SUPERKAPACITOR PRO HYBRIDNÍ POHON VOZIDLA Pavel Mindl Elektrotechnická fakulta ČVUT Praha
Úvod Akumulace elektrické energie je jedním ze závažných problémů nově vyvíjených elektrických i hybridních
pohonů
vozidel.
Tradiční
řešení
tohoto
problému
vychází
z klasických
elektrochemických akumulátorových systémů na bázi olova či NiCd, novější pak z akumulátorů Ni-MH. Stále nevyřešeným problémem je malá objemová a hmotnostní energetická hustota zmíněných akumulátorů v porovnání s hustotou energie klasických paliv, používaných v zážehových nebo vznětových motorech. To má za následek poměrně pomalý a uživatelsky omezený nástup čistě elektrických pohonů u vozidel pro nezávislou trakci. Současné trendy v této oblasti nasvědčují, že problém bezpečného a dostatečně velkého zásobníku energie pro pohon vozidel není stále vyřešen a vývoj jde směrem k použití hybridních pohonů, t.j. kombinace klasických spalovacích motorů s optimalizovaným pracovním režimem a přídavného elektrického pohonu, použitelného pro jízdu v městském prostředí. Přičemž zásobník elektrické energie je průběžně dobíjen výkonovými přebytky spalovacího motoru a je využíván pouze pro krytí zvýšených výkonových nároků při jízdních manévrech, jako je např. předjíždění nebo pro akumulaci energie při rekuperačním brždění či při jízdě z kopce, kdy lze akumulovat potenciální energii vozidla. Pro tyto účely je požadována vysoká dynamika v příjmu a výdeje energie zásobníku. Klasické chemické akumulátory mají v tomto režimu poměrně malou účinnost vlivem nezbytné konverze elektrické energie na energii chemickou a zpět. Též dynamika tohoto procesu je omezená. Proto jsou hledány jiné principy akumulace elektrické energie. Jako perspektivní se v této oblasti jeví použití superkapacitorů, které představují nový konstrukční prvek použitelný ke krátkodobé akumulaci a rychlému výdeji poměrně velkého množství energie bez nadměrných ztrát. Cílem příspěvku je teoretický výpočet potřebné kapacity a praktické ověření vlastností superkapacitoru ve fyzikálním modelu hybridního pohonu automobilu. Teoretický kinematický model jízdního manévru představuje jednoduchou, ale v praktických provozních podmínkách často prováděnou operaci, pro kterou je potřebné mít dostatečnou zásobu energie. Kinematický model jízdního manévru Pohyb vozidla při jízdním manévru je charakterizován v-t diagramem uvedeným na obr.1. V časovém intervalu t1 – t2 vozidlo akceleruje s konstantním zrychlením z rychlosti v1 na v2.
Po předjetí se zařazuje do svého jízdního pruhu a přizpůsobuje svoji rychlost předchozímu stavu, tj. zpomaluje během intervalu t2 – t3 z rychlosti v2 na v1. Pro ustálenou rychlost v1 využívá energii spalovacího motoru, pro krytí zvýšených energetických nároků na předjíždění
je
využívána energie ze superkapacitoru, aby nemusel být měněn pracovní režim spalovacího motoru.
v v2
v
1
t1
t2
t3
t
Obr.1 v-t diagram jízdního manévru Dráha, ujetá vozidlem během předjížděcího manévru je obecně vyjádřena vztahem s=
t3
∫ v dt t1
V podintervalu ∆t1 = t2 – t1
vozidlo zrychluje s akcelerací a1 a překonává vzdálenost s1.
