ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra elektrických pohonů a trakce
Závěrečná zpráva studijní etapy doktorandského studia na téma
REKUPERAČNÍ SYSTÉM SE SUPERKONDENZÁTOREM
Ing. Vladek Pavelka 3.3.2003
Obsah Obsah.......................................................................................................................................2 1
Úvod..................................................................................................................................3
2
Experimentální pracoviště.................................................................................................3
3
Superkondenzátor.............................................................................................................6
4
5
6
3.1
Technologie ...............................................................................................................6
3.2
Vlastnosti ...................................................................................................................7
3.3
Použití ........................................................................................................................8
Rekuperační systém .........................................................................................................9 4.1
Výchozí parametry .....................................................................................................9
4.2
Přepěťový obvod........................................................................................................9
4.3
Rekuperační obvod..................................................................................................10
4.3.1
Rekuperační měnič...........................................................................................10
4.3.2
Tlumivka ...........................................................................................................11
4.3.3
Superkondenzátor ............................................................................................11
Funkce rekuperačního obvodu........................................................................................15 5.1
Režim práce měniče ................................................................................................15
5.2
Snižovací měnič napětí............................................................................................15
5.3
Zvyšovací měnič napětí ...........................................................................................19
Řízení rekuperačního měniče .........................................................................................23 6.1
Regulační schéma ...................................................................................................23
6.1.1
Regulátor proudu ..............................................................................................24
6.1.2
Regulátor napětí ...............................................................................................24
6.2
Matematický model ..................................................................................................24
7
Realizace řízení ..............................................................................................................26
8
Závěr ...............................................................................................................................27
Literatura ................................................................................................................................27
2
1
Úvod
Rámcové téma mé disertační práce „Hybridní pohon automobilu“ vzešlo z očekávané úzké vazby studia a mé práce ve Výzkumném centru spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka, zřízeném v rámci Katedry elektrických pohonů a trakce. Během projektování experimentálního pracoviště hybridního pohonu jsem se ujal návrhu rekuperačního systému, který by měl umožňovat akumulaci brzdné popřípadě přebytečné energie vozidla a její následné využití k jeho rozjezdu či urychlení. V okamžiku naplnění akumulačního členu musí být systém také schopen zajistit jinou "spotřebu" přebytečné energie. Základní projekt byl dokončen v polovině roku 2002 a v současné chvíli je externí firmou dokončována celková montáž pracoviště. Mým dalším úkolem je zprovoznění rekuperačního systému a realizace jeho řízení. Následovat by měla experimentální měření, s cílem prokázat funkčnost systému a porovnat praktické výsledky měření s dříve provedenými matematickými simulacemi. V předložené práci je uveden popis realizovaného rekuperačního systému, teoretický rozbor jeho funkce, výsledky simulací a současný stav praktické realizace řízení.
2 Experimentální pracoviště Blokové schéma experimentálního pracoviště, jehož součástí je rekuperační obvod, je uvedeno na obrázku 2.1. Jedná se pouze o základní ideové schéma. Ve skutečnosti jsou spalovací motor i kola pomyslného vozidla nahrazeny elektrickými pohony (asynchronními motory s měniči frekvence), které budou řízeny odpovídajícím způsobem.
super kondenzátor - rekuperační obvod
=
ss. měnič napětí
=
ss. meziobvod řízený usměrňovač
spalovací motor
=
= ~
~
střídač
trakční motor
elektrický dělič výkonu
Obr.2.1 Blokové schéma experimentálního pracoviště
3
Elektrický dělič výkonu je realizován synchronním generátorem s permanentními magnety a otočným statorem i rotorem. Napětí indukované na jeho svorkách je obecně dáno rozdílem otáček statoru a rotoru, tedy rozdílem otáček spalovacího motoru a kol vozidla. Toto napětí je přes řízený usměrňovač přivedeno do stejnosměrného meziobvodu. Z meziobvodu lze pak přes střídač napájet trakční motor. Výsledný hnací moment kol vozidla je dán součtem hnacího momentu od děliče výkonu a od trakčního motoru. Výkonové parametry jednotlivých částí hybridního pohonu jsou uvedeny v tabulce 2.1. funkce spalovací motor dělič výkonu
popis 3f asynchronní motor s frekvenčním měničem 3f synchronní generátor s permanentními magnety a otočným statorem i rotorem
trakční motor
3f asynchronní motor
řízený usměrňovač
laboratorní výkonový modul
střídač
laboratorní výkonový modul
kola
3f asynchronní motor s frekvenčním měničem
parametry 3x400V, 13.8A, 7.5kW, 2930min-1, (max 6000min-1) 3x486V, 5kW, 4000min-1,............ (max 6000min-1) 3x230V, 11.1A, 3kW, 1420 min-1, (max 6000min-1) AC: 3x500V, 25A DC: 720V, 50A AC: 3x500V, 25A DC: 720V, 50A 3x400V, 13.8A, 7.5kW, 2930min-1, (max 6000min-1)
Tab.2.1 Parametry hybridního pohonu
Velikost napětí ve stejnosměrném meziobvodě je proměnná a závisí na okamžitém stavu řízení celého soustrojí. Jestliže el. výkon dodávaný do meziobvodu není roven výkonu odebíranému, dochází k vybíjení či nabíjení filtračních kondenzátorů a tedy ke změně velikosti napětí meziobvodu. Úkolem navrženého rekuperačního systému je umožnit odběr přebytečného výkonu z meziobvodu, uchování takto získané energie a její pozdější vrácení do meziobvodu. Původní projekt experimentálního pracoviště vlastně s rekuperačním systémem nepočítal. Zdrojem el. energie pro elektrickou síť pomyslného automobilu měl být klasický olověný akumulátor, připojený přes měnič napětí k ss. meziobvodu. Případná rekuperace brzdné energie vozidla formou dobíjení akumulátoru by měla velmi nízkou účinnost a navíc by podstatně snižovala jeho životnost. Elektrochemický článek, jak známo, vyžaduje pozvolné dobíjení, nikoli velké proudové špičky vznikající při prudkém brždění vozidla. V době návrhu el. parametrů akumulátoru a výběru případného dodavatele jsme se dozvěděli o tzv. superkondenzátoru. Vlastnosti této součástky nás velmi zaujaly a po konzultacích s obchodním zástupcem německé firmy Epcos, výrobcem superkondenzátorů, jsme se rozhodli pro objednávku této moderní součástky. Superkondenzátor (viz. kapitola 3.2) předčí elektrochemický článek v řadě vlastností, zcela nahradit jej ale nemůže. Důvodem je prozatím jeho řádově nižší měrná objemová energie. Perspektivou v oblasti energetických systémů automobilů je proto paralelní spolupráce superkondenzátoru a dosavadního akumulátoru.
