkondenzatorja kot elementa za hranjenje

energije na električni sistem elektromotornega pogona. Podrobno je opisano

načrtovanje in izvedba močnostnega dvosmernega Buck-Boost pretvornika ter

krmilnega dela s kartico na osnovi digitalnega signalnega procesorja. Predstavljeni so

tudi preizkusi delovanja v statičnih in dinamičnih razmerah, narejen je bil tudi

preizkus pogona celotnega sklopa po standardnem voznem ciklu ECE-15.

V zaključku je podan pregled opravljenega dela z ovrednotenjem rezultatov in

opisano predvideno delo v prihodnje.


2 Električni hibridni pogoni

Električni hibridni pogon je nadgradnja motorja z notranjim izgorevanjem, ki se mu z

namenom izboljšanja zmogljivosti in optimalnejše izrabe fosilnega goriva prigradi

dodaten elektromotorni pogon.

2.1 Princip delovanja hibridnega pogona

Ob usklajenem delovanju obeh sklopov je omogočeno delovanje motorja z notranjim

izgorevanjem (ICE, Internal Combustion Engine) v področju optimalnega izkoristka,

zaustavljanje agregata med mirovanjem vozila in regenerativno vračanje energije med

zaviranjem vozila. Posledica je bistveno izboljšana ekonomija vožnje, izpusta

škodljivih plinov in tudi lastnosti pogonskega sklopa. Ponujajo pa se tudi povsem

nove dodatne možnosti delovanja, ki jih vozila s klasičnim pogonom ne omogočajo.

Tako je možna, poleg že omenjenega regenerativnega zaviranja, v omejenem dosegu

še tiha in čista vožnja (brez emisij) samo z električnim pogonom.

2.2 Možne konfiguracije in komponente sistema

Obstajata dva osnovna tipa električnih hibridnih sistemov:

Serijski: vozilo je gnano z elektromotorjem, ki električno energijo dobiva iz

agregata, oziroma kombinacije motorja z notranjim izgorevanjem in električnega

generatorja (slika Slika 2-1). Ob tem ICE deluje vedno v optimalnih pogojih, s

konstantno hitrostjo in obremenitvijo, z zelo majhno dinamiko in srednjo

vrednostjo potrebne moči za pogon vozila.


Slika 2-1 Komponente serijskega hibridnega pogona

Paralelni: motor z notranjim izgorevanjem in elektromotorni pogon preko

mehanskega prenosa neposredno poganja kolesa, tako da se moči obeh motorjev

seštevata (slika Slika 2-2). ICE se aktivira le v svojem optimalnem območju,

elektromotor pa pokriva ostale režime delovanja, kot so speljevanje, aktivno

zaviranje, pomoč pri pospeševanju, polnjenje baterij. Glede na tip mehanskega

prenosa moči sta možni dve različici. Pri izvedbi s seštevanjem vrtilnih hitrosti je

navor obeh pogonskih motorjev enak, ob izklopu je motor (npr. ICE) potrebno

mehansko zablokirati. Primer takšnega pogona je pogon hibridnega vozila Toyota

Prius. V našem preizkuševališču hibridnih pogonov je uporabljena izvedba

seštevanja navorov. Oba pogonska sklopa, elektromotor in ICE, sta z gredmi

neposredno povezana, njuna hitrost vrtenja je enaka, navora se pa seštevata.


Baterija PretvornikElektrični

motor/ generator

Gorivo ICE

Slika 2-2 Komponente paralelnega hibridnega pogona

Praktične rešitve so tudi kombinacije obeh osnovnih konceptov, poleg tega pa z

uporabo različnih mehanskih prenosov, kot so menjalniki, brezstopenjski prenosi

CVT (Continuisly Variable Transmision), planetnih gonil, sklopk in različnih

motorjev nastane še mnogo drugih možnih konfiguracij pogonskega sklopa.

2.3 Laboratorijsko preizkuševališče hibridnih pogonov

2.3.1 Zgodovina projekta

Testno laboratorijsko preizkuševališče hibridnih pogonov je bilo prvotno zgrajeno za

potrebe študentskega projekta »Hibridni pogon« na študijski smeri Mehatronika. Cilj

projekta je bil razvoj električnega hibridnega pogona za pogon lahkega dostavnega

vozila [14]. Glede na težo in kategorijo vozila je bila zahtevana največja moč pogona

v razredu 4-5 kW, kar je bilo tudi izhodišče pri izbiri komponent pogona. Zaradi

lažjega testiranja agregata smo se namesto vgradnje v vozilo raje odločili za gradnjo

laboratorijskega preizkuševališča.

Kasneje je bilo delovno mesto nadgrajeno z različnimi dodatnimi komponentami,

tako, da je omogočeno testiranje različnih komponent hibridnih pogonov. Praktična

izvedba je takšna, da so vse aktivne mehanske komponente pritrjene na preizkusni

mizi iz aluminijastih utornih profilov (slika Slika 2-3). Gredi obeh motorjev, ICE in

elektromotorja, sta neposredno povezani z grednimi vezmi, tako, da se vrtita z enako

hitrostjo, navora se seštevata. Skupni navor pogonskega sklopa se preko jermenic in

zobatega jermena prenaša na enoto za obremenjevanje. Za testiranje motorja z


notranjim izgorevanjem v prostorih laboratorija je bil narejen tudi učinkovit

ventilacijski sistem za odvajanje izpušnih plinov.

Slika 2-3 Izvedba hibridnega pogonskega agregata

2.3.2 Motor z notranjim izgorevanjem

Primarni pogonski stroj ICE je enovaljni štiritaktni bencinski motor Honda GX160

[15] z naslednjimi lastnostmi:

nazivna moč Pn 4 kW

nazivni navor Tn 10.8 Nm

uporabno

območje

n 2000-3600 min-1

poraba goriva 313 g/kWh

masa agregata m 15 kg

Motor v izvedbi z vodoravno gredjo je namenjen profesionalni uporabi za pogon

strojev gradbene ali kmetijske mehanizacije. Odlikujejo ga nekatere lastnosti, ki so


ustrezale tudi za uporabo v vozilu, kot je možnost trajnega delovanja, robustna in

kakovostna izvedba, nezahtevnost glede servisiranja.

Bencinski motor je imel serijsko vgrajen mehanski regulator hitrosti vrtenja, ki deluje

na loputo za odpiranje dotoka zraka, medtem, ko je dotok goriva ob določeni

nastavitvi uplinjača odvisen od pretoka zraka (»plin«). Za naše potrebe smo mehansko

hitrostno regulacijo odklopili, loputo za zrak pa neposredno odpira dodan položajno

voden servomotor. Logični vklop/izklop delovanja motorja je realiziran preko

relejskega kontakta, ki prekinja tokokrog za napetost vžigalne svečke. Izvedena je

tudi predelava za odprtje ventilov v režimu, ko motor aktivno ne deluje

(dekompresor), s tem se zmanjša navor zaradi komprimiranja zraka v valju motorja.

Navor pri pasivnem poganjanju ICE ima predvsem pri nizki hitrosti vrtenja zelo

dinamičen potek, razmere pri 150 vrt./min so prikazane na sliki Slika 2-9. Osnovna

zahteva je, da primarni motor (ICE) vedno deluje v območju maksimalnega, oziroma

optimalnega izkoristka. Merilo za optimalno območje delovanja ICE bo v našem

sistemu karakteristika izkoristka goriva motorja v določeni delovni točki. Proizvajalec

podaja specifično porabo goriva 313 g/kWh. V optimalnih pogojih delovanja (ob

upoštevanju kalorične vrednosti 95-oktanskega bencina Hi=42.7 kJ/g) je izkoristek

določen kot:

1000

2000

3000

4000

0 2

46

810

0

5

10

15

20

25

30

Hitrost [rpm]Navor [Nm]

Izko

riste

k [%

]

Slika 2-4 Karakteristika izkoristka ICE

= Pout/PH = 0.269 (1)

Vrednost izkoristka 26.9 % je maksimalna in velja v le eni delovni točki, oziroma

ozkem območju. Izkoristek motorja ICE (razmerje med izhodno močjo in zgorevalno

toploto goriva, Pout/ PH) v celotnem območju delovanja se podaja v obliki diagrama. V


odvisnosti od vrtilne hitrosti in od bremenskega navora je podan v grafu na sliki Slika

2-10.

Dejanska karakteristika uporabljenega ICE se izmeri na laboratorijskem

preizkuševališču z obremenjevanjem motorja po posameznih točkah celotnega

območja hitrosti in navora, ob tem pa je potrebno natančno meriti trenutno porabo

goriva. Za potrebe načrtovanja sistema vodenja smo uporabili ocenjeno karakteristiko

(slika Slika 2-4), dobljeno iz literature s primerjavo s podobnimi agregati.

= (Pout/PH) = f(T, ) (2)

PH = q . Hi (3)

kjer je:

Pout izhodna moč motorja,

PH toplotna moč izgorevanja goriva,

q pretok goriva,

Hi specifična zgorevalna toplota, kurilnost,

T navor,

kotna hitrost

2.3.3 Električni servopogon

Kot pogonski elektromotor je uporabljen visokodinamični sinhronski servomotor s

ploščatim (disk) rotorjem s trajnimi magneti na osnovi redkih zemelj Mavilor SE-

908. Elektromotor je na enosmerno vodilo priključen preko pripadajočega

servoregulatorja. Za komutacijo je prigrajen resolverski merilnik položaja, za

merjenje hitrosti in vodenja po položaju pa je uporabljen še dodatni inkrementalni

dajalnik. Po moči elektromotor ustreza primarnemu bencinskemu agregatu. Osnovni

podatki so naslednji:

nazivna moč Pn 2950 W

nazivna vrednost navora Tn 9.5 Nm

kratkotrajno dovoljen navor

(10min, S3, intermitenca 25%)

Tmax 20 Nm

maksimalni navor TJ 80 Nm


navorna konstanta kt 0.81 Nm/A

napetostna konstanta ke 0.47 Vs/rad

upornost navitja Ra 0.68 Ω

induktivnost navitja La 4 mH

naz. / max. hitrost n 3000/6000 min-1

masa motorja m 10 kg

Servoregulator Infranor DSM-1714 je elektronski modul, ki omogoča 4-kvadrantno

vodenje sinhronskega servomotorja. Izveden je v analogni tehniki in je prilagojen za

priklop servopogona na (večosni) digitalni krmilnik gibanja. Naprava vsebuje trifazni

močnostni tranzistorski mostič, hitrostno/tokovno kaskadno regulacijsko zanko,

zaščitne funkcije. Osnovne lastnosti so:

napajalna napetost UDC 110 - 250 V

izhodni tok iout 14 Aeff

maksimalni izhodni tok iout_max 35 Aeff

maksimalni vršni izhodni tok Ipeak 50 A

V našem sistemu hibridnega pogona je elektromotor s servopogonom konfiguriran

tako, da so zagotovljene naslednje lastnosti pogona:

vodenje motorja po navoru (prenosna karakteristika 2.8 Nm/V),

nazivni navor 9.5 Nm,

kratkotrajno dovoljen navor 28 Nm

maksimalna dovoljena hitrost vrtenja je 3500 min-1 pri UDC =250 V.

2.3.4 Enota za obremenjevanje

Enota za obremenjevanje omogoča merjenje lastnosti posameznih komponent

hibridnega pogona in obremenjevanje celotnega agregata v različnih delovnih

režimih. Tako je možno zagotoviti generiranje potrebnega navora bremena v vseh

štirih kvadrantih delovanja, pri čemer je dejansko potrebno le delovanje v dveh

kvadrantih, saj je zaradi motorja z notranjim izgorevanjem hitrost vrtenja le pozitivna.

Ključna komponenta obremenilne enote je električni servopogon. Uporabljen je

univerzalni servoregulator Control Techniques Unidrive SP 2403 s sinhronskim

motorjem s trajnimi magneti Unimotor 142UM [18].