V podintervalu ∆t2 = t3 – t2 vozidlo zpomaluje se zpomalením a2 a překonává vzdálenost s2. S ohledem na uvažované konstantní zrychlení a1 i a2, lze jejich velikost vyjádřit vztahy a1 =
v 2 − v1 t 2 − t1
a2 =
v1 − v 2 t3 − t2
Příslušné ujeté vzdálenosti během manévru jsou s1 =
1 a 1 ∆ t 12 2
s2 =
1 a 2 ∆ t 22 2
Potřebné urychlující a zpomalující síly Fa a Fd s příslušnými energiemi Wa a Wd jsou
Fa = m a1
W a = F a s1
Fd = m a 2
W d = Fd s 2
Tyto vztahy zanedbávají aerodynamický odpor vozidla a tření, které lze odhadnout cca na 30% energie potřebné pro akceleraci vozidla. ENERGIE AKUMULOVANÁ V SUPERKAPACITORU Celková energie elektrického pole uložená v superkapacitoru je dána vztahem W SC =
1
CU
2
Pro praktické aplikace je využitelná pouze její část z důvodů nemožnosti čerpání energie až do úplného vybití superkapacitoru a poklesu napětí na nulu. S ohledem na klesající účinnost přečerpávání energie při klesajícím napětí se jeví jako akceptovatelné vybíjení na 50% jmenovitého napětí superkapacitoru. Při
počáteční hodnotě napětí superkapacitoru U2
představuje tato podmínka přípustný pokles napětí při vybíjení na velikost U2/2. Energie WSC, která je za těchto podmínek k dispozici je dána výrazem
W SC =
1 U C (U 22 − ( 2 ) 2 ) 2 2
=
3 CU 22 8
A potřebná kapacita superkapacitoru je C=
8WSC 3U 22
Střední hodnota výkonu Pa , potřebného pro akceleraci je Pa =
Wa ∆t1
ÚČINNOST KONVERZE ENERGIE A BEZPEČNOSTNÍ REZERVA PRO DOKONČENÍ MANÉVRU Při kalkulaci celkové instalované kapacity superkapacitorů je nutné respektovat účinnost konverze energie ze superkapacitoru do trakčního motoru a dále je nezbytné kalkulovat s nezbytnou energetickou rezervou pro bezpečné dokončení předjížděcího manévru. To znamená, že potřebná kapacita superkapacitoru, vypočtená v předchozím odstavci, bude muset být s ohledem na tyto faktory zvýšena. Míru navýšení kapacity lze stanovit na základě odhadu účinnosti elektronických měničů (hodnoceno pouze účinností výkonových částí, neboť řídicí obvody měničů jsou napájeny z provozní palubní sítě) a potřebné bezpečnostní rezervy. Při uvažování účinnosti výkonových částí měničů
η = 0,8 a bezpečnostní energetické rezervy
ve výši 80% celkové využitelné energie, je celková instalovaná kapacita superkapacitoru přibližně vyjádřena vztahem C in = 2C =
16WSC 3U 22
NUMERICKÉ VÝPOČTY Pro praktický výpočet potřebné instalované kapacity superkapacitoru v automobilu s hybridním pohonem budou uvažovány následující výchozí parametry: Hmotnost automobilu 1500 kg Počáteční rychlost na začátku předjížděcího manévru v čase t1 = 0: v1 = 30 ms-1 . Doba akcelerace 10 s na čas t2 Dosažená rychlost na konci akceleračního intervalu : v2 = 40 ms-1. Během následujícího 5s intervalu v čase t2 až t3 dochází ke snížení rychlosti zpět z v2 = 40 ms-1 na v1 = 30 ms-1 Grafické znázornění manévru je uvedeno na obr.1. S využitím předchozího obecného odvození dostaneme: a1 =
v 2 − v1 t 2 − t1
=
10 10
= 1ms − 2
a2 =
v1 − v 2 10 =− 5 t3 − t2
= − 2 ms − 2
Vzdálenosti s1 a s2 ujeté vozidlem v časových intervalech t1 - t2 a t2 - t3 jsou: s1 =
1 1 * 1 * 100 a 1 ∆ t 12 = 2 2
= 50 m
s2 =
1 1 * 2 * 25 = 25 m a 2 ∆ t 22 = 2 2
Urychlující a zpomalující síly a energie jsou F a = m a 1 = 1500 * 1 = 1500 N
W a = F a s 1 = 75000 J
F d = m a 2 = 1500 * − 2 = − 3000 N
W d = F d s 2 − 3000 * 25 = − 75000 J
Uvedené výpočty nezahrnují ztráty vyvolané aerodynamickým odporem a třením, které jsou odhadnuty na 30% akcelerační energie, t.j. 25*103J. Tím celková potřeba energie WSC, která by měla být k dispozici v superkapacitoru pro celé krytí energetických nároků předjížděcího manévru stoupne na přibližně 1*105J. Potřebná celková instalovaná kapacita superkapacitoru při počátečním napětí U2=50V pak vychází C in = 2C =
16W SC 3U 22
=
16 *10 5 = 213F 3 * 50 2
EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ TEORETICKÝCH ZÁVĚRŮ K ověření teoretických závěrů je připraveno experimentální pracoviště s hybridním pohonem, jehož blokové schéma je uvedeno na obr.2. Strojové vybavení experimentálního pracoviště obsahuje:
•
Asynchronní motor s plynulou regulací otáček – (simulace spalovacího motoru)
•
Elektromechanický dělič výkonu speciální konstrukce
•
Asynchronní motor s plynulou regulací otáček – (jako trakční motor)
•
Asynchronní motor s plynulou regulací otáček – (simulace trakční zátěže)
•
Superkapacitory pro akumulaci energie.