4
V budoucnu lze tedy počítat s doplněním našeho experimentálního pracoviště o původně zamýšlený olověný akumulátor.
přepěťový čopr
čidla napětí výkonový modul Semikron
superkondenzátorová baterie
tlumivka (umístěna ve vedlejší skříni)
„spalovací motor“
výkonový dělič
trakční motor
„kola vozidla“
Obr.2.2 Pohled na vybrané části experimentálního stanoviště hybridního pohonu (skříň rekuperačního systému a rotační soustrojí)
5
3 Superkondenzátor Kondenzátor je jediná součástka, ve které lze akumulovat energii přímo v elektrické formě. U všech ostatních typů akumulátorů je energie uchovávána v mechanické, chemické nebo magnetické formě. Pro akumulaci elektrické energie je tedy kondenzátor principielně nejvýhodnější, jelikož není nutné energii před akumulací transformovat do jiné formy. Každá přeměna formy energie je totiž spojena se ztrátami, případně i škodlivými vedlejšími jevy. Další nevýhodou může být omezená rychlost přeměny energie, která zároveň omezuje proudovou zatížitelnost akumulátoru. Běžný elektrolytický kondenzátor není pro akumulaci el. energie vhodný, vzhledem ke své nízké měrné energii (0.01 Wh/kg). V posledních letech se ovšem začíná hovořit o tzv. superkondenzátoru (příp. ultrakondenzátoru), jehož měrná energie je až 100 x vyšší. Také měrný výkon této součástky je relativně vysoký a tak se superkondenzátor jeví jako perspektivní akumulátor elektrické energie. 3.1
Technologie
Princip uchování energie v superkondenzátoru vychází z efektu, který popsal již v roce 1856 K. Hemholtz. Jedná se o vytvoření elektrochemické dvouvrstvy po přiložení napětí na elektrody ponořené ve vodivé tekutině. Proto je superkondenzátor někdy také nazýván elektrochemickým dvouvrstvým kondenzátorem. Stejně jako u běžného kondenzátoru je zde energie uchovávána v elektrostatickém poli.
Obr.3.1 Řez superkondenzátorovým článkem
V nenabitém stavu jsou částice s nenulovým nábojem (ionty) rovnoměrně rozloženy ve vodivé tekutině, elektrolytu, který se nachází mezi elektrodami. Po přiložení napětí na elektrody se začnou záporné ionty pohybovat ke kladné elektrodě a naopak kladné ionty k záporné elektrodě. Na obou elektrodách se tak vytvoří dvouvrstva se zrcadlovým rozložením elektrického náboje. Použitelné napětí je omezeno hodnotou disociačního napětí, 6
při které jsou náboje z elektrod schopny přejít k iontům v elektrolytu. Při vyšším než disociačním napětí dochází k chemickým reakcím, které vedou k vývinu vzduchu a následnému zničení kondenzátoru. U elektrolytů na bázi vody je tato napěťová hranice 1.2 V, zatímco u elektrolytů na bázi organických rozpouštědel se tato napěťová hranice pohybuje v rozmezí 2 až 3 V. Materiálem vhodným pro elektrody superkondenzátoru se ukázal být aktivovaný uhlík. Důvodem je velká dosažitelná plocha skutečného povrchu (vysoká poréznost), chemická netečnost, elektrická vodivost a relativně nízká cena. Lze dosáhnout povrchu elektrod až 2000 m2/g, což při extremně malé tloušťce dvouvrstvy (do 10 nm) znamená kapacitu řádově tisíců Farad ve velmi malém objemu. Pro ilustraci: superkondenzátor s parametry 600 F / 2.3 V (obr.3.1) má rozměry 4 x 6 x 9 cm a váží pouze 290 g. Jeho měrný výkon (vztažený k objemu i hmotnosti) je tak v porovnání s elektrolytickým kondenzátorem přibližně 100 x vyšší. Elektrody superkondenzátoru jsou vytvořeny paralelním propojením porézních uhlíkových „plátů“, ponořených ve vysoce vodivém organickém elektrolytu. Elektrické připojení je realizováno spojením uhlíkového plátu s hliníkovou fólií. Jednotlivé elektrody jsou navzájem odděleny tenkými separátory z papíru, polymerů nebo skleněných vláken. Narozdíl od baterie, ve které je energie uchovávána přeměnou chemických vazeb, spočívá činnost dvouvrstvého kondenzátoru v prostém posuvu iontů v elektrickém poli. Jelikož u elektrod nedochází při nabíjení a vybíjení k žádné látkové přeměně, dosahuje superkondenzátor velmi vysoké životnosti a, pro kondenzátor typického, vysokého počtu cyklů. 3.2
Vlastnosti
V tabulce 3.1 je uvedeno porovnání výkonových parametrů superkondenzátoru, olověné baterie a běžného elektrolytického kondenzátoru. Jak je vidět, superkondenzátor má 10 až 20 x vyšší měrný výkon oproti baterii a vyznačuje se podstatně kratší nabíjecí i vybíjecí dobou. V porovnání s běžným kondenzátorem lze naopak vyzdvihnout jeho měrnou energii, která je až 100 x vyšší. Svými parametry leží tedy superkondenzátor v oblasti mezi baterií a elektrolytickým kondenzátorem. nabíjecí doba vybíjecí doba měrná energie [Wh/kg] měrný výkon [W/kg] životnost [cyklů] účinnost nabíjení a vybíjení [%]
olověná baterie 1–5h 0,3 – 3 h 10 - 100 < 1000 1000 70 – 85
superkondenzátor 0,3 – 30 s 0,3 – 30 s 1 – 10 < 10 000 > 500 000 85 –98
běžný kondenzátor 10-3 – 10-6 s 10-3 – 10-6 s < 0,1 <100 000 > 500 000 > 95
Tab.3.1 Srovnání parametrů olověné baterie, superkondenzátoru a běžného kondenzátoru
Významným kladem superkondenzátoru je jeho bezproblémová funkce při nízkých teplotách a to až do –40 °C. Narozdíl od baterie je také zcela bezúdržbový a jeho životnost je díky vysokému počtu nabíjecích a vybíjecích cyklů dostatečně dlouhá. Ani následná likvidace není problematická, nejsou nutná žádná zvláštní opatření. V neposlední řadě je velkým kladem superkondenzátoru možnost jednoduchého určení velikosti akumulované energie resp. „stavu 7
nabití“ z velikosti napětí. Narozdíl od chemického článku, kde tomu tak není a určení skutečného stavu nabití článku je velmi problematické. 3.3
Použití
Z hlediska použití lze očekávat nasazení superkondenzátorů ve dvou oblastech. Vzhledem k poměrně vysoké měrné energii je superkondenzátor schopen plnit funkci nouzového záložního zdroje el. energie u zařízení s malým příkonem. Při řádné funkci zařízení je superkondenzátor nabíjen z primárního zdroje el. energie, při jeho výpadku se pak stává náhradním zdrojem. Stává se tak v této oblasti alternativou k doposud používaným bateriím. Druhá oblast nasazení vyplývá z vysokého měrného výkonu superkondenzátoru, neboli jeho schopnosti dodávat velký špičkový proud. Do této oblasti spadá i hybridní pohon automobilu, ve kterém plní roli hlavního zdroje energie spalovací motor. Využití superkondenzátoru se předpokládá pro dvě základní činnosti. Jako akumulátoru brzdné energie a jako zdroje špičkového výkonu pro start spalovacího motoru a pro urychlení vozidla. Startér v automobilu odebírá při startování proud několik set ampér. Takto vysoký proud znamená pro běžně používanou baterii velkou zátěž a výrazně urychluje její stárnutí. U superkondenzátoru tomu tak není. Ten je schopen bez potíží dodávat proud až 400 A po dobu několika vteřin, což je pro nastartování motoru dostatečně dlouhá doba. Díky superkondenzátoru je tedy možné podstatně snížit proudové dimenzování baterie a tím i její velikost. Před startem je však nutné, aby byl superkondenzátor plně nabit. Toho může být dosaženo buď již zmíněnou předchozí akumulací brzdné energie, nebo pozvolným nabitím z baterie.