Slika 2-5 Območje delovanja električnega pogonskega motorja, ICE in enote za obremenjevanje

Uporabljen servopogon je hitrostno usklajen z obema pogonskima motorjema in

zagotavlja dovolj navora za pogon in obremenjevanje hibridnega agregata. Slika 2-5

prikazuje območja delovanja vseh treh motorjev, pogonskega motorja (rumeno polje),

ICE (rdeče) in enote za obremenjevanje (modro). Na grafu so prikazana kratkotrajno

dovoljena območja (polno polje) in nazivno, oziroma trajno dovoljeno območje

delovanja (črtkano obrobljeno).

Enota za obremenjevanje energetsko ni povezana s elektromotorjem hibridnega

pogona, ampak se napaja neposredno iz trifaznega omrežnega priključka. Glede na

pretežno generatorsko delovanje servopogona se kot najprimernejša možnost prenosa

energije ponuja regeneracija v omrežje, vendar investicija v razsmerniško napravo, ki

bi to omogočala, ne bi bila smiselna, saj gre le za občasna testiranja v laboratoriju.

Zato je uporabljena preprostejša možnost disipacije odvečne energije preko

bremenskega upora. Servoregulator Unidrive SP 2403 je deklariran za trajno

delovanje v generatorskem režimu in ima možnost priključitve zunanjega zaviralnega

upora, potrebno je bilo le zagotoviti primerno izvedbo obremenilnega upora (20 ,

3000 W).


2.3.5 Vodenje sistema

Krmilni sistem preko treh izhodov vodi vse tri sklope: ICE, elektromotor in CVT

(Continuously Variable Transmission, gonilo s spremenljivo prestavo). Glede na

kompleksen sistem z več vhodi in izhodi ter elementi z nelinearnimi karakteristikami

je za krmilni sistem zelo primerna uporaba katere od naprednejših regulacijskih

metod.

DSP-2krmilni sistem

ICEHonda GX-160

Motor/generator4-Q servopogonMavilor SE 908

Breme4-Q servopogon

Control Technigues

(kot odprtja lopute)

Enable (zapora vžiga in dotoka goriva)

(temperatura motorja)

Iref (referenčni tok, navor)

ENABLE

(položaj, hitrost)

»Drive ready«

Iref (referenčni tok, navor)

ENABLE

(položaj, hitrost)

Idej (dejanski tok, navor)

Idej (dejanski tok, navor)

»Drive ready«

Sistem za oskrbo z energijo

(Baterija in superkondenzator)

Pref (pretok moči)

ENABLE

Uvh, Uizh (meritve napetosti)

Ivh, Iizh (meritve tokov)

(temperaturna zaščita)

Uporabniški vmesnik

(komande za vožnjo: plin, zavora, ostale

funkcije)

Vklop odmika ventilov (dekompresor)

Q (meritev pretoka goriva)

Slika 2-6 Krmilna shema preizkuševališča hibridnih pogonov

Za krmiljenje tako kompleksne naprave je uporabljen ustrezen računalniški nadzorni sistem, v laboratoriju razvit krmilnik DSP-2. Ta s svojo konfiguracijo omogoča zajemanje vseh potrebnih veličin sistema, prav tako pa lahko preko analognih in preklopnih izhodov krmili agregat (slika Slika 2-6).


Komponente sistema so naslednje:

elektromotor za pogon vozila,

AC servomotor Mavilor SE908, servoojačevalnik Infranor DSM1714 z

napajalnikom,

primarni bencinski agregat,

štiritaktni bencinski motor z notranjim izgorevanjem Honda GX160,

enota za mehansko obremenjevanje,

AC servomotor Control Techniques Unimotor,

AC servoregulator Control Techniques SP2403,

sistem za oskrbo z energijo, akumulator,

akumulatorske celice litij-polimer 3.7 V/70 Ah , tip Kokam SLPB 53460330, 30

kosov, izenačevalno vezje (lasten razvoj), dvosmerni DC/DC pretvornik,

sistem za oskrbo z energijo, superkondenzator,

superkondenzator 42 F / 100 V, Maxwell, tip BMOD0250-16.2V, 6 kosov,

dvosmerni DC/DC pretvornik,

nadzorni sistem,

krmilnik DSP-2, uporabniški vmesnik za prilagoditev signalov, predviden prehod

na mikrokrmilnike (Texas Instruments TMS 320F283xx),

merilna oprema,

inkrementalni merilnik hitrosti, merilniki za galvansko ločeno merjenje toka,

osciloskop (DSO, 4 kanali s pripadajočo opremo),

osebni računalnik,

Fujitsu Siemens Esprimo z zaslonom,

mehanska konstrukcija,

merilna miza, aluminijasta konstrukcija za montažo vseh mehanskih aktuatorjev,

sistem za odsesavanje izpušnih plinov,

ventilatorska odsesovalna enota 0.25 kW s sesalno cevjo Ø100 mm.

Za nivojsko prilagoditev posameznih signalov in napajanje krmilnega sistema je bil

izdelan ustrezen signalni vmesnik, na katerega so preko kablov in priključnih

konektorjev speljani vsi signali posameznih sklopov (Slika 2-7). S tega vmesnika se

prilagojene in skalirane vrednosti signalov po standardni povezavi preko ploščatega

kabla prenašajo na kartico DSP-2.


Slika 2-7 Krmilje agregata, DSP-2 z ustreznim signalnim vmesnikom

Bistvena prednost krmilnika DSP-2 pri naši aplikaciji je možnost uporabe

programskega paketa MATLAB/Simulink. Sprva je bilo možno DSP-2 kartico

programirati le v programskem jeziku C, kasneje pa so bile narejene knjižnice za

bloke programskega paketa Simulink. Z možnostjo blokovnega programiranja je

krmilnik postal bistveno prijaznejši in enostavnejši za uporabo, predvsem za

pedagoške namene. Prav tako se s tem zelo poenostavi prehod iz faze simulacije z

uporabo matematičnega modela objekta v fazo vodenja realnega objekta, možno pa je

tudi enostavno spreminjanje regulacijske sheme in parametrov.


Slika 2-8 Osnovna testna blokovna krmilna shema

2.3.6 Zagon in delovanje agregata

Sistem za vodenje agregata je bil že v začetni fazi zasnovan tako, da se zajemajo vse

potrebne veličine: položaj in hitrost vrtenja gredi obeh motorjev, temperaturi obeh

motorjev, navor elektromotorja, enosmerna napajalna napetost in ostali signali iz

servopogona. Na osnovi teh veličin se preko D/A (digitalno-analognih) izhodov

generirata dva referenčna signala, za navor (ali hitrost) elektromotorja in preko kota

zasuka zračne lopute tudi za navor bencinskega motorja. Programsko nastavljivi sta

tudi sprostitvi delovanja (enable) za vsakega od motorjev, s čimer je možna logična

izbira delovanja samo električnega, samo bencinskega, ali usklajenega delovanja obeh

motorjev skupaj. V začetni fazi je bila narejena osnovna krmilna shema s


programskim paketom Simulink (Slika 2-8). Z ročnim vodenjem obeh motorjev je

možno nastavljati navor in hitrost vrtenja, sočasno pa zajemati in opazovati vse

spremenljivke in tako izmeriti lastnosti sistema.

0 0.5 1 1.5 2 2.5-5

0

5

10

Slika 2-9 Časovni potek pri pasivnem vrtenju bencinskega agregata

Na ta način so bile izmerjene osnovne lastnosti sistema, zlasti nekateri parametri

motorja z notranjim izgorevanjem ICE. Slika 2-9 kaže primer meritve navora zaradi

komprimiranja zraka v zgorevalnem prostoru pri pasivnem vrtenju motorja.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-5

0

5

10

Slika 2-10 Zagon agregata, navor elektromotorja

Izdelan je bil tudi preprost osnovni program za samodejni zagon agregata, oziroma za

zvezni prehod med delovanjem obeh motorjev. Primer zagona agregata iz mirovanja

(slika Slika 2-10) je takšen, da elektromotor zažene agregat do hitrosti 1500 min-1,

nad to hitrostjo pa generiranje navora prevzame le motor z notranjim izgorevanjem,

delovanje elektromotorja pa se z logičnim signalom izklopi.


3 Energijske razmere v hibridnem vozilu

3.1 Vožnja vozila

Matematični opis gibanja vozila je možen na osnovi splošnih pravil mehanike [16].

Glede na dejstvo, da je vozilo kompleksen sistem, sestavljen iz velikega števila

komponent, se pri obravnavi pogonskega sistema omejimo na enodimenzionalno

gibanje.

Obnašanje vozila vzdolž smeri gibanja je popolnoma določeno z opisom velikosti sil

v tej smeri. Pogonski agregat preko gonila generira vlečno (trakcijsko) silo Ft, ki

premika vozilo naprej. Med gibanjem vozila se pojavi sila upora (kotalni in

aerodinamični upor) ki nasprotuje gibanju, oziroma poskuša zaustaviti vozilo, ter sila

za premagovanje klanca. Po drugem Newtonovem zakonu je pospeševanje vozila

določeno z:

M

FrFt

dt

dV

(4)

kjer je:

V hitrost vozila

Ft skupna pogonska sila vozila

Fr skupna sila upora vozila

M skupna masa vozila

masni faktor, ki pretvori rotacijske vztrajnosti v translacijske mase

Kotalni upor

Slika 3-1 Deformacija avtomobilske pnevmatike med vožnjo


Kotalni upor avtomobilskega kolesa pri vožnji po trdni podlagi je posledica lastnosti

materiala pnevmatik pri deformaciji. Med kotaljenjem kolesa se guma avtomobilske

pnevmatike zaradi obremenitve deformira (slika Slika 3-1). Kotalni upor je posledica

nesimetrične porazdelitve sile na podlago ob kotaljenju kolesa. Ob upoštevanju

histerezne karakteristike materiala (slika Slika 3-2) je potrebno za kotaljenje kolesa

vložiti energijo, ki je proporcionalna površini histerezne krivulje [16]. Si

la, P

Slika 3-2 Karakteristika materiala avtomobilskih pnevmatik pri obremenitvi

Pri tem se čelna stran pnevmatike deformira in obremenjuje po delu histerezne

krivulje, kjer je tlak večji, nasprotna stran pa razbremenjuje po drugi krivulji

manjšega tlaka (slika Slika 3-2). Površina histerezne krivulje je proporcionalna

vloženemu delu oziroma izgubam.

rrr mgfPfF (5)

kjer je

Fr velikost sila upora kotalnega trenja

P skupna sila obremenitve na kolesa

m masa vozila

fr faktor kotalnega upora

Faktor kotalnega upora fr je odvisen od lastnosti materiala pnevmatik in podlage,

običajna vrednost pri sodobnih materialih pa znaša okrog 0.01[N/N]. Za vožnjo vozila

pri večji hitrosti je primerneje upoštevati katerega od empiričnih modelov trenja, ki


upošteva tudi hitrost vožnje. Za običajna osebna vozila se uporablja naslednja

empirična zakonitost [17]:

160101.0

vmgFr [N]

(6)

kjer je

v hitrost vožnje [km/h]

Zračni (aerodinamični) upor

Upor zraka, ki deluje na vozilo pri vožnji z določeno hitrostjo, imenujemo tudi

aerodinamični upor. Sestavljen je iz dveh komponent, zračnega upora zaradi oblike

vozila in površinskega trenja z zrakom.

