Шум и загрязнение атмосферы автомобильным транспортом не являются единственными недостатками автомабильного транспорта. Автомобили являются одними из основных потребителей углеводородных ресурсов, запас которых по оценкам экспертов закончится к 2030-2040 году. Одним из перспективных направлений преодоления указанных недостатков является использование тягового электропривода вместо двигателя внутренного сгорания. Так к 2020 году в Германии поставлена задача эксплуатации 1 млн электромобилей [1]. В этом случае появляется возможность сбережения кинетической энергии путем ее аккумуляции в источнике.
На сегодняшний день самым слабым звеном электромобиля является аккумуляторная батарея (АКБ). С производством литий-ионных и литий-полимерных батарей удалось достигнуть высоких удельных характеристик батарей, однако пробег на одной зарядке по прежнему не превышает 200-250 км [1-3]. При этом присутствует еще одна проблема чувствительности электрохимического источника к большим токам заряда, которые потребляются при движении с уклона или при интенсивном торможении. В этом случае предлагается производить перераспределение энергии рекуперации между аккумуляторной батареей и суперконденсатором (СКБ), которые вместе составляют гибридный источник электрической энергии [1].
В работе предлагается использование схемы рис. 1. Она состоит двух преобразователей постоянного напряжения (ПН), обеспечивающих работу гибридного источника электрической энергии, и третьего преобразователя (П), обеспечивающего питание двигателя (Д). Данная схема имеет промежуточное звено постоянного тока в виде накопительного конденсатора С с напряжением звена постоянного тока Ud.
Рисунок 1 – Общая функциональная схема работы гибридного источника, питающего тяговый электропривод
Каждый ПН представляет собой импульсный преобразователь, который работает в повышающем режиме при разряде АКБ или СКБ, и в понижающем режиме при заряде. Таким образом, напряжение в звене постоянного тока оказывается выше, чем напряжение АКБ.
При использовании в качестве Д машины постоянного тока, П также выполняется в виде ПН. При этом реверс возможен за счет изменения направления тока цепи возбуждения [4]. Питание асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором или синхронного двигателя с постоянными магнитами возможно за счет использования автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией.
В сравнении с известными [1-3], предложенная схема позволяет полностью управлять потоками энергии, согласовать напряжение АКБ и Д за счет его повышения, характеризуется возможностью увеличения напряжения СКБ выше напряжения АКБ до 5 раз [2-3]. При этом возможность повышения напряжения СКБ увеличивает возможности накапливания заряда рекуперации, однако ограничена его номинальным напряжением и номинальным напряжением полупроводниковых ключей входящих в состав ПН.
Эффективность работы схемы определяется максимальным и минимальным напряжением СКБ, значения которых определяют количество тормозной энергии, которая может запасена в СКБ:
| WСКБ ≈ (UСКБmax + UСКБmin) IСКБ * tСКБ/2 = ССКБ (UСКБmax2 - UСКБmin2)/2 |
где UСКБmax, UСКБmin – максимальное и минимальное значения напряжения СКБ; IСКБ – средний ток заряда СКБ за период времени ее работы tСКБ = ССКБ (UСКБmax - UСКБmin)/IСКБ.
Расчет емкости суперконденсатора ССКБ возможен исходя из допустимой энергии торможения тягового электропривода:
| Wт = Мт ωд ηд ηп ηпн ηскб |
где Мт – среднее значение тормозного момента за время tСКБ; ωд – угловая скорость Д; д = 0,8-0,9 - КПД Д; ηпн, ηп = 0,98 – КПД преобразователей; ηскб = 0,95 – КПД СКБ.
При условии, что Wт < WСКБ, СКБ может работать как буферный элемент, заряжаясь энергией торможения до напряжения не превышащего значение UСКБmax, и разряжаясь до напряжения UСКБmin.
Вывод:
Представленная схема может быть использована для питания электрических машин постоянного или переменного тока, аккумуляторных батарей разных напряжений. Ее отличием является использование дополнительного преобразователя напряжения (ПН), установленного со стороны АКБ. В сравнении с известными, данная схема позволяет полностью управлять энергетическими процессами (рис. 1). Кроме того, она имеет еще одно достоинство – возможность увеличения напряжения суперконденсатора до 5 раз выше напряжения батареи.
Дальнейшим направлением исследований является рациональный выбор UСКБmin с целью уменьшения емкости СКБ.
Список использованной литературы
1. Клепиков В. Б. РЕКУПЕРАТИВНЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ С СУПЕРКОНДЕНСАТОРАМИ / В. Б. Клепиков, А. С. Гончар //
Електромеханічні і енергозберігаючі системи
– Кременчук: КрНУ, 2012. – Вип. 3/2012 (19), С. 216-218.
2. Staunton R. H. Evaluation of 2004 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System / R. H. Staunton, C. W. Ayers, L. D. Marlino //
OAK ridge national laboratory, Tennessee, U. S. Department of energy. – May, 2006. – P. 86
3. Matsumoto S. (TOYOTA MOTOR CORPORATION), Advancement of hybrid vehicle technology / S. Matsumoto. 11th European Conference on Power Electronics
and Application EPE. – Dresden. – 2005. – Р. 1-7
4. Curtis PMC 1209B/1221B, 1221C/1231C Motor Controllers / Manual, rev. D. – 1999. РЕЖ. ДОСТУПУ: www.curtisinstruments.com/index.cfm?fuseaction=ProductsGrid.Series.