8
4 Rekuperační systém Hlavní částí realizovaného rekuperačního systému je výkonový rekuperační obvod (viz. obr.2.1), sestávající z měniče napětí a superkondenzátoru. Vhodným řízením měniče lze obousměrně přenášet el. energii mezi ss. meziobvodem a superkondenzátorem. Další, nezávislou částí systému je výkonový přepěťový obvod, tvořený přepěťovým měničem ("čoprem") a brzdným odporem. Tento obvod má ochrannou funkci, umožňuje maření přebytečné energie z meziobvodu v odporu. Zbylou částí rekuperačního systému jsou řídící a ochranné obvody. Schéma zapojení rekuperačního systému je uvedeno na obrázku 4.1. přepěťový měnič
rekuperační měnič
tlumivka stejnosměrný meziobvod brzdný odpor
filtrační kondenzátor superkondenzátor
čidlo napětí
modul rozhraní monitorovací a nadřazená řídící jednotka
řídící jednotka
Obr.4.1 Rekuperační systém
4.1
Výchozí parametry
Návrh el. parametrů rekuperačního systému vycházel z parametrů již navržené části měřícího stanoviště (viz. tab.2.1). Velikost napětí ve stejnosměrném meziobvodě je proměnná a závisí na okamžitém stavu řízení celého soustrojí. Jmenovité hodnoty meziobvodu jsou 720 V, 50 A. Maximální výkon, který jsme schopni transportovat obvodem je tedy 720 x 50 = 36 kW. Jmenovité výkony synchronního generátoru (výkonového děliče) a trakčního motoru jsou však pouze 5 kW resp. 3 kW. Zde je vidět, že jak řízený usměrňovač, tak střídač, které určují parametry meziobvodu, jsou výkonově značně předimenzovány. S ohledem na výše uvedené hodnoty byla velikost výkonu, který by měl být rekuperační systém schopen „zpracovat“, stanovena na 5 kW. 4.2
Přepěťový obvod
Přepěťový obvod plní ochrannou funkci meziobvodu resp. k němu připojených zařízení (měničů). V případě, že energie dodávaná do meziobvodu není současně odváděna, dochází 9
k nárůstu napětí v meziobvodě. Vzhledem k relativně malé kapacitě filtračních kondenzátorů (cca. 15mF), může být nárůst napětí velmi rychlý. Jakmile dosáhne napětí povolené maximální hodnoty, je třeba výkon dodávaný do meziobvodu začít spotřebovávat a zabránit tak dalšímu zvyšování napětí. Toto je úkolem výkonového přepěťového obvodu, který sestává z přepěťového měniče, tvořeného jedním spínacím IGBT tranzistorem, a ovládací jednotky. Ovládací jednotka neustále porovnává napětí meziobvodu s pevně nastavenou mezí a při jejím překročení spíná IGBT. Sepnutí IGBT způsobí vybíjení filtračních kondenzátorů do brzdného odporu. Energie se tak maří ve formě Joulových ztrát (tepla) v odporu. Ohledně zapojení přepěťového obvodu je nutné poznamenat, že k brzdnému odporu je paralelně připojena „zpětná“ dioda. Důvodem je parazitní indukčnost odporu, která by mohla způsobit značné přepětí a následný průraz IGBT v okamžiku jeho vypínání. Parametry měniče jsou 800 V, 7 A. Parametry brzdného odporu jsou 100 Ω, 7 A, 4.9 kW. V krajním případě jsme tedy schopni v odporu trvale mařit výkon téměř 5 kW.
Obr.4.2 Přepěťový měnič (6x9x15 cm)
4.3
Obr.4.3 Brzdný odpor (40x30x80 cm)
Rekuperační obvod
Rekuperační obvod umožňuje akumulovat brzdnou energii vozidla popřípadě přebytečnou energii spalovacího motoru. Získanou energii lze následně využít ke startu spalovacího motoru, rozjezdu vozidla resp. jeho urychlení. Samotný výkonový obvod sestává z rekuperačního měniče, tlumivky a superkondenzátoru (viz. obrázek 4.1). 4.3.1
Rekuperační měnič
Funkci rekuperačního měniče plní výkonový modul Semikron SkiiP 942GB120-317CTV. Jedná se o integrovaný, inteligentní modul s čidly proudu a teploty. Vnitřní ochranná logika modulu zajišťuje odpojení řídících impulsů v případě nadproudu, přehřátí, či poklesu napájecího napětí. Zajímavostí je tvrzení výrobce, že modul nelze díky jeho integrované ochraně proudově zničit. Výkonová část modulu sestává ze tří větví po dvou IGBT, které je nutno paralelně propojit (viz. obrázek 4.4).
10
jmenovitý proud jmenovité napětí max. spínací frekvence max. dovolená teplota
900 A 1200 V 16 kHz 110 °C
Parametry modulu jsou uvedeny v tabulce 4.1. Je nutno upozornit, že jmenovitý proud je vztažen k teplotě modulu 25 °C. Takovou teplotu však v praxi většinou nelze zaručit a skutečný jmenovitý proud se obvykle uvažuje
přibližně poloviční. Tab.4.1 Parametry výkonového modulu
Výkonový modul spolu s tlumivkou tvoří dohromady tzv. přímý dvoukvadrantový stejnosměrný měnič napětí, který umožňuje tok proudu oběma směry při jedné polaritě napětí. Uvedené zapojení měniče (viz. obrázek 4.1) představuje nejjednodušší známou topologii, jejíž výhodou je minimum potřebných spínacích prvků a tedy nízké finanční náklady. Mezi hlavní nevýhody patří napěťové špičky vznikající u měniče na straně vyššího napětí (v našem případě strana meziobvodu), které ohrožují spínací prvky. S cílem omezit tyto špičky se přímo na svorky výkonového modulu umisťují rychlé filtrační kondenzátory a je nutné docílit co nejnižší indukčnosti přívodů z meziobvodu. Bližší rozbor funkce rekuperačního obvodu je uveden v kapitole5.