Oblika vozila ima zelo pomemben vpliv na način odrivanja mase medija (zraka) med

vožnjo, posledica česar je sila upora. Definiran je koeficient zračnega upora dc (drag

coefficient):

Av

Fc w

d 2

2

(7)

kjer je:

Fw velikost sile zračnega upora

specifična gostota medija (zraka)

v hitrost gibanja skozi medij

A čelna površina vozila

Površinsko trenje nastane zaradi vrtinčenja molekul kot posledica velike razlike v

hitrosti zračnih plasti tik ob površini vozila. Skupna sila zračnega upora vozila je

podana kot:

22

1wdw vvACF

(8)

kjer je:

gostota medija (zraka)

v hitrost gibanja skozi medij

vw hitrost vetra


Sila pri vožnji po klancu

Pri vožnji po klancu opišemo komponento sile (slika Slika 3-3), ki nasprotuje gibanju

vozila pri vožnji navzgor, oziroma pomaga gibanju pri vožnji navzdol:

sin..gmFg

Slika 3-3 Sile pri vožnji vozila po klancu

Skupni upor vozila med vožnjo je vsota vseh treh komponent:

gwr FFFF (9)

sin2

1 2 mgvvACmgfF wdr (10)

Na osnovi teh zakonitosti in lastnosti vozila je bil izdelan simulacijski model (slika

Slika 3-5).

3.2 Analiza energijskih razmer vožnje vozila za standardni cikel vožnje

Za študij energijskih razmer vožnje s ciljem določiti potrebne lastnosti (navor, hitrost

in moč) pogonskega sklopa je bila narejena simulacija vožnje. Analiza vožnje je bila

narejena za primer lahkega dostavnega vozila Aixam Mega [14]. Simulacija je bila

narejena v programskem paketu MATLAB/Simulink, pri čemer je bil uporabljen


predhodno prikazan matematični model vozila. Uporabljen je bil standardni evropski

vozni cikel za mestno vožnjo ECE-15 ki popolnoma ustreza zmogljivostim

omenjenega dostavnega vozila. Vozni cikel ECE-15 (poznan tudi kot UDC) ustreza

mestnim razmeram, za katere je značilna nizka hitrost vožnje z relativno majhnimi

pospeški in posledično majhnimi obremenitvami pogonskega motorja. Potek cikla

prikazuje graf na sliki Slika 3-4, ključni parametri pa so naslednji:

Lastnosti ECE-15 enota

skupna prevožena razdalja 1013 [m]

čas trajanja 195 [s]

povprečna hitrost 18.7 [km/h]

maksimalna hitrost 50 [km/h]

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Čas vožnje [s]

Hit

rost

vož

nje

[k

m/h

]

Slika 3-4 Mestni vozni cikel ECE-15

Simulacija vožnje in zahteve za pogonski agregat ter kasneje študija energijskih

razmer delovanja pogonskega sklopa so bili narejeni na osnovi parametrov vozila

Aixam Mega [14]. Vozilo Aixam Mega v izbrani verziji spada v kategorijo L6e

(lahko štirikolo) in je namenjeno prevozu dveh oseb in lažjega tovora. Njegove

lastnosti so naslednje:

masa praznega vozila M kg 460


skupna masa vozila M kg 655

polmer koles (145/70R13) r m 0.25

maksimalna hitrost vmax km/h

(m/s)

50

13.89

prestavno razmerje* n 6.71

koeficient zračnega upora cd 0.5

* skupno prestavno razmerje od motorja do koles (prestavno razmerje menjalnika in diferenciala) je

določena na osnovi izračuna razmerja maksimalne vrtilne hitrosti motorja (3500 min-1) proti vrtilni

hitrosti koles ob najvišji hitrosti vožnje 50 km/h (524 min-1).

Za simulacijo vožnje je bil narejen matematični model po predhodno opisanih

zakonitostih (slika Slika 3-5). Model je zasnovan na obravnavi pogonskih sil na

kolesih. Tako je navor pogonskega sklopa Te preko prestavnega razmerja gonila in

premera kolesa preračunan na pogonsko silo na kolesih, enako velja tudi za vse sile

obremenitve, kot so upor vožnje (kotalni upor, zračni upor, sila premagovanja

klanca). Prav tako so kot dodatne vztrajnostne mase transformirani vsi vztrajnostni

momenti vrtečih se delov vozila.

Slika 3-5 Matematični model vozila v obliki simulacijske blokovne sheme

hitrost vozila [m/s]

prevozena pot [m]

Kotalni upor

Zracni upor

Klanec

Sila upora vozila [N]

Navor motorja [Nm]

Navor na kolesih [Nm]

Pogonska sila [N]

pretvorba vsehvztrajnostnih momentov

v maso

pogonska moc motorja [W]Navor motorja [Nm]

3

P[W]

2

pot

1

v2

x2

x1

x

1s

v

r

r kolesa

m_od_J

pretvorba vsehJ v maso1

m_od_J

pretvorba J vseh vrtecihdelov v maso

1s

pot1

1/2

g1

-K-

g

sin

Sign

Relay

1/r

Pretvorba v silo [N]1

N/r

Pretvorba v si lo [N]

-K-

Pretvorba v [m]

N

Prestavno razmerje

N

Prestava1

r

Polmer kolesa

Parametri

naklon

Naklon cestisca [%]

M

Masa vozila

J_motorja

J motorja

J_koles

J koles

izkor_reduk

Izkoristek gonila

In1

In2

In3

Out1

Gonilo

fr

From_fr

M

From_M2

M

From_M

Cw

From_Cw

A

From_A

-K-

1

atan

1

Te

kot


Za potrebe simulacije vožnje je bila narejena hitrostna regulacija, ki zagotavlja enake

razmere, kot pri vožnji voznika, ki upravlja vozilo po predpisanem hitrostnem profilu

vožnje. Za zagotavljanje zadostne natančnosti sledenja hitrostnemu profilu po voznem

ciklu ECE-15 je bil uporabljen proporcionalni hitrostni regulator (slika Slika 3-6).

v [k

m/h

]

Slika 3-6 Sledenje po voznem ciklu ECE-15

Simulacijski model dinamike vozila med vožnjo je prikazan na sliki Slika 3-7. Ob

upoštevanju vseh parametrov vozila, kot so masa, sila upora vožnje, izkoristek

posameznih pogonskih prenosnih komponent in pogonskega motorja, dobimo

ocenjeno vrednost navora in moči pogonskega motorja.


-K-

m/sv

km/h-K-

km/hv

m/s

Vozni cikel ECE-15

-K-

P reg

Navor motorja

Te

v 2

pot

P[W]

Model vozila

Moc [W]

Hitrost vozi la [m/s]

m/s

Slika 3-7 Simulacijska shema vožnje vozila


v [m

/s]

T [

Nm

]P

[W

]

Slika 3-8 Simulacija vožnje za vožnjo po ciklu ECE-15

Slika 3-8 prikazuje potreben navor in moč pogonskega motorja za vožnjo po

standardnem voznem ciklu ECE-15. Izračun velja za vozilo z dvema potnikoma, za

pogonski (električni) motor z izkoristkom 90 % in izkoristkom gonila 98 %. Kot se

vidi s slike Slika 3-8, je ocenjena vrednost maksimalnega navora 25 Nm, vršna

vrednost moči pa do 5.6 kW. Ti dve zahtevi sicer bistveno presegata trajno

obremenitev električnega pogonskega motorja, vendar bi, glede ne dejstvo, da gre le

za kratkotrajna pospeševanja in zaviranja, motor prenesel zahtevane obremenitve.

Seveda je ob tem potrebno zagotoviti potrebno zaščito, predvsem nadzor delovne

temperature motorja.

Naslednja komponenta, ki jo je potrebno dimenzionirati, je element za hranjenje

električne energije. Glede na dejstvo, da gre za laboratorijsko preizkuševališče za

hibridne pogone, smo se v prvi fazi odločili za uporabo le superkondenzatorja kot

hranilnika električne energije. Pri hibridnih vozilih, kjer je primarni pogonski agregat

motor z notranjim izgorevanjem, je nujno potrebno shranjevati le manjšo količino

energije. Količina shranjene električne energije naj bi bila tolikšna, da je mogoče le z

električnim pogonom pospešiti do srednje vrednosti hitrosti, oziroma pri zaviranju


sprejeti kinetično energijo vozila. Ekvivalentna kinetična energija vozila za primer, ko

vozi s polno hitrostjo:

EW ckin (11)

pri čemer je :

2

2Wkin

mv

(12)

Vrednost kinetične energije za primer našega vozila pri vožnji s polno hitrostjo je

5.104 Ws.

2E

2

cCCU

(13)

Pri dimenzioniranju kondenzatorskega električnega hranilnika smo se odločili za

konzervativnejše merilo, tako da bo sposoben zagotavljati večjo količino električne

energije in sicer za vožnjo enega celotnega voznega cikla ECE-15. V simulacijsko

shemo je bil dodan sklop z matematičnim modelom superkondenzatorja, ki daje in

prevzema energijo za delovanje pogonskega elektromotorja, slika Slika 3-9.


-K-

m/sv

km/h-K-

km/hv

m/s

Vozni cikel ECE-15

Pin

Uc [V]

Ic [A]

Ec [kWs]

Super C

-K-

P reg

Navor motorja

Te

v 2

pot

P[W]

Model vozila

Moc [W]

Ic, Uc, Ec

Hitrost vozila [m/s]

m/s

Slika 3-9 Shema za analizo vožnje s hranjenjem energije v superkondenzator


PcIc

Uc

3

Ec [kWs]

2

Ic [A]

1

Uc [V]

v1

1s

kondenzator

-K-

Wsv

kWs

-K-

Ec=(CU2)/2Divide

-1

1/c1

-K-

1/c

1

Pin

Slika 3-10 Model superkondenzatorja s pretvornikom

Shema prikazuje model kondenzatorja s pretvornikom (slika Slika 3-10), ki daje in

sprejema energijo, posledično se z ustreznim tokom polni/prazni kondenzator. Glede

na to, da je koristna energija, ki je na razpolago, odvisna od spremembe stanja

energije kondenzatorja v napetostnih mejah med Umin in Umax, je nujno določiti

začetne pogoje. Določimo stanje:

Uc(t=0) = 90 V (14)

Odziv pri standardnem ciklu vožnje ECE-15 je naslednji (slika Slika 3-11):


CC

C

t [s]

Slika 3-11 Stanje superkondenzatorja pri Uc(t=0)=90V pri vožnji po ECE-15

Pri stanju napolnjenosti kondenzatorja na Uc=90 V je pred začetkom voznega cikla

ECE-15 na voljo 170 kWs energije, kar zadošča, da vozilo prevozi ves vozni cikel.

Do konca se zaradi izgub porabi za okrog 70kWs energije. Napetost na kondenzatorju

ne pade pod 55V in posledično tudi tok kondenzatorja ne preseže vrednosti 100 A.

Uc(t=0) = 75 V (15)

V primeru, da je napetost superkondenzatorja na začetku vožnje le 75 V, se razmere

bistveno razlikujejo. Slika 3-12 prikazuje razmere pri Uc=75 V, ko je v kondenzatorju

na voljo le 120 kWs energije. Razlika v energiji, shranjeni v kondenzatorju, se tokom


voznega cikla prav tako zniža za enako vrednost 70 kWs, ob čemer je zaradi

nelinearne odvisnosti bistvena razlika v napetosti in toku skozi kondenzator. Napetost

pade na vrednost le 25 V, kar bi onemogočilo normalno delovanje pretvornika

navzgor, ob tem bi zahtevan tok narasel do vrednosti 150 A.

Slika 3-12 Stanje superkondenzatorja pri Uc(t=0)=75V pri vožnji po ECE-15

Zato je potrebno zagotoviti, da je stanje napolnjenosti kondenzatorskega hranilnika

električne energije vedno dovolj visoko, s čimer se zagotovi normalno delovanje

napajanja električnega motorja z energijo. Območje delovanja superkondenzatorja je

določeno v območju:

C = 42 F

V100U50V C

(16) (17)


Energija, ki je ob tem na razpolago:

2

)(E

2min

2max

ccc UUC

(18)

Uporabljen superkondenzator 42 F / 100 V kot hranilnik električne energije zagotavlja

150.000 Ws in tako popolnoma zadostuje za pogon izbranega električnega hibridnega

vozila.