Elektrická výbava obsahuje pět měničů energie, z toho dva jsou použity pro řízení pohonů, simulujících spalovací motor a jízdní zátěž (Blok ICE a traction load/brake), jejichž účinnosti nejsou předmětem sledování.
Zbylé tři měniče jsou využity pro konverzi energie během
nabíjecího nebo vybíjecího cyklu superkapacitoru. Předmětem experimentu je ověření celkové účinnosti přeměny a krátkodobého uložení energie v superkapacitoru během jednoho nabíjecího a vybíjecího cyklu, simulujícího předjížděcí manévr automobilu. Hlavní pozornost je věnována celkové energetické bilanci manévru, simulované na fyzikálním modelu hybridního pohonu. Další experimenty budou zaměřeny na zkoumání dynamiky nabíjecích a vybíjecích procesů superkapacitoru. Pro fyzikální simulaci předjížděcího manévru je použito pouze části experimentálního stanoviště, která zahrnuje vlastní superkapacitor, jeho nabíjecí a vybíjecí měnič, frekvenční měnič pro napájení trakčního motoru a trakční motor. Blokové schéma měřicího pracoviště pro popisovaný experiment je uvedeno na obr.3. Zátěž trakčního motoru tvoří brzdový asynchronní motor s příslušným frekvenčním měničem. Celá soustava je doplněna měřicími sondami, čtyřkanálovým osciloskopem a systémem pro měření výkonu zatěžovacího motoru. Řízení experimentu je v prvé fázi manuální, v další etapě se připravuje automatické řízení. Určení mechanického výkonu trakčního motoru se provádí z elektrických veličin, získaných měřicím systémem a následným přepočtem podle cejchovní charakteristiky brzdicího motoru. Po zvládnutí problémů, spojených se řízením experimentu je připraveno přesné měření výkonu na hřídeli trakčního motoru pomocí měřiče krouticího momentu a otáček. Mechanical energy
Super-capacitor energy
Electrical energy
accumulator
Obr.2 Blokové schéma experimentálního pracoviště hybridního pohonu
MAINS
MANS
Super-capacitor charging DC/DC convertor
Convertor Frequency
DC
Frequency
DC
convertor
convertor AC
Electric model
ICE
AC
Power
Traction
splitter
motor
Traction load /BRAKE/
SUPER CAPACITOR
CHARGING
FREQUENCY
TRACTION
BRAKE
INCREMENT.
CONVERTOR
CONVERTOR
MOTOR
/AM/
SENSOR
DC
POWER METERING SYSTEM
SOURCE
DC CURRENT
FREQUENCY CONVERTOR
INTEGRATOR
DC CURRENT 4- CH
DC VOLTAGE
DSO
SPEED
Obr.3 Blokové schéma části měřicího stanoviště včetně systémů pro měření účinnosti přenosu energie mezi superkapacitorem a trakčním motorem ZÁVĚR Cílem uvedeného experimentu je ověření celkové účinnosti přenosu energie mezi energetickým zásobníkem, tvořeného superkapacitorem a trakčním motorem hybridního pohonu. Na konkrétním jízdním manévru, realizovaném na fyzikálním modelu, ověřit vhodnost použití superkapacitoru a teoretické výpočty související s určením jeho kapacity. POUŽITÁ LITERATURA [1] Mierlo,J.V.: Simulation software for comparison and design of electric, hybrid electric and internal combustion vehicles with respect to energy, emissions and performances, Vrije Universiteit Brussel, 2000 [2] Bílek,J.: Electric Equipment of Diesel-Electric Train “Slovenská strela” (in Czech) Elektrická výzbroj motorových vozů “Slovenská strela” Elektrotechnický obzor, ročník 26, číslo 16, duben1937. [3] Hibbeler,R.C.: Engineering Mechanics-Dynamics, 4-th edition Macmillan Publishing Company, New York 1988 ABSTRACT: Presented paper deals with super-condenser energy storage evaluation. A simple mathematical model for super-capacitor capacitance determination is presented. Results of mathematical calculations are verified on hybrid-drive experimental bench.