Obr.4.4 Výkonový modul Semikron (28x22x16 cm, 10 kg)
4.3.2
Obr.4.5 Tlumivka (35x38x11 cm, 33 kg)
Tlumivka
Parametry použité tlumivky jsou 1 mH, 100 A. Jedná se o vzduchovou 1f tlumivku navinutou z měděného plochého vodiče. Funkcí tlumivky je vyhlazení proudu a při zvyšovacím režimu měniče rovněž akumulace energie, potřebná pro jeho funkci. 4.3.3
Superkondenzátor
Parametry instalovaného superkondenzátoru Epcos UltraCap B48710 jsou 100 F, 56 V, 400 A. Jedná se o superkondenzátorovou baterii, vytvořenou sériovým spojením 27. superkondenzátorových článků 2700 F, 2.3 V, s aktivním vyrovnáváním napětí. Známým problémem sériového spojení kondenzátorů je riziko nerovnoměrného rozdělení napětí na jednotlivé články řetězce. Firma Epcos nabízí u svých baterií možnost volby ze 11
dvou způsobů vyrovnávání napětí mezi články. Prvním způsobem je běžný odporový dělič připojený paralelně k řetězci kondenzátorů. Nevýhodou tohoto řešení jsou trvalé ztráty v odporech a nízká rychlost vyrovnávání napětí. Druhým způsobem jsou aktivní vyrovnávací jednotky, připojené paralelně ke každému kondenzátorovému článku. Každá jednotka obsahuje přesný komparátor, porovnávající okamžité napětí článku s maximální povolenou hodnotou. V okamžiku překročení této hodnoty je k článku připnut paralelní vybíjecí odpor (3 Ω) a napětí článku je relativně rychle sníženo. Toto řešení se používá u dynamických aplikací, například v automobilové technice. Aktivní vyrovnávací jednotky nezaručují rovnoměrné rozdělení napětí mezi články, nýbrž chrání články před přepětím.
Obr.4.6 Pohled do otevřené superkondenzátorové baterie (36x44x22 cm, 28 kg)
Obr.4.7 Detail vrchní části článku s připojenou aktivní vyrovnávací jednotkou
Změna napětí kondenzátoru je dána změnou náboje Q uloženého v jeho elektrostatickém poli a kapacitou C. Při nabíjení konstantním proudem I po dobu t platí vztah: ∆U =
∆Q I ⋅ t = C C
[V, C, F, A, s]
(1)
Teoretická doba nabíjení našeho superkondenzátoru z nulové na jmenovitou hodnotu, v závislosti na velikosti konstantního nabíjecího proudu je vynesena na obrázku 4.8. Jak je vidět, i při maximální dovolené velikosti proudu (400 A) trvá nabíjení téměř čtvrt minuty. 120 25
100
20 Pi [kW] 0.1xE [kJ]
dt ∆t [s] [s]
80 60
15
Pi 10
40
E 5
20
0
0 0
100
200
300
0
400
I [A]
Obr.4.8 Doba nabíjení ∆t superkondenzátoru v závislosti na velikosti nabíjecího proudu I
10
20
30
40
50
Ui [V]
12
Obr.4.9 Energie E a max. vnitřní výkon Pi superkondenzátoru v závislosti na napětí Ui
60
Pro energii uloženou v elektrostatickém poli kondenzátoru platí vztah: E=
1 2 ⋅ C ⋅U i 2
[J, F, V]
(2)
Dosazením jmenovitých hodnot superkondenzátoru získáme velikost energie, kterou jsme v něm schopni akumulovat: 0.5 ⋅ 100 ⋅ 562 = 157 kJ = 157 kWs. Pro ilustraci, toto je velikost kinetické energie vozidla vážícího 1000 kg a jedoucího rychlostí 64 km/hod. Závislost energie uložené v superkondenzátoru na jeho napětí je vynesena na obrázku 4.9. Ve stejném grafu je vynesen i maximální vnitřní výkon superkondenzátoru, pro který platí lineární vztah: Pi = U i ⋅ I
[W, V, A]
(3)
Výkon, který lze ze superkondenzátoru skutečně odebírat je ale nižší, a sice o Joulovy ztráty na jeho vnitřním odporu. Na obrázku 4.10 je uveden nejjednodušší náhradní obvod superkondenzátoru, tvořený sériovou kombinací kondenzátoru a odporu.
I
Ri
U
C
Ui
Dle katalogových údajů zaručuje výrobce maximální vnitřní odpor superkondenzátoru Ri = 27 mΩ. Ztráty vznikající na tomto odporu závisí na velikosti protékajícího proudu:
Obr.4.10 Náhradní obvod superkondenzátoru
∆PR = Ri ⋅ I 2
[W, Ω, A]
(4)
Po dosazení jmenovitého proudu superkondenzátoru vychází 0.027 ⋅ 4002 = 4.3 kW, což je však víceméně velikost maximálního předpokládaného výkonu, který by měl být náš rekuperační systém schopen zpracovávat. Je zřejmé, že účinnost rekuperace energie bude 500
100
0.5
80
2
5
400
I [A] 100 x ∆PR [kW]
20 η [%]
60
P [kW] 40
300
200
I
100
20 0
∆PR
0 0
10
20
30
40
50
60
0
U [V]
10
20
30
40
50
U [V]
Obr.4.11 Účinnost η odběru energie ze superkondenzátoru v závislosti na napětíU pro různé velikosti odebíraného výkonu P
Obr.4.12 Proud I a ztrátový výkon superkondenzátoru ∆PR v závislosti na napětí U pro případ odběru výkonu P=5kW
velmi záviset na velikosti pracovního proudu superkondenzátoru, tzn. při daném výkonu na jeho napětí. Na obrázku 4.11 je vynesen poměr skutečně odebíraného P a vnitřního výkonu Pi, tj. účinnost odběru energie ze superkondenzátoru, v závislosti na odebíraném výkonu a okamžitém napětí na jeho vnějších svorkách. Z průběhů je vidět, že chceme-li například 13
60
odebírat ze superkondenzátoru výkon 5 kW s účinností nad 80 %, nemůžeme ho vybíjet pod hranici cca. 24 V, měřeno na vnějších svorkách. Tomu by odpovídalo skutečné (vnitřní) napětí superkondenzátoru cca. 30 V. Na obrázku 4.12 pak vidíme, že velikost proudu by se v závislosti na napětí pohybovala přibližně v rozmezí 100 až 200 A. Narozdíl od chemického článku lze superkondenzátor bez problémů vybíjet až do nulového napětí (viz. kapitola 3.2). V oblasti nízkých napětí však značně klesá účinnost odběru energie z důvodu rostoucího vybíjecího proudu a s ním spojených ztrát na vnitřním odporu superkondenzátoru. Minimální pracovní napětí superkondenzátoru proto vyplývá z požadovaného výkonu a z požadované minimální účinnosti odběru energie. Dále si je nutné uvědomit, že zatím byla uvažována pouze účinnost samotného superkondenzátoru. Účinnost celého rekuperačního obvodu bude samozřejmě ještě nižší, vzhledem k ztrátám na ohmickém odporu tlumivky a ztrátám v rekuperačním měniči.