4 Hranilniki energije v hibridnem pogonskem sistemu

Hibridna vozila uporabljajo fosilno gorivo za pogon motorja z notranjim

izgorevanjem kot glavni vir energije. Ta sklop mora zagotavljati pokrivanje srednje

vrednosti moči pogona vozila. Za doseganje potrebne vozne dinamike (speljevanje,

hitra pospeševanja, regenerativno zaviranje) hibridna vozila uporabljajo električni

motor v kombinaciji s hranilniki električne energije.

4.1 Hranilniki električne energije: akumulatorji in kondenzatorji

Današnja tehnologija za hranjenje električne energije omogoča dve glavni možnosti :

akumulatorske baterije in

superkondenzatorji.

Oba tipa hranilnikov imajo svoje prednosti in slabosti predvsem v smislu količine

shranjene energije, največje trenutne moči in števila ciklov hranjenja energije.

Spec

ifič

na e

nerg

ija

[Wh/

kg]

Slika 4-1 Primerjava osnovnih lastnosti virov/hranilnikov električne energije

Litij-ionske in litij-ion-polimerne akumulatorske baterije so danes zaradi bistveno

boljših lastnosti od ostalih tipov baterij (svinčene, Ni-Cd, NiMH) prevladujoča

tehnologija. Prednosti Li-Po baterij so v zelo veliki energijski gostoti, velikem številu


(do 1000) ciklov, slabost pa je krajša življenska doba (life cycle) ob velikih

obremenitvah in neustreznih pogojih polnjenja.

Nasprotno imajo superkondenzatorji relativno manjšo energijsko gostoto od baterij,

njihova prednost pa je velika specifična moč, saj jih zaradi izjemno nizke notranje

upornosti na priključnih sponkah obremenimo z zelo velikimi močmi (tipično 6

kW/kg). Tudi življenska doba je z vrednostjo razreda 106 ciklov velika prednost

superkondenzatorjev, saj praviloma presega življensko dobo naprave, v kateri so

uporabljeni. Slika 4-1 prikazuje primerjavo osnovnih lastnosti različnih hranilnikov

električne energije.

4.2 Kombinirani / hibridni hranilnik električne energije

Zaradi kombinacije posameznih prednosti Li-Po baterije in superkondenzatorja smo

se odločili za gradnjo kombiniranega hibridnega hranilnika električne energije (slika

Slika 4-2).

AC servo

DC/DCpretvornik

Baterija Li-Po110V / 70Ah

SuperkondenzatorMaxwell 42F / 97V

DC/DCpretvornik

AC PM motor

DC link

C

Slika 4-2 Kombinirani hibridni hranilnik električne energije

Pri hibridnem vozilu je, za razliko od električnega, potreba po le relativno majhni

zalogi električne energije, saj mora le-ta zadoščati kot vir pri speljevanju in kot

hranilnik energije pri zaviranju vozila. Pri normalni vožnji pa vozilo dobiva potrebno

moč iz primarnega pogonskega vira, to je iz motorja z notranjim izgorevanjem in

fosilnega goriva.

Glede na majhno kapaciteto akumulatorja hibridnega vozila ima ta ob velikih

obremenitvah tudi slabše električne lastnosti (velika notranja upornost in manjše

število ciklov polnjenja/praznjenja). V tem primeru je zato zelo primerna kombinacija

običajnega akumulatorja in superkondenzatorja. Glede na njune lastnosti (slika Slika


4-1) se oba sklopa idealno dopolnjujeta, akumulator ob majhni dinamiki zagotavlja

visoko energijsko vsebnost, superkondenzator pa zagotavlja veliko obremenljivost

vira. Oba hranilnika energije sta povezana preko enosmernega vodila, s katerega se

napaja tudi pretvornik za pogon električnega motorja. Vodenje pretokov moči preko

pretvornikov mora biti izvedeno tako, da zagotavlja optimalno izkoriščanje obeh

hranilnikov energije.

4.3 Superkondenzator kot element za shranjevanje električne energije

(tehnologija in lastnosti)

Običajni kondenzator energijo shranjuje s prenašanjem nosilcev naboja (elektronov) z

ene električno prevodne plošče na drugo. Posledica ločevanja nabojev je električni

potencial, ki se pojavi med ploščama. Energija, ki jo kondenzator shranjuje, je tako

proporcionalna količini naboja in tudi napetosti med ploščama. Naboj, ki se shranjuje,

je odvisen od dimenzij plošč in lastnosti dielektrika, napetost pa je omejena s

prebojno napetostjo dielektrika.

Običajni dielektrik Elektrolitski kondenzatorDvoslojni kondenzator

(superkondenzator)

ElektrodaAktivno oglje

Pregrada

Slika 4-3 Primerjava zgradbe običajnega, elektrolitskega in dvoslojnega kondenzatorja

Dvoslojni kondenzator (electric double-layer capacitor), poznan tudi pod imenom

superkondenzator, ultrakondenzator ali pseudokondenzator, ima drugačno zgradbo

(slika Slika 4-3). Običajni dielektrik nadomeščata dva sloja substrata, ki sta ločena z

nekaj nanometrov debelo fizično pregrado. Substrat iz aktivnega oglja je prevoden in

ima zaradi svoje zrnatosti izredno veliko površino v primerjavi z ravnimi ploščami pri


običajnih kondenzatorjih. Ta tehnologija pa omogoča le zelo majhne delovne

napetosti, ki so reda od 2 V do 3 V. Za doseganje višjih napetosti je potrebno več

kondenzatorjev vezati zaporedno.

Ena od smeri razvoja tehnologij superkondenzatorjev gre v smer zamenjave amorfne

strukture aktivnega oglja z ogljikovimi nanocevkami, ki bi s svojim pravilnim

vzorcem prinesle bistveno boljše lastnosti, predvsem večjo površino. Druge možnosti

razvoja tehnologije so še v smeri aktiviranega polypyrrola in z nanocevkami

impregniranega papirja.

Energijska gostota sodobnih komercialnih superkondenzatorjev je v razponu od 1.5

do 30 Wh/kg, standardne celice proizvajalca Maxwell Technologies dosegajo

vrednosti do 6 Wh/kg.

Slika 4-4 Superkondenzator Maxwell, tip BMOD0250-16.2V

4.3.1 Model superkondenzatorja

Zgradba superkondenzatorja, zlasti specifična sestava njegovih plošč ima za

posledico, da gre za zelo kompleksen model s porazdeljenimi parametri. Možno je

uporabiti različno podrobne modele, vendar bo za namen priključitve preko

močnostnega stikalnega pretvornika primeren poenostavljen model (slika Slika 4-5),

ki upošteva naslednje lastnosti:


Slika 4-5 Nadomestni električni model superkondenzatorja

Ccel kapacitivnost ene celice

Rs serijska upornost elementa

Rp paralelna upornost

Serijska upornost elementa Rs predstavlja nadomestno zaporedno upornost (ESR), ki

je odvisna od prevodnosti ogljenih amorfnih kondenzatorskih plošč in izvedbe

priključkov. Rp je paralelna upornost, s katero se predstavijo izgube v dielektriku

(leakage), ki povzročajo praznjenje kondenzatorja v daljšem času.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Čas [dnevi]

Nap

etos

t Uc[

V]

Slika 4-6 Izmerjeni rezultati lastnega praznjenja superkondenzatorja


Narejen je bil tudi dolgotrajni preizkus lastnega praznjenja enega modula

superkondenzatorja 250 F/16.2 V v času trajanja 75 dni. V prvih treh dneh je napetost

padla z začetnih 15 V za vrednost 2 V, po 75 dneh pa še za dodatno 3 V (slika Slika

4-6). Izrazito je torej vidna nelinearnost procesa praznjenja, oziroma nelinearne

paralelne upornosti Rp. Glede na zahteve naše aplikacije je samopraznilni pojav na

daljši čas nepomemben, zato vzporedna upornost v simulacijskem modelu ne bo

upoštevana.

V večini aplikacij en sam kondenzator ne zadošča za hranjenje zadostne količine

energije, zato se priključuje več osnovnih elementov v vzporedne ali zaporedne

kombinacije. Praviloma se kondenzatorji zaradi potrebe po višjih napetostih (od 2-3 V

kolikor je delovna napetost ene celice), povezujejo v serijo. Pri n celicah, povezanih v

serijo velja:

ncelC

C (19)

sn.RESR (20)

celcmax n.VV (21)

Energija shranjena v kondenzatorju:

2

2CUEc

(22)


Graf na sliki 4-7 prikazuje količino v shranjene energije v odvisnosti od napetosti na

kondenzatorju. Pri nazivni vrednosti kapacitivnosti 42 F in delovni napetosti 100 V

skupna shranjena energija znaša 210000Ws. V primeru uporabe superkondenzatorja

kot hranilnika energije je možno izkoriščati le tisti del energije, ki ustreza

uporabnemu napetostnemu območju delovanja kondenzatorja v sklopu z močnostnim

pretvornikom. Glede na kvadratično odvisnost energije od napetosti, je pri izbiri

napetostnega delovnega območja npr. med 50 V in 100 V na voljo ¾ skupne energije,

kar v danem primeru znese 157500 Ws.

Superkondenzator 42F / 100V

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Napetost na kondenzatorju Uc [V]

Sh

ran

jen

a e

ne

rgij

a [W

s]

Slika 4-7 Energija, shranjena v superkondenzatorju C=42 F kot funkcija napetosti Uc


5 Superkondenzator v hibridnem pogonu

Kot je že v poglavju 4.2 predhodno opisano, je kondenzator za shranjevanje energije

zaradi (nelinearno) spreminjajoče se napetosti povezan z enosmernim napetostnim

vodilom motorskega pogona preko sklopa močnostnega pretvornika (slika Slika 5-1).

Funkcija močnostnega stikalnega pretvornika je kontrolirano prenašanje energije v

obe smeri in prilagoditev med obema napetostnima nivojema v širokem razponu.

5.1 Pretvornik za povezavo superkondenzatorja z enosmernim vodilom

Slika 5-1 Priključitev superkondenzatorja in akumulatorske baterije v hibridni pogon

Za potrebe laboratorijskega eksperimentalnega hibridnega pogona je bil izbran

dvosmerni DC/DC pretvornik navzdol/navgor, tipa Buck-Boost. Sestavljeno vezje

združuje pretvornika dveh različnih konfiguracij, sestavljena v en sklop (slika Slika

5-2). Pretvornik navzdol kot aktivni element za delovanje uporablja tranzistor T1 in

diodo D, pretvornik navzgor pa nasprotno kombinacijo T2 in D1 [12]. Takšen sklop

potrebuje pulznoširinski modulator (PWM, Pulse Width Modulator) z dvema

izhodoma za obratovanje v obeh strukturah. Za kontrolirano delovanje je nujna

uporaba notranje tokovne zanke. Vhodna napetost skupnega enosmernega vodila je v

razponu 110 V do 250 V, medtem ko je napetost na superkondenzatorju med 50 V in

100 V. Realiziran je tudi omejevalnik napetosti na superkondenzatorju.


PWM

Superkondenzator

UDC_link

UDC_link_ref

Vc

L

C

T1

T2

D1

D2

lim

ICref

IC Ucap

TOP

BOT

Slika 5-2 Dvosmerni pretvornik za priključitev superkondenzatorja na enosmerno vodilo

5.2 Simulacija delovanja sklopa superkondenzatorja s pretvornikom

0...1

Continuous

pow ergui

v+-

Voltage Measurement1

v+-

Voltage Measurement

TOP, BOT

RepeatingSequence

RL

PWM_in

TOP

BOT

PWM

Manual Switch

I[A], U [V]

g CE

IGBT/Diode1

g CE

IGBT/Diode

DC Voltage Source

i+ -

Current Measurement1

i+ -

Current Measurement

.8

Constant1

C1

Slika 5-3 Osnovna shema močnostnega stikalnega pretvornika s superkondenzatorjem


V programskem paketu MATLAB/Simulink je bila narejena simulacija delovanja

sklopa močnostnega pretvornika s superkondenzatorjem (slika Slika 5-3).