14
5 Funkce rekuperačního obvodu Napětí superkondenzátoru je stejně jako u každého kondenzátoru pevně svázané s velikostí akumulované energie. Aby mohlo být napětí v meziobvodě nezávislé na napětí superkondenzátoru, je potřeba superkondenzátor připojit přes měnič napětí. Měnič pak tvoří jakési rozhraní, oddělující dvě odlišné napěťové hladiny a umožňující přenos energie mezi nimi. S ohledem na finanční náklady byl pro naše stanoviště zvolen superkondenzátor s jmenovitým napětím řádově nižším oproti předpokládanému pracovnímu napětí meziobvodu. Na obrázku 5.1 je znázorněno schéma použitého rekuperačního obvodu. Superkondenzátor je přes tlumivku připojen ke středu větve tlumivka výkonového modulu, tvořené filtrační dvěma spínacími prvky kondenzátor supers antiparalelními diodami. kondenzátor Přítomnost diody u horního spínacího prvku zaručuje, že napětí Obr. 5.1 Rekuperační obvod na superkondenzátoru nemůže být v ustáleném stavu nikdy vyšší než napětí v meziobvodě (zanedbáme-li prahové napětí diody). meziobvod
výkonový modul
Vhodným řízením měniče lze vzájemně přenášet elektrickou energii mezi meziobvodem a superkondenzátorem. Z hlediska funkce měniče je nutné použít vypínatelné součástky. Výkonový modul Semikron použitý na našem měřícím stanovišti, je tvořen třemi paralelními větvemi s tranzistory IGBT. 5.1
Režim práce měniče
Nejpoužívanějším způsobem řízení napěťových měničů je pulsně-šířková modulace (PWM). Charakteristickými hodnotami této metody je spínací frekvence f resp. perioda spínání T = 1 / f. a střída řízení z, daná poměrem doby zapnutí spínacího prvku a periody spínání z = tZ / T. Dle směru toku energie resp. proudu rozlišujeme dva režimy práce měniče. Při snižovacím režimu přechází energie ze strany vyššího napětí na stranu nižšího napětí, neboli v našem případě teče proud ze ss. meziobvodu do superkondenzátoru a ten se nabíjí. Při zvyšovacím režimu je tok energie opačný a v našem případě dochází k vybíjení superkondenzátoru. V následujících odvozeních jsou pro jednoduchost předpokládány ideální vlastnosti spínacích prvků, tj. nulový úbytek napětí v sepnutém stavu, nulový proud ve vypnutém stavu a nulová spínací i vypínací doba. 5.2
Snižovací měnič napětí
Pracuje-li měnič jako snižovací, je řízen horní tranzistor (T1). Dolní tranzistor a zpětná dioda horního tranzistoru se vedení proudu nezúčastňují a ve schématu je můžeme vynechat (obrázek 5.2). 15
Dle stavu tranzistoru T1 můžeme rozlišit dva případy.
I1
a) tranzistor sepnut T1 U1
L
Proud protéká obvodem tvořeným filtračním kondenzátorem C1, tranzistorem T1, tlumivkou L, odporem R a superkondenzátorem C2. Odpor R vyjadřuje ohmický odpor popisovaného obvodu, především tlumivky a superkondenzátoru.
R
C1 I2
D2
U2
C2
Obr. 5.2 Snižovací měnič napětí
Proud i1 je při sepnutém tranzistoru totožný s proudem i2. Při dostatečně vysoké spínací frekvenci a tedy krátké periodě spínání, lze během jednoho spínacího taktu považovat napětí v meziobvodě i napětí na superkondenzátoru za konstantní. Proud superkondenzátorem lze pak vyjádřit jednoduchou diferenciální rovnicí prvního řádu: U 1 = R ⋅ i2 + L ⋅
di2 +U2 dt
(5)
Řešením této rovnice je proud exponenciálně narůstající z počáteční minimální hodnoty ID (U − U 2 ) : k ustálené hodnotě 1 R i2
t − ( U1 − U 2 ) τ = ⋅ 1− e +I
kde
R
τ
D
⋅e
−
t τ
(6)
časová konstanta obvodu τ =
L R
b) tranzistor vypnut
V okamžiku vypnutí tranzistoru se zdrojem energie, který vyvolává proud obvodem, stává tlumivka. Jedná se o energii akumulovanou ve formě magnetického pole. Proud protéká obvodem tvořeným tlumivkou L, odporem R, kondenzátorem C2 a diodou D2. Proud i1 je při vypnutém tranzistoru nulový. Proud superkondenzátorem je opět dán diferenciální rovnicí prvního řádu: 0 = R ⋅ i2 + L ⋅
di2 +U2 dt
(7)
jejímž řešením je proud klesající z počáteční maximální hodnoty IH k hodnotě − i2 = −
U2 R
t − ⋅ 1 − e τ
t − + IH ⋅e τ
U2 : R (8)
Vzhledem k přítomnosti diody D2 nemůže být samozřejmě proud záporný. Dosáhne-li proud během doby vypnutí tranzistoru nulové hodnoty, mluvíme o režimu měniče s přerušovaným 16
proudem. Při přerušovaném proudu je přenášená energie vzhledem k malé střední hodnotě proudu velmi nízká. V praxi proto pracuje napěťový měnič téměř výhradně v režimu s nepřerušovaným proudem. Vztahy pro výsledný průběh proudu:
Pro konstantní střídu a frekvenci spínání tranzistoru lze na základě rovnic (6) a (8) najít vztahy pro minimum ID a maximum IH "ustáleného" zvlněného proudu. V případě přerušovaného proudu platí: ID = 0 IH
(9)
(U − U 2 ) ⋅ = 1
1 − e
R
−
tZ τ
(10)
Pro nepřerušovaný proud platí: t − Z 1 − e τ − tV U U 1 ⋅e τ − 2 ID = ⋅ T R R − 1 − e τ
IH
kde
t − Z 1 − e τ U 1 = ⋅ T R − 1 − e τ
(11)
U − 2 R
(12)
tZ
doba zapnutí tranzistoru
tV
doba vypnutí tranzistoru
T
perioda spínání
T = tZ + tV
Pro zvlnění nepřerušovaného proudu lze za předpokladu τ >> T odvodit vztah: ∆I = I H − I D ≅ kde
U1 ⋅ z ⋅ (1 − z ) f *L z=
z
střída řízení
f
frekvence spínání
(13) tZ T f =
1 T
Maximální zvlnění nepřerušovaného proudu nastává pro hodnotu střídy z = 0.5 a jeho velikost je: ∆I max =
U1 4⋅ f ⋅ L
(14)
17
Je zřejmé, že maximální zvlnění proudu roste s napětím U1, klesá se spínací frekvencí, klesá s indukčností tlumivky a trochu překvapivě nezáleží na velikosti napětí U2. Uvedený výsledek a z něj plynoucí závěry ovšem platí pouze pro případ nepřerušovaného proudu. Mez nepřerušovaného proudu tedy musí odpovídat střídě z < 0.5. V opačném případě nastává maximální zvlnění proudu při vyšší střídě a nedosahuje hodnoty vypočtené z rovnice (14). Pro střední hodnotu nepřerušovaného proudu platí: I 2 AV =
z ⋅U1 − U 2 R
(15)
Tento proud nabíjí superkondenzátor C2, následkem čehož vzrůstá jeho napětí. Pro střední hodnotu příkonu superkondenzátoru platí: P2 AV = U 2 ⋅ I 2 AV =
z ⋅U1 ⋅U 2 − U 2 R
2
(16)
Střední hodnota vzrůstu napětí superkondenzátoru je: dU 2 AV I 2 AV = dt C2
(17)
Na obrázku 5.3 je vynesena závislost vybraných veličin na střídě PWM řízení snižovacího měniče, pro dvě různá napětí superkondenzátoru, za předpokladu konstantní spínací frekvence a konstantního napětí meziobvodu. Zvolené parametry obvodu jsou uvedeny uvnitř plochy grafu. Výrazný zlom u křivek odpovídá mezi nepřerušovaného proudu. Jak je vidět, v režimu přerušovaného proudu je výkon odebíraný z meziobvodu takřka nulový. P [kW] I [A] 16
Ukládaní energie do superkondenzátoru
400
P1AV
η [%] 100
12
300 η
80 60 40
8
200
4
100
U1 =400V f=10kHz L=10mH R=0.1Ω
Imax
20 0
U2 =56V
U2 =33V 0
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
z [-]
Obr.5.3 Vliv střídy PWM řízení snižovacího měniče na střední výkon meziobvodu P1AV, špičku zvlněného proudu Imax a účinnost přenosu energie η, pro dvě různá napětí superkondenzátoru U2
18
5.3
Zvyšovací měnič napětí
Pracuje-li měnič jako zvyšovací, je řízen tranzistor T2. Tranzistor T1 a dioda D2 se nezúčastňují vedení proudu a ve schématu je můžeme vynechat (obrázek 5.4). Dle stavu tranzistoru T2 můžeme rozlišit dva případy. D1 U1
L
a) tranzistor sepnut
R
C1 I2
T2
Proud protéká obvodem tvořeným kondenzátorem C2, odporem R, tlumivkou L a tranzistorem T2.
C2
Obr. 5.4 Zvyšovací měnič napětí
Proud i1 je při sepnutém tranzistoru nulový. Proud superkondenzátorem je dán diferenciální rovnicí prvního řádu: U 2 = − R ⋅ i2 − L ⋅
di2 dt
(18)
Záporná znaménka u členů obsahujících proud odpovídají opačnému směru skutečného proudu, než jak bylo zvoleno v obrázku 5.4. Opět budeme pro jednoduchost považovat napětí na kondenzátorech během jednoho sepnutí za konstantní a zanedbáme napěťové úbytky na polovodičových součástkách. Řešením rovnice (18) je proud exponenciálně rostoucí z počáteční minimální hodnoty ID U k ustálené hodnotě − 2 : R i2 = −
U2 R
t − ⋅ 1 − e τ
t − + ID ⋅e τ
(19)
b) tranzistor vypnut
V okamžiku vypnutí tranzistoru převezme proud dioda D1. Proud protéká obvodem tvořeným kondenzátorem C2, odporem R, tlumivkou L, diodou D2.a kondenzátorem C1. Proud i1 je při sepnutém tranzistoru totožný s proudem i2. Proud superkondenzátorem je opět dán diferenciální rovnicí prvního řádu: U 2 = − R ⋅ i2 − L ⋅
di2 + U1 dt
(20)
jejímž řešením je proud klesající z počáteční maximální hodnoty IH k hodnotě U −U2 i2 = 1 R
t − τ ⋅ 1 − e
t − + IH ⋅e τ
U1 − U 2 : R (21)
19
Vzhledem k přítomnosti diody D1 nemůže být samozřejmě proud kladný. Dosáhne-li proud během doby vypnutí tranzistoru nulové hodnoty, mluvíme o režimu měniče s přerušovaným proudem. Vztahy pro výsledný průběh proudu:
Pro konstantní střídu a frekvenci spínání tranzistoru lze na základě rovnic (19) a (21) najít vztahy pro minimum ID a maximum IH "ustáleného" zvlněného proudu. V případě přerušovaného proudu platí: ID = 0 IH
(22)
U =− 2 R
t − Z ⋅ 1 − e τ
(23)
Pro nepřerušovaný proud platí: t −V 1 − e τ U 1 ID = ⋅ T R − 1 − e τ
IH
t −V 1 − e τ U = 1 ⋅ T R − 1 − e τ
kde
− tZ U ⋅e τ − 2 R
(24)
U − 2 R
(25)
tZ
doba sepnutí tranzistoru
tV
doba vypnutí tranzistoru
T
perioda spínání
T = tZ + tV
Pro zvlnění nepřerušovaného proudu lze odvodit totožný výsledný vztah (viz. rovnice 13), jako u snižovacího měniče. Pro střední hodnotu nepřerušovaného proudu i2 platí: I 2 AV =
(1 − z ) ⋅ U 1 − U 2
(26)
R
Tento proud vybíjí superkondenzátor C2, následkem čehož klesá jeho napětí. Pro střední hodnotu výkonu superkondenzátoru platí: P2 AV = U 2 ⋅ I 2 AV =
(1 − z ) ⋅ U 1 ⋅ U 2 − U 2 2 R
20
(27)
Pro střední hodnotu poklesu napětí superkondenzátoru platí: dU 2 AV I 2 AV = dt C2
(28)
Na obrázku 5.5 je pro ilustraci vynesena závislost vybraných veličin na střídě PWM řízení zvyšovacího měniče, pro dvě různá napětí superkondenzátoru, za předpokladu konstantní spínací frekvence a konstantního napětí meziobvodu. Výrazný zlom u křivek odpovídá mezi nepřerušovaného proudu. Jak je vidět, v režimu přerušovaného proudu je příkon meziobvodu takřka nulový.