Simulacijska shema je sestavljena iz knjižnice elementov programskega paketa

MATLAB/Simulink SimPowerSystems, ki uporablja kompleksne in dokaj natančne

modele močnostnih stikalnih elementov. Za našo obravnavo delovanja pretvornika kot

funkcionalne celote takšna simulacija zagotavlja dovolj dobre rezultate.

0 1-1

D.C. [%]

Izhod TOP

Izhod BOT

100

100

0 1-1

Uvh

Uvh

D.C. [%]

Slika 5-4 Vrednost izhodnih signalov iz PWM modulatorja

Shema na sliki Slika 5-5 prikazuje pulznoširinski modulator za vodenje pretvornika.

Generiranje PWM signala je izvedeno s primerjanjem napetosti trikotne oblike

primerne amplitude in frekvence s vhodnim modulacijskim signalom. Takšen sklop

potrebuje pulznoširinski modulator z dvema izhodoma, od katerih je istočasno aktiven

le eden, s tem pa se spreminja tudi struktura pretvornika. Generirata se dva signala:

TOP za krmiljenje gornjega tranzistorja, oziroma Buck pretvornik in signal BOT za

krmiljenje spodnjega tranzistorja, oziroma Boost pretvornik (Slika 5-4). Signala se


generirata iz primerjave trikotne napetosti z vhodnim signalom z enosmerno

premaknitvijo (offset-om) v pozitivni in negativni smeri. Na ta način je zagotovljen

zvezen prehod med Buck in Boost načinom delovanja pretvornika.

2

BOT

1

TOP

Scope4

Scope3

RepeatingSequence

<

RelationalOperator1

>

RelationalOperator

.25

Constant2

-.25

Constant1

1

PWM_in

Slika 5-5 Pulznoširinski modulator za močnostni dvosmerni pretvornik navdol/navzgor

S simulacijo delovanja sklopa je možno potrditi pravilnost izbire posameznih

elementov pretvornika. Ključni element delovanja pretvornika v obeh režimih je

močnostna dušilka. Določitev vrednosti induktivnosti je kompromis med valovitostjo

toka ter velikostjo in maso dušilke. S pomočjo simulacije delovanja pretvornika so

bile kot primerne izbrane vrednosti med 200 μH in 800 μH, dopustna tokovna

obremenljivost pa mora znašati 100 A. Odzivi izhodne napetosti iz pretvornika,

napetosti na kondenzatorju Uc, oblike toka skozi dušilko in toka iz enosmernega

vodila v pretvornik so prikazani na sliki Slika 5-6.


Uou

t[V

]U

C[V

]I C

[A]

t [ms]

I out

[A]

Slika 5-6 Simulacija delovanja stikalnega pretvornika


5.3 Strategija vodenja hranilnikov energije pri hibridnem pogonu

V sistemu hibridnega pogona vozila je nujno zagotoviti delovanje primarnega

pogonskega vira, motorja z notranjim izgorevanjem, izključno le v režimu

optimalnega delovanja (najboljšega izkoristka), ob tem pa je potrebno stalno

zagotavljati zadostno količino električne energije za pogon električnega pogonskega

motorja.

UCref

SuperC

UDClink_ref

(EDClink_ref)

ICE

UDClink

(EDClink)

SuperC

PWM

Li-Po baterija

PWM

Contr.

AC PM servo

S.O.C.

UC

»Drive demand«

Slika 5-7 Shema vodenja hranilnikov energije pri hibridnem pogonu

Da bi zagotovili zadovoljivo napolnjenost hranilnikov električne energije v vsakem

trenutku, je uporabljena shema vodenja (slika Slika 5-7), ki v treh regulacijskih krogih

zagotavlja ustrezno dinamiko za vsakega od hranilnikov/virov energije [1] do [10].

Ob predpostavki, da so vsi trije hranilniki/viri energije priključeni na enosmerno

vodilo, je zahteva, da se dinamično najhitreje odziva sklop s superkondenzatorjem.

Zato je sklop superkondenzatorja s pretvornikom voden z regulacijsko zanko

neposredne kontrole enosmerne napetosti na vodilu. Ta sklop ima na voljo dovolj

energije za pogon vozila za nekaj deset sekund (zaloga energije je v razredu 105 Ws).


Dopolnjevanje energije superkondenzatorja na določen nivo zagotavlja regulacijska

zanka s počasno časovno dinamiko, ki zagotavlja pretok energije iz akumulatorske

baterije na enosmerno vodilo s funkcijo zagotavljanja določene napetosti Uc, oziroma

določene energije v superkondenzatorju. Zaradi majhne dinamike, oziroma počasnih

sprememb obremenitve, je znatno podaljšana življenska doba akumulatorske baterije.

Zaloga energije v bateriji pri našem laboratorijskem preizkuševališču hibridnih

pogonov znaša 7.7 kWh.

Vodenje primarnega agregata ICE je predvsem v funkciji komande za vožnjo

(pospeševanje/zaviranje). Kljub temu pa je potrebno v daljšem časovnem intervalu

zagotavljati stanje napolnjenosti baterije (State of Charge, SOC) na vrednost okrog 70

% do 80 %. Ta vrednost zagotavlja dovolj električne energije za krajše vožnje samo z

električnim pogonom, hkrati pa tudi možnost sprejemanja energije pri daljših

zaviranjih, npr. po klancu navzdol.

V začetni fazi je bila narejena simulacija delovanja sklopa superkondenzatorja z

vodenim pretvornikom. Simulacijska shema je prikazana na sliki Slika 5-8.

-1...+1

Ref. energije na DC linku(CU2)/2

Energija na DC linku(CU2)/2

P_ref

Uc

Ic_ref

Ic_ref *

Ic

IcUc *

UdcEdclink

Edclink_ref

250

Udc_link

Iref

Uc

Out1

Uc_limiter

Uc_IR_komp

PWM_in

TOP

BOT

PWM

In1 Out1

PID regulator

In1 Out1

PI regulator

TOP

BOT

Idc

Udc

Icap

Ucap

Udc_link

GND

Mocnostni pretvornik+ superkondenzator

-K-

Ic x Rc

-K-

-K-

Slika 5-8 Simulacijska shema vodenja kondenzatorskega hranilnika energije

Osnovni shemi močnostnega pretvornika (slika Slika 5-3) je dodan nadzorni sistem za

stabilizacijo napetosti na enosmernem vodilu. Glede na primerljive sisteme [1] do [9]

je bila izbrana kaskadna regulacijska shema z notranjo tokovno in zunanjo napetostno

regulacijsko zanko.

Vodenje pretvornika neposredno po napetosti na enosmernem vodilu je manj

primerno zaradi nelinearne prenosne funkcije sklopa stikalnega pretvornika s


superkondenzatorjem. Zato je uporabljen način po vodenju energije na enosmernem

vodilu (DC Bus Energy Controller). Energijske razmere na enosmernem vodilu

opisuje enačba:

)()(

)(__sup

_ tPtPdt

tdElinkDCLerC

linkDC (23)

kjer je:

2

)()(

2_

_

tUCtE linkDC

linkDC (24)

Pbrem skupna obremenitev na enosmernem vodilu

CDC_link skupna kapacitivnost na enosmernem vodilu

Simulacijska shema (slika Slika 5-8) prikazuje regulacijsko zanko močnostnega

pretvornika. Referenčna vrednost EDC_link_ref se izračunava iz želene vrednosti

napetosti na enosmernem vodilu, dejanska vrednost EDC_link pa iz izmerjene vrednosti

napetosti na enosmernem vodilu. Uporabljen je linearni regulator tipa PI, katerega

izhodna vrednost predstavlja spremembo energije oziroma referenčno moč, ki se naj

prenaša v, oziroma iz kondenzatorja Pref. Referenčni tok ICref se izračunava po

formuli:

)(*

)()(

tU

tPtI

C

refCref

(25)

V shemi je uporabljena tudi kompenzacija padca napetosti na serijski upornosti

superkondenzatorja:

SCCC (t)RI(t)U(t)*U (26)

Zagotovljeno je tudi omejevanje napetosti na superkondenzatorju (slika Slika 5-9) na

način, da se omejuje vrednost referenčnega toka IC_ref v primeru, če napetost Uc

prestopi nastavljene meje:

V100UV 50 C (27)


1

Out1

Switch1

Switchup

u

lo

y

SaturationDynamic

100

-100

0

2Uc

1

Iref

Slika 5-9 Shema omejevalnika napetosti na kondenzatorju

Tokovna regulacijska zanka je tipa PI, pri čemer sta oba parametra nastavljena

empirično glede na odzive toka ob stopnični spremembi. V primeru simulacije v

programskem paketu Simulink je bilo potrebno filtriranje signala dejanskega toka s

filtrom drugega reda in polovico nižjo frekvenco od stikalne frekvence pretvornika.

5.4 Izvedba stikalnega pretvornika

Močnostni stikalni pretvornik omogoča dvosmerni pretok energije med enosmernim

vodilom motorskega servopogona in superkondenzatorjem kot hranilnikom električne

energije. Zahtevane električne lastnosti sklopa za hranjenje električne energije s

kondenzatorjem izhajajo iz lastnosti motorskega pogona (v poglavju 2.3.3):

napajalna napetost na enosmernem vodilu UDC 110 - 250 V

tok na enosmernem vodilu IDC_link +/- 20 A

delovna napetost na superkondenzatorju UC 50 - 100 V

maksimalni tok skozi superkondenzator IC +/- 100 A

5.4.1 Močnostni del

Poenostavljeno shemo močnostnega dvosmernega stikalnega Buck-Boost pretvornika

prikazuje slika Slika 5-10. Osnova sta dva stikalna elementa, v našem primeru

močnostna tranzistorja T1 in T2 s paralelnima prostotečnima diodama, kar ustreza eni

veji klasičnega tranzistorskega mostiča. Dušilka L je pri obeh tipih pretvornikov

element, preko katere se energija prenaša iz vhoda na izhod, oziroma obratno.

Kondenzatorja C1 in C2 s svojo zalogo električne energije zagotavljata dinamično


stabilne napetostne razmere na vhodnih in izhodnih sponkah pretvornika tudi ob

visokih tokovnih pulznih obremenitvah tranzistorjev.

Slika 5-10 Shema močnostnega dela stikalnega pretvornika

V pretvorniku je uporabljen IGBT modul z dvema tranzistorjema proizvajalca

Semikron, tip SKM150GB12T4. Hiter stikalni IGBT tranzistor je namenjen za

uporabo v inverterskih pretvornikih za motorje in močnostne stikalne pretvornike.

Mejne zmogljivosti tranzistorja so:

Icnom = 150A

Uces = 1200V

Uges = +/-20V

td(on) = 180ns

td(off) = 410ns

fsmax = 20kHz (najvišja priporočena stikalna frekvenca)

Posebno pozornost je potrebno posvetiti izbiri gladilnega in blokirnega kondenzatorja

C1, ki mora ob hitrih preklopih in veliki amplitudi ter valovitosti tokov skozi

tranzistorje zagotavljati stabilno napetost Udclink brez napetostnih konic. Kapacitivnost

C1 je sestavljena iz šestih vzporedno priključenih elektrolitskih kondenzatorjev z zelo

majhno serijsko upornostjo (6x 680 μF/400 V, BHC, tip Aerovox, Esr=126 m pri 10

kHz, Irms=8,8 A pri 10 kHz). Za blokiranje napetostnih konic je vzporedno C1

neposredno na sponke samega tranzistorskega modula priključen še folijski blokirni

kondenzator (Kemet, tip C4B, 1 μF/1200 V, 3.3 mpri 100 kHz, Irms=27 A pri 100


kHz). Ključnega pomena je tudi izvedba močnostnih povezav med kondenzatorji in

tranzistorskim modulom, ki morajo imeti čimmanjšo upornost in induktivnost.