P [kW] I [A] 16
350
η [%] 100
12
300 250
80 60
8
200 150
40
4
20 0
Čerpání energie ze superkondenzátoru
400
η
U1 =400V f=10kHz L=10mH R=0.1Ω
P1AV
100
Imax
50 0
0 0.8
U2 =56V 0.82
0.84
0.86
U2 =33V 0.88
0.9 z [-]
0.92
0.94
0.96
0.98
1
Obr.5.5 Vliv střídy PWM řízení zvyšovacího měniče na střední příkon meziobvodu P1AV, špičku zvlněného proudu Imax a účinnost přenosu energie η, pro dvě různá napětí superkondenzátoru U2
Jak je z obrázku vidět, existuje hodnota střídy, označme ji zPmax, při které dosahuje příkon do ss. meziobvodu svého maxima. Pro vyšší hodnoty střídy sice dále narůstá výkon odebíraný ze superkondenzátoru, příkon do meziobvodu však klesá. Lze dokázat, že příkon do meziobvodu dosahuje maximální hodnoty právě při 50% účinnosti přenosu. Pro hodnotu střídy zPmax potom musí platit: P1 AV I ⋅U ≅ 1 AV 1 = 0.5 P2 AV I 2 AV ⋅ U 2
(29)
Maximum příkonu do meziobvodu nastává vždy při nepřerušovaném proudu. Uvažujeme-li již dříve zmíněný předpoklad τ>>T, lze považovat časový průběh proudu během jednoho sepnutí resp. vypnutí tranzistoru za přímkový. Pak se musí střední hodnota proudu meziobvodu během vypnutí rovnat střední hodnotě proudu superkondenzátoru během celé periody a pro proud meziobvodu lze tedy psát:
21
I 1 AV =
tv ⋅ I 2 AV T
(30)
Dosazením rovnice (30) do rovnice (29) dostaneme: tv tv ⋅ I 2 AV ⋅ U 1 ⋅U1 (1 − z ) ⋅ U 1 = 0.5 T = T = I 2 AV ⋅ U 2 U2 U2
(31)
Výsledný vztah pro střídu zPmax má tvar: z P max = 1 −
U2 2 ⋅U1
(32)
Pro maximální příkon meziobvodu platí: P1 AV = U 1 ⋅ I 1 AV
(33)
a s využitím rovnic (30), (26) a (32) lze odvodit výsledný vztah: 1 U2 P1 AV max = − ⋅ 2 4 R
(34)
Z rovnice (34) je vidět, že maximální dosažitelná hodnota středního příkonu, který jsme schopni dodávat do meziobvodu, nezáleží na jeho napětí. Rozhodující je napětí superkondenzátoru a ohmický odpor rekuperačního obvodu.
22
6 Řízení rekuperačního měniče Z hlediska strategie řízení se nabízejí níže uvedené dvě základní možnosti: •
Udržování požadované hodnoty napětí v meziobvodě.
•
Udržování požadovaného stavu nabití superkondenzátoru
V praxi lze předpokládat střídavé užívání obou uvedených kritérií, v závislosti na požadavcích nadřazeného řídícího systému. Energie kondenzátoru je úměrná druhé mocnině jeho napětí (viz. rovnice 2). Stav nabití superkondenzátoru je tedy úměrný jeho napětí, takže z pohledu řízení jde opět o udržování požadované hodnoty napětí v daném místě obvodu, v tomto případě na superkondenzátoru. Cílem řízení měniče je v obou případech nastavit a následně udržet vybrané napětí na žádané hodnotě. Na základě znaménka odchylky skutečné hodnoty napětí bude napěťový měnič pracovat buď jako snižovací, nebo jako zvyšovací. 6.1
Regulační schéma
Na obrázku 6.1 je navržené schéma dvoustupňového regulátoru, pro případ regulace napětí v meziobvodě. Odchylka mezi skutečnou u1 a žádanou hodnotou napětí meziobvodu u1* je vstupem regulátoru napětí. Jeho výstupem je požadovaný proud superkondenzátoru. Odchylka mezi skutečným i2 a požadovaným proudem i2* je vstupem regulátoru proudu, jehož výstupem je střída řízení měniče z. Střída řízení je vstupem PWM modulátoru, jehož výstupem jsou řídící pulsy pro výkonové spínací prvky měniče. Zapojení ke své funkci vyžaduje měřit napětí v meziobvodě a proud superkondenzátorem. S ohledem na bezpečnou funkci měniče je také vhodné měřit napětí na superkondenzátoru. Blok OVP (Over Value Protection) zajišťuje blokování řídících pulsů, jestliže některá z měřených veličin překročí povolenou mez.