Izvedba povezav pretvornika z masivnimi aluminijastimi vodniki (16x5 mm) in

žičnimi vodniki velikega preseka je vidna na sliki Slika 5-11.

Slika 5-11 Izvedba močnostnega stikalnega pretvornika

Prožilna stopnja zagotavlja generiranje krmilnih pulzov za oba močnostna

tranzistorja. Hibridno integrirano vezje Semikron tip SKHI 22BR (slika Slika 5-10) je

prožilna stopnja za dva IGBT tranzistorja v veji mostiča. Lastnosti prožilne stopnje

Semikron SKHI 22BR:

galvanska ločitev logičnih vhodov od napetostnih potencialov izhodnega dela

pretvornika,

5 V, CMOS kompatibilni logični vhodi,

izhod +15 V/-7 V, +/-8 A,

zapora istočasnega prevajanja obeh tranzistorjev in generiranje mrtvih časov,

kratkostična zaščita z opazovanjem napetosti Uce,

podnapetostna zaščita (pri Us < 13 V),

»Error« logični izhod ob napaki v delovanju prožilne stopnje,

integriran galvansko ločen napajalnik za oba prožilna izhoda


Za integrirano izvedbo prožilne stopnje smo se odločili zaradi popolne

kompatibilnosti z izbranimi močnostnimi tranzistorji, saj vsebuje vse potrebne

zaščitne funkcije in posledično velike zanesljivosti delovanja. Prožilna stopnja se

nahaja v neposredni bližini tranzistorskega modula in je s kratkimi žičnimi

povezavami priključena na oba tranzistorja (slika Slika 5-11), s čimer se zagotovi

imunost na vplive morebitnih elektromagnetnih motenj ob preklopih.

Hitrost preklopa močnostnega tranzistorja je ob danih komponentah in konfiguraciji

vezja odvisna tudi od časa, v katerem vhodna napetost doseže prag preklopa, oziroma

časa, v katerem prožilna stopnja na vrata IGBT-ja dovede naboj QG (850 C). Hitrost

vklopa in izklopa tranzistorja je določljiva z izbiro vrednosti uporov iz izhoda

prožilne stopnje na vrata tranzistorja. Proizvajalec priporoča za tranzistorje

SKM150GB12T4 obe vrednosti 12 , s čimer je zagotovljen dober kompromis med

stikalnimi izgubami in nivojem motenj. Elektromagnetne ali radiofrekvenčne motnje

(Electromagnetic interference, EMI, ali Radio Frequency Interference, RFI) so

posledica hitrih preklopov stikalnih elementov, ki povzročajo velike strmine

naraščanja napetostnih potencialov na posameznih vodnikih (velik dU/dt), oziroma

tudi velikih strmin tokov. Oddajanje EMI se bo še dodatno zmanjšalo z vgradnjo

pretvornika v zaprto kovinsko ohišje.

5.4.2 Krmilni del s programsko opremo

Uporabljen je bil namenski krmilnik DSP-2, katerega konfiguracija popolnoma

ustreza tudi zahtevam za vodenje stikalnega pretvornika. Krmilnik DSP-2 [11] kot

osnovo uporablja digitalni signalni procesor DSP Texas Instruments TMS320C32 v

kombinaciji s programibilnim vezjem FPGA Xilinx tip XCS40-4PQ240C.

Omenjena kombinacija je s svojo strojno opremo (slika Slika 5-12) namensko

prilagojena za vodenje motorskega mostičnega pretvornika, omogoča pa tudi vodenje

stikalnega pretvornika.


Slika 5-12 Blokovna shema krmilnika DSP-2

Ključne lastnosti pretvornika, ki so pomembne za vodenje Buck-Boost pretvornika, so

naslednje:

4-kanalni 12-bitni A/D pretvorniki s simultanim zajemom podatkov,

trije neodvisni sinhroni pulznoširinski modulatorji z ločljivostjo 66.6 ns,

hitra komunikacija z osebnim računalnikom (RS232, RS485, USB),

možnost samostojnega delovanja (program se naloži v FLASH pomnilnik),

terminalski program za komunikacijo z osebnim računalnikom,

možnost programiranja v programskem okolju MATLAB/Simulink z ustrezno

programsko podporo za vse funkcije krmilnika.


Slika 5-13 Krmilnik DSP-2 z vmesnikom za zajemanje merilnih signalov

Osnova programa za vodenje pretvornika (slika Slika 5-14) je program za simulacijo

delovanja pretvornika (slika Slika 5-8), pri čemer ga je bilo potrebno nekoliko

spremeniti, da se zagotovi programska kompatibilnost z DSP-2. Nekateri funkcijski

bloki so bili zamenjani z ustreznimi diskretnimi, ki podpirajo posamezne funkcije

krmilnika.

-454.....+454

Udc_link limit

U*U1

U*U

DSP-2 TTUdc

DSP-2 TTIc

DSP-2 TTUcap

UpdateParameters

EditParameters

Build

Pulse Generator

Pulse Generator

Product3

Product1

Product

ENABLE

PWM_in

PWMP regulator

Out1

Meritev_Ucap

Out1

Meritev_Ic

Out1

Meritev Udc

Manual Switch

Iref_lim

DSP-2 FTUdc_link_ref

From Terminal1

DSP-2 FTEnable

Divide

K Ts

z-1

Discrete-TimeIntegrator1

K Ts

z-1

Discrete-TimeIntegrator

Ki_Ireg

Constant4

Kp_Ireg

Constant3

Ki_Udc_reg

Constant2

Kp_Udc_reg

Constant1

-K-

C/2-1

C/1Add

-K-

454-1.....+1

-K-

(C/2)1

Slika 5-14 Krmilna shema delovanje pretvornika narejena s Simulink-om

Kot je že v poglavju o simulaciji delovanja pretvornika (poglavje 5.2) opisano, tudi

dejanska izvedba pretvornika uporablja kaskadno shemo z notranjo tokovno zanko in

zunanjo napetostno regulacijsko zanko.


Digitalna tokovna regulacijska zanka mora zagotavljati dobro sledenje toka referenčni

vrednosti, stabilno delovanje v širokem območju spreminjanja vhodne in izhodne

napetosti, pa tudi čimmanjši sledilni pogrešek. Kot je bilo že preizkušeno v simulaciji,

se je tudi na dejanskem sistemu kot primeren izkazal linearen PI regulator z

omejitvijo izhodne vrednosti integralnega člena.

Pri delu s krmilnikom DSP-2 in programsko podporo iz knjižnice »dsp2.lib«, je

potrebno določiti čas cikla delovanja regulacijske zanke, kateremu je enaka tudi

perioda PWM signala. Zato je potrebno posebno pozornost posvetiti optimiranju

programa, saj se mora vse zajemanje, obdelavo in računanje algoritmov izvesti v času,

manjšem od periode T. V našem primeru je čas periode:

T=60 s (preklopna frekvenca: f=16.66 kHz) (28)

Aktivni čas delovanja računalnika za obdelavo programa po shemi s slike Slika 5-14

je v vsakem ciklu okrog 40 s, kar pomeni 66% izkoriščenost zmogljivosti.

5.4.3 Statični preizkus delovanja pretvornika

Osnovna priključna shema za testiranje sklopa pretvornika s superkondenzatorjem C

je prikazana na sliki Slika 5-15. Glede na dejstvo, da ima naprava regulirano izhodno

napetost, je bila primernejša odločitev za testiranje pretvornika v Boost konfiguraciji.

Vhodna napetost na superkondenzatorju znaša 40 V in se vzdržuje z dopolnjevanjem

kondenzatorja pred vsakim preizkusom z energijo iz zunanjega enosmernega vira. Za

obremenjevanje izhoda je bil uporabljen laboratorijski močnostni upor (reostat) Rb, s

katerim se nastavlja želena obremenitev.

Slika 5-15 Shema za merjenje statičnih karakteristik in izkoristka pretvornika


20V/del

10V/del

10A/del

Uout

TOP

IL

Slika 5-16 Delovanje Buck pretvornika v režimu trganega toka

(pogoji: Uvh=40 V in Uizh = 120 V Na slikah Slika 5-16 do Slika 5-19 so prikazani z osciloskopom posneti časovni

poteke napetosti in tokov pretvornika pri stacionarnem delovanju. Prikazani so

posnetki napetosti na izhodu tranzistorskega polmostiča z ustreznimi krmilnimi pulzi

ter tok skozi dušilko IL. Pri delovanju pretvornika Buck (Slika 5-16) in Boost (Slika

5-17) pretvornika v režimu trganega toka se v trenutku, ko pade vrednost toka IL na

vrednost 0, pojavi značilno nihanje, oziroma oscilacija izhodne napetosti. Frekvenca

nihanja ustreza resonančni frekvenci nihajnega kroga dušilke L in skupne parazitne

kapacitivnosti celotnega vezja.

20V/del

10V/del

10A/del

Uout

BOT

IL

Slika 5-17 Delovanje Boost pretvornika v režimu trganega toka

(pogoji: Uvh=40 V in Uizh = 120 V


50V/del

5V/del

10A/del

Uout

BOT

IL

Slika 5-18 Delovanje Boost pretvornika v režimu zveznega toka

(pogoji: Uvh=40 V in Uizh = 50 V, RL=80

Slika 5-19 Delovanje Boost pretvornika v režimu zveznega toka

(pogoji: Uvh=40 V in Uizh = 120 V, RL=80

Nasprotno pa je v režimu zveznega toka izhodna napetost tranzistorskega polmostiča

definirana in omejena spodaj s potencialom negativnega napajanja in zgoraj z

napetostjo na enosmernem vodilu. Sliki Slika 5-18 in Slika 5-19 prikazujeta delovanje

Boost pretvornika v režimu zveznega toka ob pogojih Uvh=40 V in Uizh = 120 V,

RL=80 . Zaznavna je razlika v potrebni širini krmilnih pulzov, oziroma prevajalnega

razmerja DC (Duty Cycle) za obe prestavni razmerji navzgor (1.25x in 3x).

Pomembno je preveriti, kolikšna so napetostna nihanja v trenutkih preklopov na

enosmernem vodilu neposredno na sponkah močnostnega modula. (Pre)visoke

napetostne konice, šeprav le v nanosekundnem področju, namreč lahko poškodujejo

močnostne tranzistorje, zato smo jih zaščitili z uporabo primernih blokirnih

kondenzatorjev (kot je že opisano v poglavju 5.4.1). Napetostne razmere na

enosmernem vodilu Boost pretvornika pri Uvh=40 V in Uizh = 100 V so vidne na


slikah Slika 5-21 in Slika 5-21. Tudi pri večji vrednosti vhodnega toka IL=50 A

izmerjene napetostne konice ne presežejo vrednosti 50 V.

Slika 5-20 Napetostni prehodni pojav na enosmernem vodilu

(pogoji: Boost pretvornik pri izklopu tranzistorja (zelena krivulja, 5 V/del) in izhodna napetost

(violična krivulja, 50 V/del), Uvh=40 V in UDClink = 100 V in Pizh=600 W)

Slika 5-21 napetostni prehodni pojav na enosmernem vodilu

(pogoji: Boost pretvornik pri vklopu tranzistorja (zelena krivulja, 5V/del) in izhodna napetost (violična

krivulja, 50 V/del), Uvh=40 V in UDClink = 100 V in Pizh=600 W)

Narejen je bil tudi preizkus delovanja sklopa superkondenzatorja s pretvornikom pri

konstantni izhodni obremenitvi. Pogoji so bili naslednji Pri Boost režimu delovanja

(superkondenzator kot vir energije) so razmere naslednje:

)()()(izh titutP cc (29)


In

)(

)(

1)( izh tP

tuti

cc

(30)

Pri konstantni izhodni obremenitvi je produkt toka in napetosti konstanten, z nižanjem

napetosti UC se povečuje vrednost toka IC, kar je razvidno tudi na testnem odzivu na

sliki Slika 5-22. Na odzivu se tok pri začetni vrednosti napetosti UC =45 V od

vrednosti IC=10 A začne povečevati ob odtekanju energije s kondenzatorja. Izhodna

napetost se sesede, oziroma pretvornik neha delovati, ko UC pade pod 14 V, to je pri

vrednosti prestavnega razmerja UDClink/UC več kot 7, vrednost toka pa IC=40 A.

Slika 5-22 Prehodni pojav na superkondenzatorju pri konstantni izhodni obremenitvi

(pogoji meritve : tok IC (10 A/del, modra krivulja), napetost UC (10 V/del, zelena krivulja) in izhodna

napetost UDClink (violična krivulja, 50 V/del) pri UC(t=0) =45 V, UDClink = 100 V in Pizh=400 W)

Iz časovnega poteka napetosti superkondenzatorja UC pa lahko ocenimo tudi

spremembo količine energije:

2

)( 2min_

2min_ cc

c

UUCE

(31)

Za primer na sliki Slika 5-22 pri C=83.3F, ΔUC=45V-20V in Δt=160s velja

ΔEC=67708 Ws

Poraba energije na bremenu je bila v času t=160s pri moči 400W:

AL=64000 Ws

Med spremembo stanja električne energije superkondenzatorja ΔEC in porabljeno

energijo (delom) na bremenu AL, je 5.8 % razlike, kar ustreza količini izgub v


močnostnem pretvorniku. Vsekakor je potrebno vzeti v poštev še tolerance elementov

in pogreške pri zajemanju podatkov.

5.4.4 Izkoristek močnostnega pretvornika

Izveden je bil preizkus delovanja močnostnega pretvornika v Boost konfiguraciji pri

različnih napetostih in različnih obremenitvah.

Zaradi hitrejšega odčitavanja in večje natančnosti meritve smo izbrali digitalne

instrumente V1, A1, V2 in A2 za merjenje tokov in napetosti. Kritično merilno mesto je

ampermeter A1, saj tok IL poleg enosmerne komponente vsebuje tudi izmenično

komponento s stikalno frekvenco 16.6 kHz, vidno na sliki Slika 5-19. Za preverjanje

ustreznosti meritve je bil v serijo z A1 zato za primerjavo priključen še precizni

analogni instrument z vrtljivo tuljavico. Zaradi zagotovitve čimvečje natančnosti

meritev smo predhodno po parih primerjali tudi natančnost merjenja instrumentov

(obeh vzporedno priključenih voltmetrov in obeh ampermetrov v zaporedni vezavi).

Odločili smo se za meritev pri vhodni napetosti Uvh = 40V in naslednjih izhodnih

napetostih:

Uizh = (50 V, 60 V, 80 V, 120 V, 160 V), (32)

Pri čemer so napetostna prestavna razmerja naslednja:

N=Uizh/Uvh = (1.25, 1.5, 2, 3, 4)

(33)

Uvh[V] Ivh[A] Pvh[W] Uizh[V] Iizh[A] Pizh[W] [%]

41,5 0,48 19,9 50,3 0,36 18,1 90,90

41,4 0,76 31,5 50,3 0,58 29,2 92,72

41,6 1,23 51,2 50,3 0,95 47,8 93,39

41,7 2,1 87,6 50,3 1,64 82,5 94,20

41,8 2,87 120,0 50,3 2,26 113,7 94,76

41,6 4,21 175,1 50,3 3,28 165,0 94,20

41,6 7,4 307,8 50,3 5,67 285,2 92,65

40,2 14,03 564,0 50,2 10,16 510,0 90,43

40,7 0,71 28,9 60,4 0,43 26,0 89,88

41,2 1,12 46,1 60,4 0,7 42,3 91,63

41,5 1,81 75,1 60,4 1,16 70,1 93,28

42 2,97 124,7 60,4 1,94 117,2 93,94

41,9 4,03 168,9 60,4 2,62 158,2 93,72

41,8 6,17 257,9 60,4 3,99 241,0 93,44


41,4 11,65 482,3 60,4 7,29 440,3 91,29

40,3 16,71 673,4 59,9 10,06 602,6 89,48

41 1,27 52,1 80,5 0,57 45,9 88,12

41,1 2,01 82,6 80,5 0,93 74,9 90,62

41,2 3,4 140,1 80,5 1,58 127,2 90,80

41,1 5,43 223,2 80,5 2,54 204,5 91,62

40,9 8,1 331,3 80,4 3,74 300,7 90,77

40,8 12,18 496,9 80,4 5,53 444,6 89,47

40,5 19,55 791,8 79,9 8,71 695,9 87,89

40,4 23,5 949,4 76 11,15 847,4 89,26

42,3 2,78 117,6 120,6 0,85 102,5 87,17

42,3 4,6 194,6 120,6 1,42 171,3 88,01

42,6 6,28 267,5 120,3 2 240,6 89,93

39,3 10,28 404,0 119,7 2,99 357,9 88,59

41,9 12,29 515,0 120,5 3,79 456,7 88,69

41,5 16,33 677,7 120,3 4,93 593,1 87,51

40,9 18,13 741,5 120,3 5,36 644,8 86,96

40,3 22,5 906,8 120,1 6,62 795,1 87,68

41,2 5,12 210,9 160,7 1,1 176,8 83,80

41,9 7,93 332,3 160,7 1,73 278,0 83,67

41,4 14,34 593,7 160,6 3,12 501,1 84,40

40,3 24 967,2 160,3 5,2 833,6 86,18

Slika 5-23 Meritve statičnega delovanja pretvornika v Boost načinu pri Usupercap=40V

Rezultati meritev so prikazani v tabeli na sliki Slika 5-23 in tudi na pripadajočem

grafu (sliki Slika 5-24). Izkoristek delovanja pretvornika je v razredu okrog 90 %, kot

je pričakovano je višji pri nižjem prestavnem razmerju N=Uizh/Uvh.

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Izhodna moč [W]

Izk

oris

tek

[%

]

50V (N=1.25)

60V (N=1.5)

80V (N=2)

120V (N=3)

160V (N=4)

Slika 5-24 Izkoristek pretvornika v Boost načinu pri Usupercap=40V


Izkoristek je najboljši pri manjših obremenitvah v razredu 100 W - 200 W, z večjo

obremenitvijo se zmanjšuje. S primernejšo merilno opremo bi bilo smiselno izmeriti

tudi izkoristek pretvornika pri večjih močeh, prav tako pa tudi v Buck režimu

delovanja.

5.5 Vodenje sklopa pretvornika

Osnovna funkcija močnostnega pretvornika je dvosmerni prenos energije med

enosmernim vodilom in superkondenzatorjem, ob tem pa mora zagotavljati

konstantno in stabilno napetost na enosmernem vodilu. Ključen pogoj za takšno

delovanje je dober regulator. Kot je že predhodno opisano, gre za digitalno kaskadno

regulacijo energije na enosmernem vodilu z dodatno notranjo tokovno zanko

regulacije toka IL, oziroma IC. Parametre obeh PI regulatorjev smo določili s

poskušanjem, delno tudi z uporabo metode po Ziegler-Nicholsu. Ob tem se ves čas

kažejo vplivi nelinearnosti regulacijske proge, pa tudi delovanje pretvornika v

širokem razponu napetostnem območju (Uizh/Uvh) zahteva mnogo poskušanja pri

nastavitvah parametrov. Z nastavljenimi parametri so bili rezultati stabilizacije

izhodne napetosti in odzivanja na spremembe bremena in referenčne vrednosti

zadovoljivi v vseh pogojih delovanja.

2

2CCU

2

2CCU

Slika 5-25 Shema vodenja kondenzatorskega hranilnika energije


5.6 Dinamični preizkus hranilnika energije s superkondenzatorjem

Preizkus odzivnosti kondenzatorskega vira je bil opravljen na dva načina, s

spremembo izhodne napetosti na enosmernem vodilu in z obremenitvijo vira s

pogonom motorja po standardnem voznem ciklu.

Slika 5-26 Merjeni signali pri dinamičnem testiranju sklopa superkondenzatorja

Superkondenzatorska enota s pretvornikom je bila priključena neposredno na

enosmerno vodilo za napajanje pretvornika. V hibridnem vozilu bi bil primarni vir

energije motor ICE, ki bi preko pogonskega elektromotorja dovajal energijo na

enosmerno vodilo, od tukaj pa v hranilnik energije. Pri preizkušanju pretvornika smo

energijo za posamezne meritve dovajali neposredno v superkondenzator iz zunanjega

enosmernega vira. Tako je bilo stanje napetosti/naboja na kondenzatorju pred vsako

meritvijo enako, s tem pa zagotovljena ponovljivost meritev.

Slika 5-26 prikazuje poenostavljeno priključno shemo z označenimi merjenimi

signali. Za zajemanje signalov je bil uporabljen štirikanalni spominski osciloskop z

možnostjo shranjevanja posnetih odzivov na zunanji pomnilnik. Napetostna signala

UC in UDC_link sta se zajemala preko napetostne merilne sonde, oba tokova IC in IDC_link

pa preko tokovne merilne sonde.

Pri hitrih spremembah referenčne napetosti enosmernega vodila so zaželjeni čim

hitrejši odzivi in stabilnost izhodne napetosti ne glede na obremenitev in smer pretoka

energije. Narejen je bil test na stopnično spremembo napetosti UDC_link_ref s 100 V na

200 V, odziv je prikazan na sliki

Slika 5-27.


UDClink

Uc

Ic

IL

50V/del

20V/del

20A/del

20A/del

Slika 5-27 Odziv izhoda kondenzatorskega hranilnika energije na stopnično spremembo

(pogoji: UC(t=0) =80 V, stopnična sprememba referenčne vrednosti UDC_link_ref s 100 V na 200 V)

V času trajanja prehodnega pojava (25 ms) se električna energija iz

superkondenzatorja SC preko Boost pretvornika prenese v skupno kapacitivnost na

enosmernem vodilu (C1 + CS). V tem primeru je bila omejitev toka IC nastavljena na

vrednost 50 A, kar ob napetosti UC določa maksimalno prenašano moč.

Slika 5-28 Odziv izhoda kondenzatorskega hranilnika energije na stopnično spremembo (pogoji: UC(t=0) =80 V, stopnična sprememba referenčne vrednosti z 200 V na 100 V)

Identičen je odziv pri stopnični spremembi referenčne vrednosti napetosti UDC_link_ref

iz 200 V na 100 V (Slika 5-28). V tem primeru se energija prenese z enosmernega


vodila v superkondenzator preko Buck pretvornika. Ob enakih ostalih pogojih

poskusa je čas prehodnega pojava enak kot v prejšnjem primeru.

Naslednji, končni poskus, je bilo vodenje motorja po hitrostnem profilu, ki ustreza

voznemu ciklu ECE-15. Bremenski navor je bil generiran iz enote za obremenjevanje

z enakimi pogoji, kot bi veljale med vožnjo vozila *.

* Izjema je bilo le za 40% zmanjšana vrednost referenčne hitrosti, saj zaradi aktiviranja pretokovne zaščite nazivnega

toka pretvornika glavnega pogonskega motorja ni bilo mogoče izvesti pogona motorja s polnim navorom. Zaradi specifične

narave trakcijskega pogona bi bilo potrebno servopogon in njegove zaščitne funkcije nekoliko modificirati.

Pogonski elektromotor je energijo za delovanje dobival (preko servoregulatorja,

enosmernega vodila in DC/DC pretvornika) iz superkondenzatorja, shema na sliki

Slika 5-26. Napetost enosmernega vodila je znašala UDC_link =200 V, začetna vrednost

napetosti na superkondenzatorju pa UC =84 V.