u1*
PID regulátor napětí
+ -
i2*
PI regulátor proudu
+ -
PWM modulátor
z
i2
u1
stop
OVP
řídící pulsy u2
CU1 napěťový meziobvod
DR
DR
CI CU2 superkondenzátor
výkonový modul
Obr.6.1 Blokové schéma regulátoru
23
V případě regulace napětí superkondenzátoru se v blokovém schématu pouze odpovídajícím způsobem změní vstup regulátoru napětí. Zároveň dojde ke změně koeficientů tohoto regulátoru. Koeficienty regulátoru proudu se nezmění. Ohledně zmíněných koeficientů regulátorů je nutné si uvědomit, že jejich hodnoty se liší pro zvyšovací a pro snižovací režim měniče. 6.1.1
Regulátor proudu
Regulátor proudu je navržen jako PI a zvláštní pozornost zaslouží u zvyšovací funkce měniče. Jak bylo uvedeno v kapitole 5.3, existuje hodnota střídy PWM řízení, při které dosahuje příkon meziobvodu maxima. Nastavení vyšší střídy nemá (v ustáleném stavu!) smysl, poněvadž příkon do meziobvodu již zvýšit nelze, naopak dochází k jeho poklesu, a pouze se zvyšují ztráty na parazitním ohmickém odporu obvodu. Ten je tvořen především odporem tlumivky a vnitřním odporem superkondenzátoru. Výstup proudového regulátoru (hodnota střídy PWM) by měl být proto omezen, aby měnič zbytečně nepracoval s nízkou účinností. Omezení dovolené střídy má však za následek snížení dynamiky regulace, konkrétně zpomalení nárůstu střední hodnoty proudu při přechodných stavech. Uvedený nedostatek zmírníme, omezíme-li výstup regulátoru napětí, nikoli výstup regulátoru proudu. 6.1.2
Regulátor napětí
Regulátor napětí je navržen jako PID. Jeho výstup, požadovaná hodnota proudu, musí být omezen ze dvou důvodů. Aby nedošlo k proudovému přetížení obvodu a aby měnič nepracoval se zbytečně nízkou účinností (viz. předchozí kapitola). Mezní hodnota proudu daná druhým požadavkem plyne z rovnic (26) a (32): I 2 AV ( P max) =
6.2
−U2 2⋅ R
(35)
Matematický model
Na základě matematického popisu rekuperačního obvodu byl vytvořen jeho matematický model v programu Matlab-Simulink. Sledováním odezvy regulované veličiny na skokovou změnu žádané veličiny byly nastaveny koeficienty obou regulátorů, a to s důrazem na maximální dynamiku regulace. Zvlášť byly nastaveny koeficienty regulátorů pro snižovací a zvlášť pro zvyšovací režim činnosti měniče. Volba režimu je dána znaménkem odchylky požadované hodnoty napětí od skutečné. Kvůli omezení četnosti přechodů mezi oběma režimy činnosti a také s ohledem na reálné možnosti dynamiky regulace, byl zvolen vzájemný odstup žádaných hodnot napětí pro snižovací a zvyšovací režim. Na obrázku 6.2 je uveden průběh proudu superkondenzátoru a napětí meziobvodu při simulaci skokové změny výkonu dodávaného resp. odebíraného z meziobvodu. Jedná se o regulaci napětí v meziobvodě, přičemž žádaná hodnota napětí byla 400V, přesněji 410V pro snižovací režim a 390V pro zvyšovací režim činnosti měniče. Parametry obvodu zadané pro simulaci se shodují s parametry použitými v kapitole 5 (viz. obrázek 5.3 a 5.5). Zadaná kapacita filtračního kondenzátoru v meziobvodě byla 14mF. Z průběhů je vidět, že rychlost regulačního zásahu u zvyšovacího režimu je znatelně pomalejší než u režimu snižovacího. Důvodem je především řádový rozdíl mezi hodnotami napětí meziobvodu a 24
superkondenzátoru. V principu funkce měniče při zvyšovacím režimu tkví také důvod zákmitu regulovaného napětí, který je pozorovatelný při změně znaménka odebíraného výkonu z meziobvodu. Chceme-li totiž obrátit směr proudu v tlumivce, musíme nejprve odčerpat energii akumulovanou v jejím magnetickém poli. Zatímco při snižovacím režimu tato energie vyvolává proud pouze mezi tlumivkou a superkondenzátorem, při zvyšovacím režimu protéká proud také meziobvodem a způsobuje tak jeho dodatečné nabíjení.
u1 [V]
440
440
420
420
400
400
380
380
360
360
340
i2 [A]
0
0.1
340
300
300
200
200
100
100
0
0
-100
-100 0
0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
a)
b)
Obr.6.2 Simulace činnosti regulátoru a) u2=30V; t<0 : P1ext=0kW, t>0 : P1ext=5kW b) u2=56V; t<0 : P1ext=0kW, 0
0,9 : P1ext=5kW
25
t [s]
t [s]
7 Realizace řízení K řízení měniče bude použita vývojová deska Motorola DSP56F807EVM s 16 bitovým digitálním signálovým mikroprocesorem. Jedná se o moderní, velmi výkonný procesor s mnoha periferiemi, jehož výkon vysoce převyšuje požadavky řešeného úkolu. Napěťová úroveň procesoru je 3,3V. Napěťová úroveň řídící logiky výkonového modulu Semikron je 15V. Vzhledem k rozdílné napěťové úrovni signálů u řídící desky a výkonového modulu je nutné vytvořit modul rozhraní, který bude zajišťovat potřebnou napěťovou transformaci. Zároveň zde bude také transformován proudový výstup z čidel napětí na vhodný napěťový signál pro řídící desku. Zamýšlené připojení měniče a čidel k řídící desce přes modul rozhraní je znázorněno na obrázku 7.1.
u2_DSP
i2_DSP
errorDSP overTDSP
TM_DSP
pBOT_DSP pTOP_DSP
u1_DSP
DSP56F807
u2
i2
error overT
TM
pBOT pTOP
u1
MODUL ROZHRANÍ
ochrana
CU1 napěťový meziobvod
DR
CI
DR
CU2 superkondenzátor
výkonový modul SEMIKRON
Obr.7.1 Připojení měniče a čidel k řídící desce
Vstupem pro řídící desku jsou čtyři měřené veličiny (napětí meziobvodu, napětí superkondenzátoru, proud superkondenzátoru a teplota výkonového modulu) a dva chybové signály (přehřátí modulu a obecná chyba modulu). Výstupem jsou řídící povely pro horní a dolní tranzistor výkonového modulu. Jak je patrné z obrázku 7.1, obě napětí jsou snímána externími čidly napětí, zatímco zbylé měřené veličiny resp. chybové signály jsou měřeny resp. generovány samotným výkonovým modulem.
26
8 Závěr Navržený rekuperační systém umožní ukládání přebytečné elektrické energie z meziobvodu do superkondenzátoru a její zpětné využití. Zakoupený superkondenzátor s parametry 56 V, 100 F dokáže pojmout až 156 kJ energie. Z hlediska požadovaného výkonu a účinnosti nelze však superkondenzátor vybíjet až do nulové hodnoty a praktická velikost akumulovatelné energie je proto nižší. Pro případ přebytku energie v meziobvodě v okamžiku plného nabití superkondenzátoru, obsahuje rekuperační systém přepěťový obvod, umožňující zmařit přebytečnou energii v „brzdném“ odporu. Výkonové obvody rekuperačního systému byly realizovány dle projektu a jsou součástí měřícího stanoviště hybridního pohonu. V současné době dochází k „oživování“ řídícího obvodu rekuperačního měniče a kalibraci jednotlivých čidel. Náplní mé další činnosti bude realizace řízení rekuperačního měniče prostřednictvím vývojové desky se signálovým procesorem Motorola DSP56F807 a celkové zprovoznění rekuperačního systému. Následovat by měla praktická měření s cílem ověřit funkčnost rekuperačního obvodu a posoudit jeho reálné vlastnosti.
Literatura 1. Výkonová elektronika, Jiří Pavelka, Zdeněk Čeřovský, skriptum ČVUT, 2000 2. SkiiP 942GB120 Data Sheet , SEMIKRON, 2002 3. UltraCap Double Layer Capacitors, EPCOS AG, 2002 4. DSP56F807 User's Manual, MOTOROLA, 2001
27