Slika 5-29 prikazuje časovni potek veličin celotnega pogonskega sklopa po voznem

ciklu ECE-15. Voden hranilnik energije s superkondenzatorjem zagotavlja zelo

stabilno napetost 200 V, napajalni tok servopogona IDC_link pa je ob konstantni

napetosti proporcionalen oddajani moči motornega pogona. Dinamika toka IC

superkondenzatorja po obliki ustreza obliki izhodnega toka pretvornika IDC_link, z za

faktor napetostnega prestavnega razmerja (UDC_link/UC) večjo amplitudo. Pri danem

poskusu je iz spreminjanja UC (violična krivulja) razvidna poraba energije. Vsi signali

so bili v osciloskopu filtrirani z nizkopropustnim sitom frekvence 1Hz, da se zmanjša

šum v signalu.

Slika 5-29 Odziv kondenzatorskega hranilnika električne energije ob obremenitvi

(pogoji: UDC_link =200 V, UC(t=0) =84 V , vodenje pogonskega motorja po voznem ciklu ECE-15)


ωUc

IDC_link

IC

2000min-1

del

20V/del

5A/del

10A/del

Slika 5-30 Odziv kondenzatorskega hranilnika električne energije pri obremenitvi

(pogoji: UDC_link =250 V, UC(t=0) =90 V , vodenje pogonskega motorja po voznem ciklu ECE-15)

Odziv na sliki Slika 5-30 prikazuje identičen poskus, le da je napetost enosmernega

vodila povišana na UDC_link =250 V. Pri enaki moči je tok v enosmernem vodilu

IDC_link ustrezno manjši.


6 Zaključek

V okviru naloge je bilo uspešno zasnovano in realizirano preizkuševališče za

električne in hibridne pogone. Izdelana je bila mehanska konstrukcija, na kateri so z

gredmi paralelno povezani trije neodvisni pogonski sklopi. Namensko predelan motor

z notranjim izgorevanjem je sedaj možno voditi preko električnih signalov, pa tudi

pasivno vrteti zaradi dodanega sklopa za dekompresijo izgorevalnega prostora. Za

vodenje po navoru je prilagojen tudi pogonski, dinamično visokozmogljiv AC PM

servomotor. Funkcija obremenjevanja (simulacija vožnje) je realizirana z električnim

reguliranim AC PM servopogonom, ki se napaja neodvisno iz električnega omrežja, v

generatorskem režimu pa moč disipativno troši na bremenskem uporu. Vsi trije

pogonski sklopi so signalno priključeni na namensko razvit signalni vmesnik, ki

prilagaja vse vhodno/izhodne signale na krmilnik DSP-2.

Preizkuševališče kot celoto dopolnjuje enota za shranjevanje električne energije, pri

čemer je v nalogi podrobneje opisana superkondenzatorska enota. Za sklop

superkondenzatorja z dvosmernim Buck/Boost pretvornikom je bil narejen natančen

simulacijski model, ki je vključeval tudi posebno izvedbo PWM modulatorja in

stikalno delovanje močnostnega pretvornika. S simulacijo delovanja je bil potrjen tudi

koncept vodenja pretvornika po količini električne energije na enosmernem vodilu.

Simulacijski program Simulink SimPowerSystems/MATLAB se je izkazal tudi kot

primerno orodje za dimenzioniranje nekaterih elementov pretvornika.

V naslednji fazi je bil izdelan prototip močnostnega stikalnega pretvornika in v sklopu

kondenzatorskega hranilnika energije priključen na skupno enosmerno vodilo

glavnega električnega pogona. Posebna pozornost je bila posvečena izvedbi

močnostnega tokokroga pretvornika in priključitvi integrirane krmilne stopnje, prav

tako pa tudi kakovostnemu zajemu tokovnega in obeh napetostnih signalov.

Predhodno razviti in simulirani algoritmi vodenja pretvornika za hranjenje energije v

superkondenzatorju so bili uspešno vključeni in preizkušeni tudi na objektu.

Izmerjene statične lastnosti in izkoristek ter različni dinamični odzivi, tudi z

obremenjevanjem glavnega pogona po standardnem voznem ciklu, so pokazali dobre

rezultate in upravičenost uporabe hranilnika električne energije s

superkondenzatorjem.

Za v prihodnje je predvidena še priključitev akumulatorske baterije preko enakega

pretvornika, nato pa z obema sklopoma kot celoto zagotoviti avtonomni vir električne


energije za vozilo. S pomočjo sodobnih nelinearnih algoritmov bo potrebno izvesti še

celovit sistem vodenja pretokov energije med posameznimi enotami. Predvidena je

tudi implementacija nekaterih inovativnih konceptov vodenja celotnega pogonskega

agregata in še posebej hranilnika električne energije v odvisnosti od planirane poti in

nekaterih zunanjih pogojev.

Na osnovi tega bo možno narediti tudi preizkuse kompletnega hibridnega pogona na

različne vozne cikle kot tudi meritve izkoriščenosti goriva ob različnih strategijah

vodenja obeh pogonskih sklopov.


7 Literatura:

[1] Analysis of Supercapacitor as Second Source Based on Fuel Cell Power

Generation Thounthong, P.; Rael, S.; Davat, B.; Energy Conversion, IEEE

Transactions on

Volume: 24 , Issue: 1 Digital Object Identifier: 10.1109/TEC.2008.2003216

Publication Year: 2009 , Page(s): 247 - 255

[2] Comparative Study of Fuel-Cell Vehicle Hybridization with Battery or

Supercapacitor Storage Device, Thounthong, P.; Chunkag, V.; Sethakul, P.;

Davat, B.; Hinaje, M.;

Vehicular Technology, IEEE Transactions on

Volume: 58 , Issue: 8

Digital Object Identifier: 10.1109/TVT.2009.2028571

Publication Year: 2009 , Page(s): 3892 – 3904, IEEE Journals

[3] Performance investigation of fuel cell/battery and fuel cell/supercapacitor hybrid

sources for electric vehicle applications, Thounthong, P.; Sethakul, P.; Rael, S.;

Davat, B.;

Power Electronics, Machines and Drives, 2008. PEMD 2008. 4th IET

Conference on


[4] Control of fuel cell/battery/supercapacitor hybrid source for vehicle applications

Thounthong, P.; Sethakul, P.; Rael, S.; Davat, B.;

Industrial Technology, 2009. ICIT 2009. IEEE International Conference on

Digital Object Identifier: 10.1109/ICIT.2009.4939566


[5] Performance Evaluation of Fuel Cell/Battery/Supercapacitor Hybrid Power

Source for Vehicle Applications, Thounthong, P.; Sethakul, P.; Rael, S.; Davat,

B.;

Industry Applications Society Annual Meeting, 2009. IAS 2009. IEEE

Digital Object Identifier: 10.1109/IAS.2009.5324894


[6] Drive friendly, Thounthong, P.; Davat, B.; Rael, S.;

Power and Energy Magazine, IEEE



Digital Object Identifier: 10.1109/MPAE.2008.4412942

Publication Year: 2008 , Page(s): 69 – 76

[7] Fuel cell-based hybrid systems, Davat, B.; Astier, S.; Azib, T.; Bethoux, O.;

Candusso, D.; Coquery, G.; De Bernardinis, A.; Druart, F.; Francois, B.;

Arregui, M.G.; Harel, F.; Hissel, D.; Martin, J.-P.; Pera, M.-C.; Pierfederici, S.;

Rael, S.; Riu, D.; Sailler, S.; Bultel, Y.; Creuzet, T.; Turpin, C.; Zhou, T.;

Advanced Electromechanical Motion Systems & Electric Drives Joint

Symposium, 2009. ELECTROMOTION 2009. 8th International Symposium on

Digital Object Identifier: 10.1109/ELECTROMOTION.2009.5259131


[8] The benefits of hybridization, Thounthong, P.; Rael, S.;

Industrial Electronics Magazine, IEEE


Digital Object Identifier: 10.1109/MIE.2009.933885


[9] Modeling and Control of Fuel Cell/Supercapacitor Hybrid Source Based on

Differential Flatness-Control, Thounthong, P.; Pierfederici, S.; Martin, J.-P.;

Hinaje, M.; Davat, B.;

Vehicular Technology, IEEE Transactions on

Volume: PP , Issue: 99

Digital Object Identifier: 10.1109/TVT.2010.2046759


[10] A stand-alone photovoltaic supercapacitor battery hybrid energy storage system

Glavin, M.E.; Chan, P.K.W.; Armstrong, S.; Hurley, W.G.;

Power Electronics and Motion Control Conference, 2008. EPE-PEMC 2008.

Digital Object Identifier: 10.1109/EPEPEMC.2008.4635510


[11] DSP2 User's Manual, University of Maribor, Faculty of Electrical Engineering

and Computer Science, Institute of Robotics, Smetanova ulica 17, 2000

MARIBOR, SLOVENIA

[12] Močnostna elektronika, Miro Milanovič, Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko, Univerza v Mariboru, v Mariboru, november 2007

[13] Superkondenzator 42F/100V, Maxwell, tip BMOD0250-16.2V, spletna stran,

http://www.maxwell.com/ultracapacitors/products/index.asp


[14] Vozilo Aixam Mega, spletna stran,

http://www.aixam.si/mega-kesonar-tp.php

[15] Motor Honda GX 160, spletna stran,

http://www.honda-engines.com/engines/gx160.htm

[16] Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals,

Theory, and Design, Second Edition; By Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, and Ali

Emadi; CRC Press, 2009; 557 pp.

[17] Bosch, Automotive handbook, Robert Bosch GmbH, Karlsruhe, 2000

[18] Servopogon Control Techniques, spletna stran, http://ps-log.si/

IZJAVA O OBJAVI ELEKTRONSKE VERZIJE MAGISTRSKE NALOGE IN OSEBNIH PODATKOV, VEZANIH NA ZAKLJUČEK ŠTUDIJA

Ime in priimek magistranta: Marijan Španer Vpisna številka: 95021880 Študijski program: elektrotehnika Naslov doktorskega dela: Hranilniki energije pri hibridnih pogonih Mentor: red.prof.dr Karel Jezernik Podpisani soglašam z objavo magistrskega dela v Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru. Tiskana verzija magistrskega dela je istovetna elektronski verziji, ki sem jo oddal v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru. Podpisani hkrati izjavljam, da dovoljujem objavo osebnih podatkov, vezanih na zaključek študija (ime, priimek, leto in kraj rojstva, datum diplomiranja, naslov diplomskega dela) na spletnih straneh in v publikacijah Univerze v Mariboru. Datum in kraj: Podpis magistranda:

V Mariboru, 20. septembra 2010

IZJAVA MAGISTRSKEGA KANDIDATA

Podpisani Marijan Španer, vpisna številka 95021880,

i z j a v l j a m,

da je magistrsko delo z naslovom »Hranilniki energije pri hibridnih pogonih«

rezultat lastnega raziskovalnega dela,

da predloženo magistrsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

da so rezultati korektno navedeni in

da nisem kršil avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih.

Podpis magistrskega kandidata:

IZJAVA KANDIDATOVEGA MENTORJA O USTREZNOSTI MAGISTRSKEGA DELA

Podpisani Karel Jezernik, mentor kandidatu magistrskega študija, izjavljam, da je magistrsko

delo z naslovom “Hranilniki energije pri hibridnih pogonih”, ki ga je izdelal kandidat

magistrskega študija Marijan Španer, v skladu z odobreno temo, Pravilnikom o pripravi in

zagovoru magistrskega dela ter mojimi navodili in predstavlja izviren prispevek k razvoju

znanstvene discipline.

Datum in kraj: Podpis mentorja: V Mariboru, 20. septembra 2010

ČunalniŠtvo in informatiko marijan Španer

Documents